基于压电陶瓷的钢管混凝土柱早期强度监测

为研究钢管混凝土柱内部早期强度的增长规律,该文在现有混凝土早期强度监测技术基础上,提出一种基于压电智能骨料的早期强度检测方法。制作钢管混凝土柱试件,通过在钢管混凝土柱内部预埋智能骨料作为传感器和激励器,发射和接收信号,对混凝土早期强度增长过程中传感器采集到的数据进行分析,结果表明,传感器接收信号的电压幅值随着混凝土早期强度的增加而减少,混凝土早期强度在初始的1周内以较快的速度增长,1周后增长速度减慢,28d后强度为1个定值。与此相应,传感器接收信号电压幅值在初始1周内以较快的速度下降,随后下降速度减慢,最后达到稳定,电压幅值变化曲线与早期强度变化曲线相似。利用压电智能骨料能对混凝土早期强度发展过程进行有效监测。     

环境温度变化压电智能骨料信号稳定性试验研究

研究了压电智能骨料在环境温度变化时的信号稳定性问题,并明确其变化规律及分析原因,为基于压电智能骨料的混凝土结构健康监测奠定基础。将预先埋设压电智能骨料的小尺寸素混凝土梁置入恒温试验箱中,改变箱内温度并记录不同温度下的压电智能骨料信号能量值,利用试验数据拟合出信号能量值与温度之间的关系。试验结果表明,压电智能骨料信号幅值受温度影响变化明显且表现出明显的非线性变化规律及符合压电材料机电耦合系数随温度变化的规律,其原因是由于压电陶瓷材料本身弹性常数随温度变化,并在宏观上体现为机电耦合系数的变化。     

压电智能骨料传感器设计与性能研究

载荷、温度等不利的外部环境因素将影响压电智能传感器信号的接收和发射。该文设计了一种自行封装的压电智能骨料传感器(约8~15cm3),通过被动监测技术,对SAB、SAS两组压电智能骨料传感器进行截面抗压承载力的力学性能实验,记录被动监测信号突变点(即声发射信号)并进行分析。结果表明,0.24~0.41 MPa应力区间为压电智能骨料传感器正常工作危险区域,而0.41~0.61 MPa应力区间为正常工作的极限区域。压电智能骨料传感器实际抗压承载力的80%相当于达到了外包层C30混凝土标准抗压强度的90%,充分说明了SAS类压电智能骨料传感器具有非常好的抗压工作性能,揭示了压电智能骨料传感器在抗压等实际工程条件下的良好服役性能。     

灌浆缺陷套筒应力波传播数值模拟研究

灌浆套筒是装配式混凝土结构的关键连接部件,内部灌浆缺陷会严重影响结构力学性能。该文利用机电耦合数值模拟法对基于压电陶瓷驱动下灌浆缺陷套筒内应力波传播特性进行了研究。通过对比健康状况和设置有不同程度灌浆缺陷的套筒模型上的压电陶瓷片测量电压幅值,分析了缺陷与测量信号的关系,并定义了缺陷评价指标评估套筒灌浆缺陷程度。结果表明,套筒灌浆缺陷导致压电片接收压电幅值显著增大。所定义的缺陷评价指标能有效识别套筒内部的灌浆缺陷,基于粘贴压电传感器的应力波测量了用于反映套筒灌浆缺陷的影响。     

压电智能骨料传感器设计与性能研究

载荷、温度等不利的外部环境因素将影响压电智能传感器信号的接收和发射。该文设计了一种自行封装的压电智能骨料传感器（约8~15 cm3）,通过被动监测技术,对SAB、SAS两组压电智能骨料传感器进行截面抗压承载力的力学性能实验,记录被动监测信号突变点（即声发射信号）并进行分析。结果表明,0.24~0.41 MPa应力区间为压电智能骨料传感器正常工作危险区域,而0.41~0.61 MPa应力区间为正常工作的极限区域。压电智能骨料传感器实际抗压承载力的80%相当于达到了外包层C30混凝土标准抗压强度的90%,充分说明了SAS类压电智能骨料传感器具有非常好的抗压工作性能,揭示了压电智能骨料传感器在抗压等实际工程条件下的良好服役性能。     

保护层材料对智能骨料性能影响的试验研究

研究了不同保护层材料(大理石、水泥砂浆、环氧树脂)在智能骨料制作过程中对电阻、电容性能的影响,以及对由不同保护层材料的智能骨料构成的智能监测系统的性能进行了对比,考察了信号幅值和线性灵敏度两个指标。结果表明,大理石保护层和环氧树脂保护层对智能骨料中压电陶瓷片(PZT)的电阻值无影响,而水泥砂浆保护层对PZT片的电阻值影响较明显,在水泥砂浆潮湿的情况下电阻值较小,干燥情况下电阻值较大;保护层材料对智能骨料的电容值影响较大,其中水泥砂浆保护层导致PZT片的电容值变化量约为18%~27%,大理石保护层导致PZT片的电容值变化量约为18%~22%,环氧树脂保护层导致PZT片的电容值变化量约为17%~20%。由大理石保护层智能骨料构成的智能监测系统其信号幅值和灵敏度最高,其次是水泥砂浆,最后是环氧树脂。根据试验结果大理石比较适合用作智能骨料的保护层材料。     

压电波动法监测土壤含水率的可行性研究

基础工程施工的安全性常以基坑稳定性为前提,而土壤的含水率是边坡稳定性的关键因素。但是,土体内部含水率的观测困难,很难实时了解土体内部水分的变化情况。目前对土壤含水率进行监测的方法较少,故而迫切需要一种对土体结构含水率进行实时监测的方法。该文通过制作简易土箱,利用压电智能骨料并结合压电波动法对土箱内土壤进行含水率监测,获得了不同含水率下的压电信号及小波包能量。基于小波包分析方法发现,压电信号幅值及对应的小波包能量指数与土壤含水率呈正相关关系,且土壤含水率越大,小波包能量指数的上升速率越慢,并在其含水率接近饱和时基本不再变化,验证了该土壤含水率监测方法具有良好可行性。     

基于三次样条函数的光栅传感光缆舞动波长估计

基于光栅传感的分布式光纤复合架空地线(OPGW)健康监测得到了广泛研究。针对OPGW光缆舞动事件,提出一种基于三次样条函数拟合的舞动波长预测方法。首先,通过理论推导,建立光栅传感相位变化量与舞动波长的数学联系；然后,利用仿真分析理想舞动情况下信号三次样条函数拟合前后的相移信号结果,初步证明了所提方法的有效性；最后,将其应用在某220kV线路,对比分析典型弱风环境及强风环境下的舞动监测强度图。实际监测结果表明,所选取方法能够有效改善强度图信号特征,可得出强风条件下档距内舞动波长约为200m,弱风条件下档距内舞动波长约50m。该方法为舞动事件的图像识别智能监测提供技术参考,具有较好的应用前景。     

预应力弯曲波纹管灌浆密实性监测试验研究

针对预应力波纹管弯曲位置处易出现灌浆不密实问题,该文提出了一种基于压电波动法的预应力波纹管密实性监测研究方法。在塑料波纹管纵向4个横截面的顶部和底部各粘贴1个压电陶瓷片,通过其单发单收的“区域交叉”的纵向监测方式,分析了9个灌浆工况中接收信号幅值、频率和小波包能量的变化规律。当波纹管灌浆料密实时,其功率谱密度和小波包能量变化明显,验证了压电波动法监测的有效性。     

基于压电陶瓷的孔道压浆密实性监测数值模拟

针对预应力混凝土结构中孔道压浆不密实的问题,利用有限元ABAQUS软件建立了预应力混凝土有限元数值模型,采用压电波动法进行主动传感监测。其中,在该数值模型的波纹管纵向3个横截面底部各粘贴1个压电陶瓷片,作为发射信号的驱动器;在同一横截面的不同高度和顶部分别粘贴压电陶瓷传感器,形成“一发七收”和“区域交叉”的横、纵向监测方式。数值模拟了不同压浆情况下的应力波传播规律,并对传感器接收的响应信号进行时域分析。结果表明,当压浆水平抵达某传感器位置时,由于波纹管底部驱动器发出的应力波可通过灌浆料传播至传感器处,使得该传感器接收到的时域信号幅值明显增大,后续随着压浆高度继续增加,该位置处的时域信号幅值基本保持稳定;当驱动器与传感器在同一纵向截面内时,通过监测时域信号幅值变化可得到传感器位置及其以下纵向区域的压浆水平,并根据横、纵向相结合的监测方法,可准确得到波纹管内真实的压浆空间分布情况。     

基于压电波动测量的套筒灌浆缺陷检测试验

套筒灌浆连接是当前装配式建筑中受力钢筋的主要连接方式,其灌浆质量是影响装配式混凝土结构性能的关键因素之一。运用压电陶瓷材料的驱动和传感功能,该文提出了一种基于波动分析的套筒灌浆缺陷主动检测方法,并通过试验验证其可行性,通过数值模拟分析其机理。在套筒连接钢筋表面粘贴压电片,测量健康试件和设置有不同尺寸缺陷试件上压电陶瓷传感器的输出信号,并对小波包能量进行分析和比较。结果表明,灌浆缺陷导致压电陶瓷传感器输出信号的电压幅值增大,小波包能量指标与套筒灌浆缺陷尺寸大小相关。该法能对套筒内灌浆缺陷进行有效检测。     

2-2型水泥基压电机敏复合材料的研制

在土木工程领域中，智能结构系统越来越受到人们的重视，而在智能结构系统中机敏材料是不可缺的元素，它是构成智能结构中的传感器和驱动器的关键材料。针对目前土木工程领域智能结构中存在的结构材料与机敏材料相容性差问题，采用水泥基材料作为压电机敏复合材料的基体，通过调节水泥基材料组分和比例，克服水泥基材料与压电陶瓷在密度上的悬殊差异为材料准备带来的困难，制备出2－2型水泥基压电机敏6复合材料。同时，采用集成了微型计算机、MTS自动伺服试验机、示波器、信号发生器、线性放大器和HP－IB界面的测试系统测量2－2型水泥基压电复合材料的弹性性能、传感性能和驱动性能。实验结果表明，在实验范围里，该材料具有线弹性性能；传感性能和驱动性能具有明显的频率依赖性；在超低频范围内，2－2型水泥基压电复合材料的压电电压系数的模值随频率线性增大，相角随频率增大开始时增大较快，随后趋于一常数；2－2型水泥基压电复合材料的压电性能与聚合物基压电复合材料相似。     

A study on PVDF sensor using wireless experimental system for bridge structural local monitoring

Originated from aerospace area, smart material structures have been a research hotspot in the application of engineering. For structural health monitoring within the context of civil engineering, the research about high-performance sensing units are very important. As one of the piezoelectric materials belonging to smart ones, Polyvinylidene Fluoride (PVDF) is widely regarded for its property advantages of low cost, good mechanical abilities, high sensibility, and corrosion resistance. In this paper, for the validation of PVDF sensors as sensing units for bridge structural local monitoring, wireless experimental systems of PVDF sensor for structural local monitoring on a bridge model and beam were built. Firstly, based on the operating mechanism, the measurement circuit and the characteristics of PVDF are introduced. Secondly, system framework of PVDF sensor for local monitoring is proposed, a bridge model is built, wireless sensor kits are then developed. Finally, Bridge damage monitoring experiments have been done for structural local health monitoring using PVDF sensors. The experimental results show that PVDF sensor can handle structural impact response monitoring and damage detection of civil engineering, and the developed wireless sensor experimental system can be easily implemented for use in practical monitoring engineering.     

基于机电阻抗法的套筒灌浆缺陷检测试验研究

该文针对预制装配式结构中灌浆套筒的灌浆质量检测问题,利用在套筒表面不同位置粘贴的压电陶瓷片,对具有不同程度灌浆缺陷的半灌浆套筒试件进行机电阻抗测量,建立缺陷评价指标,并对不同测点的缺陷评价指标与缺陷程度的关系进行了定量分析。试验结果表明,缺陷评价指标与灌浆缺陷程度相关,基于阻抗测量能有效检测出不同程度的人工模拟套筒灌浆缺陷。