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(cè)中的應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(duì)土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線的健康監(jiān)測(cè)的研究逐漸成為熱點(diǎn)。在土木工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中利用智能材料的健康監(jiān)測(cè)取得的成果，為達(dá)到實(shí)際的土木工程健康監(jiān)測(cè)提供了有效的方法。壓電材料因?yàn)榧扔袀鞲械奶匦杂钟序?qū)動(dòng)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(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。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(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分。壓電超聲傳感器的工作機(jī)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(jī)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(duì)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(cè)進(jìn)行了具體研究，主要研究工作包含下列幾個(gè)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(duì)傳感器性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)匹配層厚度為2.5mm時(shí)，傳感器信號(hào)首波幅值最大，發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合四分之一波長(zhǎng)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(shí)，傳感器的首波幅值較大，信號(hào)衰減快，具有最大分辨率。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)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(shí)驗(yàn)和分析。實(shí)驗(yàn)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(yàn)結(jié)果和四分之一波長(zhǎng)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(shí)，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(duì)混凝土中損傷的產(chǎn)生和擴(kuò)大情況進(jìn)行了檢測(cè)。利用時(shí)域和頻譜兩種聲波信號(hào)處理方式對(duì)接

5、收信號(hào)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(yàn)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(yàn)結(jié)果證實(shí)了利用埋入式壓電超聲換能器進(jìn)行混凝土損傷檢測(cè)具有很好的有效性。
　　(4)利用埋入式壓電超聲傳感器對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。通過(guò)測(cè)試混凝土在不同齡期的抗壓強(qiáng)度和監(jiān)測(cè)不同齡期的混凝土聲信號(hào)變化情況，得到了監(jiān)測(cè)信號(hào)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