壓電超聲傳感器的制備及其在混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用.pdf

1、近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，大型民用工程、高層建筑、大跨度橋梁和水利設(shè)施等土木工程的興建，學(xué)術(shù)界和工程界對土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時、在線的健康監(jiān)測的研究逐漸成為熱點。在土木工程監(jiān)測領(lǐng)域中利用智能材料的健康監(jiān)測取得的成果，為達(dá)到實際的土木工程健康監(jiān)測提供了有效的方法。壓電材料因為既有傳感的特性又有驅(qū)動功能，和響應(yīng)快、線性度好、能耗低、成本低以及易于加工的優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。以壓電材料為傳感元件的壓電超聲傳感器是混凝土結(jié)構(gòu)健

2、康監(jiān)測系統(tǒng)中的重要組成部分。壓電超聲傳感器的工作機理是壓電材料的正、逆壓電效應(yīng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電能和聲能互相轉(zhuǎn)化的器件，按工作機理的不同壓電超聲傳感器可以分為:發(fā)射型傳感器和接收型傳感器兩大類。本論文基于上述背景，對發(fā)射型、接收型壓電超聲傳感器的制備和使用其進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測進(jìn)行了具體研究，主要研究工作包含下列幾個方面:
　　(1)發(fā)射型壓電超聲傳感器的制備及其性能研究。該類傳感器的傳感元件為PZT-41型壓電陶瓷，研究了傳感器

3、組成部分中的匹配層和背襯材料對傳感器性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)匹配層厚度為2.5mm時，傳感器信號首波幅值最大，發(fā)射信號強度高，實驗結(jié)果符合四分之一波長理論;背襯材料中鎢粉與水泥的質(zhì)量比1.5∶1，厚度為6mm時，傳感器的首波幅值較大，信號衰減快，具有最大分辨率。在實際檢測過程中，應(yīng)該合理選擇控制背襯層的厚度，使發(fā)射型傳感器的靈敏度達(dá)到最優(yōu)。
　　(2)接收型壓電超聲傳感器的制備及其性能研究。研究中分別從壓電元件、匹配層及背襯層的組

4、成和厚度進(jìn)行實驗和分析。實驗表明:以陶瓷柱截面積為1×1mm2的1-3型壓電復(fù)合材料做壓電元件制備的接收型傳感器靈敏度最高，頻帶寬度最大;匹配層厚度為3mm的傳感器接收波的最大振幅值和首波幅值最大，試驗結(jié)果和四分之一波長理論基本吻合;背襯材料中鎢粉和水泥的質(zhì)量比為2以及背襯層厚度為8mm時，傳感器的帶寬最大，接收性能最好。
　　(3)基于非線性超聲技術(shù)對混凝土中損傷的產(chǎn)生和擴大情況進(jìn)行了檢測。利用時域和頻譜兩種聲波信號處理方式對接

5、收信號進(jìn)行分析，從幅值衰減、波形畸變以及諧振產(chǎn)生的角度提出判斷混凝土損傷情況的特征指標(biāo)。從試驗結(jié)果可以得出聲幅、諧振是確定混凝土裂紋損傷狀況比較好的依據(jù)，試驗結(jié)果證實了利用埋入式壓電超聲換能器進(jìn)行混凝土損傷檢測具有很好的有效性。
　　(4)利用埋入式壓電超聲傳感器對混凝土強度增長過程進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測。通過測試混凝土在不同齡期的抗壓強度和監(jiān)測不同齡期的混凝土聲信號變化情況，得到了監(jiān)測信號的聲學(xué)參數(shù)隨混凝土齡期變化的曲線圖，建立了超聲波