功率放大器在压电陶瓷的混凝土损伤识别中的应用

实验名称：基于压电陶瓷的混凝土损伤识别与监测

实验原理：本实验利用基于压电陶瓷的波传播分析法监测混凝土内部损伤的原理是，将压电智能骨料埋放在混凝土内部的预定位置,通过信号发生器产生特定电压的激励信号，由于压电材料的逆压电效应，智能骨料接收到激励信号后发生轴向变形带动其周围混凝土变形，从而产生应力波。应力波将会在混凝土待测构件内部传播，当应力波到达其他智能骨料处时，智能骨料同样发生轴向变形，在正压电效应作用下，产生电信号被数据采集装置接收。当混凝土内部出现损伤时，由于传播介质的变化会导致应力波的波形、传播路径以及能量发生变化，具体体现在传感器所接受到的信号的幅值、能量、波形等参数也会发生变化。通过分析混凝士在健康状况下和损伤状况下接收信号之间的差异来确定混凝土内部是否存在损伤并预估损伤范围。

图a：实验仪器

在本章实验中，为了模拟实际工程之中常见的混凝土内部缺陷，设计了尺寸为550x150x150mm3混凝土试块。通过在混凝土试块中埋放不同尺寸大小的塑料球，使得混凝土内部出现介质不均匀的区域，以此来模拟混凝土内部损伤。每个试件中埋放了一对智能骨料，一个作为驱动器另一个作为传感器。用铁丝将智能骨料固定在模具内，防止在振动时智能骨料发生松动或者移位，将混凝上通过机械拌制振捣然后浇筑。最后在养护室内洒水养护28D。智能骨料之间距离为400mm，智能骨料中心距试块底面的距离为75mm。

图b：骨料布置方式

测试设备：信号发生器、ATA-P2010功率放大器、智能骨料、数据采集卡、笔记本电脑。

实验过程：预先将压电陶瓷驱动器和传感器安放在混凝土试件内的预定位置，利用信号发生器产生一个特定的电压信号，其频率为100Hz-20KHz，幅值为3V。由于应力波在混凝土中的衰减极为迅速，为了保证接收端传感器能够完整地接收传播信号，通过信号放大器将信号功率放大，经过信号放大器对信号放大后，信号到达作为激励端的智能骨料驱动器，在逆压电效应作用下，使得驱动器带动其周围介质变形产生应力波，然后应力波在试件中传播，最终应力波到达作为接收端的智能骨料传感器，引起传感器变形，在正压电效应作用下产生电信号，再由信号采集装置对这些电信号进行接收存储。在应力波的传播过程中,如果试件内部存在损伤,即该处传播介质发生变化,应力波在此处会发生反射、衍射及折射等现象，导致其传播路径及能量等发生变化，通过比较不同损伤状态下收集到的信号之间的差异实现对混凝土健康状况的评估。

图c：信号时域图（图c分别代表(a)健康状况、(b)损伤范围为30、(c)损伤范围为60、(d)损伤范围为90时传感器接收信号的时域图）

图d：不同损伤情况下信号的最大幅值

实验结果：由上图c图d可知，以健康状况下时域信号为参考，不同工况下的时域信号随着内部缺陷范围的变化而变化。通过对比不同工况下试块的时域信号，可以发现健康状况下试件接收时域信号幅值最大，当试块的内部存在缺陷时，根据上文应力波在混凝土中的传播特性可知，应力波传播过程中到达缺陷位置时，由于传播介质的变化会发生折射等现象，内部缺陷会加剧信号的衰减。表现在接收信号上可以发现存在内部缺陷的试块接收到的时域信号幅值存在明显的降低。根据时域信号最大的幅值降低规律可知，随着内部缺陷范围的增加，信号衰减程度进一步加剧。将各种工况下时域信号最大的幅值进行排列:健康状况>内部缺陷范围30>内部缺陷范围60>内部缺陷范围90，实验结果证明了利用时域信号幅值的变化可以实现对混凝土内部损伤的识别。

图：ATA-P系列功率放大器指标参数

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审核编辑 黄宇