基于压电阻抗的混凝土裂缝深度发展定量研究

混凝土结构是土木工程领域使用最广的结构形式,裂缝是其损伤的主要形式。该文基于压电阻抗(EMI)监测技术,对混凝土立方体标准试块裂缝深度的定量发展进行了监测。制作150mm×150mm×150mm标准试块,将压电片(PZT)粘贴于试块表面,用精密阻抗分析仪HP4294A提取压电片在混凝土试块健康状况和不同损伤工况下的电导纳信号,并分析二者的联系。实验结果表明,随着裂缝损伤的发展,压电片电导纳频谱发生了变化;压电片-粘结层-主体结构耦合系统的共振频率及电导信号峰值能表征混凝土裂缝深度的发展,但其存在稳定性缺陷;传统损伤指标中,绝对比例平均偏差(MAPD)和均方根偏差(RMSD)比相关系数(CCD)更适于监测混凝土裂缝的出现,而CCD则比MAPD和RMSD更适于定量分析裂缝的发展。此外,该文还得到了混凝土试块裂缝发展时损伤参数的具体数值,可供EMI健康监测实际应用时参考。     

基于压电陶瓷的混凝土裂缝损伤监测

压电陶瓷的正逆压电效应决定其既可作传感器又可作驱动器.将压电陶瓷埋于混凝土中并对其施加激励,可在混凝土中产生应力波.根据该波动法原理.应用自行研制封装的压电陶瓷传感器对混凝土中裂缝损伤的产生过程进行监测.采用基于小波包分析法定义的损伤指标对不同工况下的损伤进行计算,结果表明,损伤指标的变化趋势与相应的应变片监测信号和荷载位移曲线的发展趋势吻合良好,实现了对混凝土中微小裂缝损伤的监测和识别.     

压电机电阻抗结构损伤监测机理研究

基于压电-结构的机电阻抗模型,分析了模型中结构机械阻抗与压电传感器电阻抗之间的耦合关系。研究了压电机电阻抗测试法,并根据压电-结构模型中的机电阻抗谱研究损伤监测方法,给出了基本原理。利用在铝板上的测试和实验,验证了压电机电阻抗测试法及不同距离模拟损伤对压电机电阻抗谱的影响和变化趋势,探讨了阻抗分析技术用于损伤监测的可行性。研究与实验结果表明,在高激励频率作用下,随着损伤距离的变化,压电机电阻抗也会发生相同趋势的变化。     

压电混凝土结构健康监测系统的开发与应用

基于压电陶瓷传感器的混凝土结构裂缝损伤监测技术已取得了丰硕成果。但该项技术目前还未能广泛用于实际工程,缺乏相应的监测系统开发是其主要原因之一。该文以基于压电陶瓷传感器的波动法主动健康监测技术为理论基础,结合混凝土结构裂缝损伤监测特点,利用虚拟仪器技术开发了一套便携式压电混凝土结构裂缝损伤健康监测系统。通过荷载作用下的混凝土梁的损伤监测试验完成了对系统的测试,并将该系统应用到实际工程中。结果表明,该系统运行稳定可靠,可实时在线地对混凝土结构的不同裂缝损伤状态作出识别,并进行声光预警。     

组合结构空洞缺陷检测压电阻抗数值模拟研究

钢管混凝土等组合结构在超高层建筑中的应用日益广泛,其核心混凝土的空洞缺陷会严重影响构件的力学性能。该文利用数值模拟法对基于压电阻抗的核心混凝土空洞缺陷检测技术的作用机理进行了深入研究。通过对比有、无缺陷区域的阻抗计算结果,分析判定缺陷位置,并定义偏差均方根损伤指标来评估测点位置的损伤程度。结果表明,核心混凝土空洞缺陷的存在会导致相应位置的嵌入式压电传感器阻抗频率曲线产生显著变化,所定义的损伤指标可有效识别核心混凝土的空洞缺陷,数值模拟法成功验证了基于压电阻抗法的核心混凝土空洞缺陷检测技术的有效性。     

基于压电阻抗技术的阻尼液黏度监测方法

针对粘滞阻尼器中阻尼液黏度会发生变化且黏度不易被直接监测的问题,该文提出了一种基于压电阻抗法的阻尼液黏度监测方法,在阻尼器中安装压电传感器,通过测量传感器的机电阻抗值来确定阻尼液的黏度。为验证所提方法的有效性,制作了一个阻尼装置的模型并安装压电传感器,在其中放置不同黏度的阻尼液时测量压电传感器的阻抗值。结果表明,随着阻尼液黏度的增大,阻抗曲线的峰值频率逐渐减小,而实部电阻值逐渐增大。定义的黏度监测指标能够成功反应阻尼液黏度。     

考虑粘结层和阻抗解析表达式的压电阻抗模型

引用根据自由梁振动原理得到的一维梁结构机械阻抗解析表达式,并考虑压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)和梁结构之间的粘结层对二者的应力应变传递过程的影响,改进了一维梁结构压电阻抗模型.在粘结系数ξ分别为0.01、0.02和1.00的3种粘结状态下,对5～80 kHz频率范围内PZT耦合电阻抗进行了数值计算.测量计算得到α-氰基丙烯酸乙酯、环氧树脂和改性丙烯酸酯三种粘结剂的粘结强度,分别为0.882 MPa、7.621 MPa和10.198 MPa,并在3种粘结状态下测量了5～80 kHz频率范围内PZT的耦合电阻抗.研究表明,数值模拟和实验测量所得的耦合电阻抗谱符合良好,数值计算与实验结果峰值对应频率的相对误差范围是0.25％～6.06％.     

基于压电阻抗技术的木梁损伤识别研究

利用压电阻抗技术对粘贴有压电陶瓷(PZT)传感器的无损木梁和带孔洞损伤的木梁进行数值模拟和实验研究,并用损伤指数,即均方根偏差(RMSD)来定量评估木梁的阻抗值随损伤程度和损伤位置的变化关系。计算结果表明,利用压电阻抗法能够有效识别木梁的局部损伤,当PZT贴片和损伤位置的间距一定时,RMSD随损伤程度的增大而增大;当损伤程度一定时,RMSD随PZT贴片和损伤位置间距的增大而减小,数值结果与现有实验结果规律一致。相关结论证明了利用压电阻抗技术检测木梁局部损伤的有效性,可为工程实际提供参考。     

基于压电阻抗技术原理的压电传感、驱动元件自损伤检测方法

从对压电阻抗技术的介绍谈起,然后就压电自损伤检测理论进行分析,最后对基于压电阻抗技术原理的压电传感、驱动元件自损伤检测方法的试验应用进行说明。     

埋入混凝土中压电元的电-声换能特性研究

根据埋入混凝土中压电元的机电换能等效图，分析了埋入混凝土中压电换能器的电-声换能特性，指出恒定外界载荷对埋入后压电元的电-声换能特性不产生影响。相应的测试实验结果与理论分析一致。     

基于压电阻抗的钢管砼柱横隔板剥离缺陷检测

该文提出了一种基于压电阻抗测量的大型不规则多腔钢管混凝土柱中横隔板下与核心混凝土的界面剥离缺陷检测方法。在横隔板上、下表面粘贴压电陶瓷片并在横隔板以下混凝土中嵌入压电功能元,对压电材料的机电耦合阻抗进行测量,结果表明,界面剥离缺陷区域的压电陶瓷片和嵌入式压电功能元的阻抗测量结果出现明显变化。通过机电耦合阻抗测量可实现大型不规则钢管混凝土柱横隔板下表面与混凝土的界面粘结缺陷的有效检测。     

光纤光栅传感器监测混凝土简支梁裂缝的实验研究

以结构健康监测系统为研究背景,研究了光纤布拉格光栅(FBG)传感器。对FBG的研究起步并成熟于通信领域,而对其在土木工程领域的研究尚处于发展阶段。为了进一步促进FBG传感器的发展,推广其在工程中的应用,通过在混凝土简支梁的底部布置经纤维增强复合塑料(FRP)封装的准分布式FBG传感器和未经封装的准分布式FBG传感器,研究了准分布式FBG传感器对钢筋混凝土构件裂缝出现时的有效感知及定位问题。实验结果表明可实现裂缝的大致定位,经FRP封装的FBG传感器相对于裸光纤光栅,其应变灵敏度有所下降。     

锰掺杂CBT压电陶瓷的交流阻抗谱研究

通过固相反应法制备了锰掺杂的CaBi4Ti4O15陶瓷,掺杂量x(MnCO3)从0到3.0%。添加锰以后,材料的直流电阻率先升高,再降低。通过交流阻抗谱分析,得到了各组分晶粒、晶界对电导的贡献。发现在少量掺杂时,锰原子同时进入晶粒及晶界,并改善高温下的导电性能。掺杂量为1.0%时,直流电阻率最大。但当x(MnCO3)大于3.0%时,锰原子开始富集于晶界,使材料性能恶化。     

压电器件阻抗测试系统的研制

基于压电器件的等效电路模型,利用导纳圆理论图测量压电器件阻抗特性参数及过零检测相位差测量原理,构建了一套完整的压电器件性能参数阻抗测试系统。通过单片机控制信号产生幅值固定、频率可变的正弦信号,经功率放大后驱动压电器件产生超声高频振动,并采集压电器件两端的电压、电流及相位差信号,通过串口传给上位机。上位机采用基于Labview人机交互界面,实现压电器件阻抗特性参数计算和图形显示。实验结果表明,本测试系统能测量压电器件各主要相关参数,并动态显示阻抗特性曲线,可用于压电器件的参数测试与性能评估。     

压电器件阻抗测试系统的研制

基于压电器件的等效电路模型,利用导纳圆理论图测量压电器件阻抗特性参数及过零检测相位差测量原理,构建了一套完整的压电器件性能参数阻抗测试系统。通过单片机控制信号产生幅值固定、频率可变的正弦信号,经功率放大后驱动压电器件产生超声高频振动,并采集压电器件两端的电压、电流及相位差信号,通过串口传给上位机。上位机采用基于Labview人机交互界面,实现压电器件阻抗特性参数计算和图形显示。实验结果表明,本测试系统能测量压电器件各主要相关参数,并动态显示阻抗特性曲线,可用于压电器件的参数测试与性能评估。     

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。     

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。     

一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器

针对不同工程实际对传感器灵敏度及量程的不同要求,设计了一种基于弯曲损耗原理的光纤裂缝传感器,介绍了传感器的工作原理,对光损耗值与裂缝宽度间的理论关系进行了推导,并通过实验,研究了在不同弯曲段尺寸下光损耗的变化规律,确定了弯曲段光纤临界损耗尺寸,测得最敏感直径区间。通过有机玻璃板模拟裂缝的开展和闭合过程,验证了传感器的可行性。最后,通过在混凝土条件下模拟裂缝实验,对传感器的性能进行了测试。实验结果表明,传感器可实现对混凝土结构裂缝发展过程的长期稳定监测。     

塑料光纤在裂缝监测中应用的可行性研究

针对普通石英光纤断裂应变较小在实际工程应 用中易发生断裂的问题,本文提出在结构裂缝监测 工作中运用塑料光纤(POF)代替普通石英光纤,设计了由光源、POF及光功率计组成 的塑料光纤裂 缝传感装置,并通过裂缝模拟装置对纤芯直径分别为0.25mm及0.5mm的POF在裂缝 监测中应用的可 行性进行了验证。实验结果表明,裂缝开度为0到6mm范围内,两种型号POF内部光 的强度随裂缝扩 展呈现逐渐减弱的变化,裂缝开展初期光强度变化明显,当裂缝宽度趋近于6mm时变化逐渐 减弱,符合理 论规律,且光纤直径较大时光强度变化更明显。因此POF可以有效感知裂缝的扩展 ,且光纤直径较大时对裂缝感知更敏感,将其应用在结构裂缝监测工作中是可行性的。