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(cè)的一個(gè)重要分支，壓電智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(duì)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(dòng)波動(dòng)法和被動(dòng)波動(dòng)法兩種監(jiān)測(cè)方式對(duì)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(cè)中的可行性。具體研究?jī)?nèi)容及取得的實(shí)驗(yàn)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(cè)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(huì)一直保持在很低的水平，而且變化的幅度小;同時(shí)隨著高度的增加，厚度諧振峰增強(qiáng)，平面振動(dòng)對(duì)厚度振動(dòng)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(duì)傳感器性能的影響。實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)的幅長(zhǎng);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(duì)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(cè)。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(shì)，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(gè)階段，即誘導(dǎo)期、加速期、波動(dòng)期、衰減期和穩(wěn)定期。相對(duì)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(duì)于壓電陶瓷傳感器，壓電復(fù)合材料傳感器接收信號(hào)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(duì)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(hào)，分別在試塊的不同面進(jìn)行斷鉛，實(shí)驗(yàn)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(shí)傳感器接收到的信號(hào)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(duì)不同距離斷鉛信號(hào)的響應(yīng)情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著斷鉛距離的增加，接收信號(hào)的首波幅值降低。同時(shí)，由頻域圖可以看出，雖然不同距離信號(hào)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(duì)不同受力條件下的水泥砂漿試塊損傷的響應(yīng)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在抗壓試驗(yàn)中聲發(fā)射信號(hào)隨著加載試驗(yàn)的進(jìn)行呈線性增加的趨勢(shì)，并且當(dāng)載荷超過破壞載荷的70％左右時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)能量突然增加;在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，撞擊實(shí)驗(yàn)曲線和試驗(yàn)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(gè)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(shí)相對(duì)于PAC探頭，水泥基