水泥基壓電傳感器的制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、作為土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一個重要分支，壓電智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注，但是傳統(tǒng)的壓電傳感器與混凝土結(jié)構(gòu)存在相容性問題。針對土木工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本文研究了一種以水泥基壓電復(fù)合材料為壓電元件的水泥基壓電傳感器，并基于主動波動法和被動波動法兩種監(jiān)測方式對其應(yīng)用進(jìn)行研究，探討其在混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的可行性。具體研究內(nèi)容及取得的實驗成果如下所示:
　　 為了得到適用于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的壓電傳感器，本研究首先采

2、用切割-澆注法制備了一系列不同諧振頻率的1-3型水泥基壓電復(fù)合材料。結(jié)果表明:在諧振頻率處，水泥基壓電復(fù)合材料的內(nèi)阻較小，并且其頻率附近阻抗值會一直保持在很低的水平，而且變化的幅度小;同時隨著高度的增加，厚度諧振峰增強(qiáng)，平面振動對厚度振動的影響降低，有利于制備模態(tài)純凈的壓電傳感器。
　　 分別以1-3型水泥基壓電復(fù)合材料和壓電陶瓷為元件制備傳感器，研究了匹配層、背襯層以及屏蔽處理對傳感器性能的影響。實驗結(jié)果表明:添加匹配層后傳感

3、器的電阻抗頻譜更加平坦，并且水泥基壓電傳感器的阻抗值明顯大于壓電陶瓷傳感器。同時，匹配層增加了傳感器的帶寬和接收靈敏度，使水泥基壓電傳感器和壓電陶瓷傳感器的靈敏度分別增加了0.954dB和2.728dB;背襯層在一定程度上降低了傳感器的靈敏度，但是背襯層提高了傳感器的聲學(xué)衰減性能，消弱了傳感器的響應(yīng)曲線余振和多次反射時的幅長;經(jīng)屏蔽處理后傳感器的門檻值低于30dB，傳感器的抗干擾能力增強(qiáng)。
　　 分別以水泥基壓電傳感器和壓電陶瓷

4、傳感器為接收單元，基于超聲波法對水泥凈漿水化和水泥砂漿水化反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)測。研究結(jié)果表明:隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，壓電傳感器的接收波頻域譜圖中主頻率和主頻峰值則呈增大趨勢，到水化后期接近于穩(wěn)定;通過分析壓電傳感器的接收波形信息，把水泥水化反應(yīng)前24h分為五個階段，即誘導(dǎo)期、加速期、波動期、衰減期和穩(wěn)定期。相對于水泥凈漿，超聲波在水泥砂漿中首波幅值衰減明顯，并且傳播速度減小;相對于壓電陶瓷傳感器，壓電復(fù)合材料傳感器接收信號與試塊強(qiáng)度之間具有更

5、好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)大于0.9。
　　 基于聲發(fā)射技術(shù)對水泥基壓電傳感器的聲發(fā)射特性進(jìn)行研究。首先利用鉛筆芯的斷裂模擬聲發(fā)射信號，分別在試塊的不同面進(jìn)行斷鉛，實驗結(jié)果表明在與壓電元件電極面相平行的面進(jìn)行斷鉛時傳感器接收到的信號首波幅值最大;然后在距離傳感器不同距離處進(jìn)行斷鉛，研究傳感器對不同距離斷鉛信號的響應(yīng)情況，實驗結(jié)果表明:隨著斷鉛距離的增加，接收信號的首波幅值降低。同時，由頻域圖可以看出，雖然不同距離信號的頻譜圖主頻峰值不

6、同，但是其主頻頻率不變。
　　 基于聲發(fā)射技術(shù)研究水泥基壓電傳感器對不同受力條件下的水泥砂漿試塊損傷的響應(yīng)情況。實驗結(jié)果表明:在抗壓試驗中聲發(fā)射信號隨著加載試驗的進(jìn)行呈線性增加的趨勢，并且當(dāng)載荷超過破壞載荷的70％左右時，聲發(fā)射信號能量突然增加;在三點(diǎn)彎曲試驗中，撞擊實驗曲線和試驗機(jī)加載曲線之間有很好的一致性，并且可以將聲發(fā)射過程可以分為3個階段:初始階段、穩(wěn)定階段、不穩(wěn)定階段，呈現(xiàn)出很好的雙峰特性。同時相對于PAC探頭，水泥基