电压放大器在预制块嵌入法波动监测试验研究中的应用

实验名称：预制块嵌入法波动监测试验研究

研究方向：超声检测

测试目的：

压电智能骨料是目前用于混凝土结构健康监测中常用的传感器，可进行动态应力及材料性能的超声监测。压电智能骨料嵌入结构时往往需要通过粘结或绑扎方式固定到钢筋等支撑结构上，支撑结构干扰监测区域应力场且传感器位置稳定性较差，由此影响监测精度。本文提出一种新型的压电智能骨料嵌入方法——预制块嵌入法。通过数值及试验研究发现，与传统嵌入方法相比新型嵌入方法显著降低了对嵌入区域的应力场影响，且传感器位置更稳定，监测随机性更低。

测试设备：ATA-2041电压放大器、任意波形发生器、采集卡、电荷放大器、电脑。

实验过程：

准备三根钢筋混凝土柱作为试件，将每个钢筋混凝土柱中的12个正应力压电智能骨料分为6条路径，每条路径由上下对正的两个正应力压电智能骨料组成，靠近地面的为激励端，另一个为收发端，同层的压电智能骨料尽量布置在柱中且保证相互之间留有适当的间距。

图：波动监测试验系统流程图

先通过任意波形发生器调制信号，传到ATA-2041功率放大器内增益信号的幅值，通过作为激励端的正应力压电智能骨料振动发射信号，振动信号由作为接收端的正应力压电智能骨料接收转为电信号，电信号通过高频的电荷放大器转为电压信号由采集卡接收并最后传到装载LABVIEW2014软件的笔记本电脑内进行记录。本试验采集数据的程序通过商业软件LABVIEW2014版编程，数据处理程序采用商业软件MATLAB编写，最后通过ORININ9版和CAD2014版进行统一出图。

图：波动监测试验现场照片

本文选用中心频率从30kHz、50kHz、70kHz、90kHz、100kHz、110kHz、140kHz、170kHz和190kHz共9类调制的六周期正弦信号（每个周期时长记为T）。

图：30kHz-250kHz首波信号波形示意图

实验结果：

图：不同嵌入方法波动参数对比：（a）波速、（b）中心频率和（c）幅值

试验发现即使是采用预制块嵌入法安装压电智能骨料用于波动监测时，六个路径的波幅变异系数也达到了46%。当使用FieldII（可供MATLAB调用的程序）做了一个波动监测试验的模拟，设置了5条路径，在不考虑嵌入干扰的前提下，仅仅改变5条路径中粗细骨料的分布状况，5条路径的接收信号频域波幅的变异系数约为45%，而本试验采用预制块嵌入法安装压电智能骨料做波动监测，五条路径的波幅变异系数达到了46%。这说明了频域波幅的变异性主要是由混凝土骨料的随机分布引起的。即使是以波幅为指标，还是预制块嵌入法安装的正应力压电智能骨料响应的随机性最小，采用预制块嵌入法(CBC)可显著降低由于嵌入引起的波动监测的随机性，其幅值变异系数分别是十字节点绑扎法(CJB)和对侧粘贴法(DSB)的92.5%和94%。预制块嵌入法波速的变异系数分别是两种传统嵌入方法的28%和25%，中心频率变异系数分别是两者的96%和62.5%.。综合来采用预制块嵌入法安装正应力压电智能骨料用于波动监测时，正应力压电智能骨料受到的嵌入影响最小。

安泰ATA-2041电压放大器：

图：ATA-2041电压放大器指标参数

本文实验素材由西安安泰电子整理发布。Aigtek已经成为在业界拥有广泛产品线，且具有相当规模的仪器设备供应商，样机都支持免费试用。

审核编辑：汤梓红