基于壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與損傷診斷.pdf

1、壓電陶瓷(Lead Zirconate Titanate，PZT)以其特有的傳感和作動功能而成為近年來在土木工程界廣泛研究和應(yīng)用的智能材料之一。其因具有響應(yīng)快，頻響范圍寬，易剪裁，價格低廉等特點而在工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面存在著巨大的應(yīng)用潛力。因而，基于壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測已經(jīng)成為土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的一個重要研究方向。在該領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的理論和試驗研究工作，并取得了一定的研究成果，但是對于封裝后的壓電陶瓷傳感器的性能、采用

2、壓電陶瓷傳感器對混凝土結(jié)構(gòu)進行主動及被動監(jiān)測等方面的研究才剛剛起步，有待進一步深入研究。在這一背景下，本論文在以下幾個方面進行了理論分析和試驗研究工作： (1)針對混凝土中的高水高堿惡劣環(huán)境，以及壓電陶瓷的電學(xué)特性，研制開發(fā)了一種小型壓電陶瓷傳感器，并在萬能試驗機上對其被動響應(yīng)性能進行測試。測試結(jié)果表明，該傳感器靈敏度高，且輸入輸出具有較好的線性關(guān)系。該種傳感器的靈敏度隨著用于封裝的壓電陶瓷面積的增大而增大；而且壓電陶瓷的形狀尺

3、寸對傳感器的靈敏度亦有影響。 (2)將壓電陶瓷傳感器埋入混凝土構(gòu)件中，對構(gòu)件在不同方向的沖擊自振變形進行被動監(jiān)測，同時在相應(yīng)的壓電陶瓷傳感器埋放點安放加速度傳感器，以對壓電陶瓷傳感器的監(jiān)測信號提供參考。試驗結(jié)果表明，兩種傳感器輸出信號的頻譜成分較為一致。分別采用兩種傳感器信號計算結(jié)構(gòu)的阻尼比和彈性模量，其結(jié)果符合較好。 (3)針對小波分析中統(tǒng)一閾值降噪法的不足，對傳統(tǒng)的閾值函數(shù)進行改進，并基于二進小波變換，選用最優(yōu)預(yù)測變

4、量閾值對信號分解的小波系數(shù)進行降噪處理。采用該方法對6種噪聲信號進行仿真濾波，結(jié)果表明，改進的方法能夠有效的提高原始信號的信噪比。將該方法應(yīng)用于壓電陶瓷監(jiān)測到的模型結(jié)構(gòu)在模擬地震動作用下變形信號的濾波中，效果較好。 (4)建立了基于dSPACE的壓電陶瓷主動監(jiān)測系統(tǒng)。應(yīng)用埋入式壓電陶瓷傳感器對在三點彎曲加載作用下的混凝土梁中裂縫的形成過程進行監(jiān)測。采用連續(xù)小波變換提取由壓電陶瓷激發(fā)出的應(yīng)力波信號的中心頻率信號，并以其能量作為損傷

5、指標。試驗結(jié)果表明，所研制封裝的壓電陶瓷傳感器能夠正確響應(yīng)混凝土內(nèi)檢測應(yīng)力波的傳播；損傷指標能夠反映不同工況下混凝土內(nèi)由壓電陶瓷激發(fā)的應(yīng)力波的變化情況；此外，壓電陶瓷傳感器在構(gòu)件中的埋置深度不同，損傷指標亦有差別。 (5)將壓電陶瓷傳感器放置于鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)的薄弱部位，對其在不同模擬地震動作用下的變形進行實時監(jiān)測。試驗結(jié)果表明，在彈性測試階段，壓電陶瓷傳感器的監(jiān)測信號能夠較好地反映結(jié)構(gòu)在各種工況下的形變以及相應(yīng)的頻率響