基于压电陶瓷的结构健康监测与损伤诊断

压电陶瓷(Lead Zirconate Titanate,PZT)以其特有的传感和作动功能而成为近年来在土木工程界广泛研究和应用的智能材料之一。其因具有响应快,频响范围宽,易剪裁,价格低廉等特点而在工程结构健康监测方面存在着巨大的应用潜力。因而,基于压电陶瓷的结构健康监测已经成为土木工程结构健康监测中的一个重要研究方向。在该领域,国内外学者进行了大量的理论和试验研究工作,并取得了一定的研究成果,但是对于封装后的压电陶瓷传感器的性能、采用压电陶瓷传感器对混凝土结构进行主动及被动监测等方面的研究才刚刚起步,有待进一步深入研究。在这一背景下,本论文在以下几个方面进行了理论分析和试验研究工作: (1)针对混凝土中的高水高碱恶劣环境,以及压电陶瓷的电学特性,研制开发了一种小型压电陶瓷传感器,并在万能试验机上对其被动响应性能进行测试。测试结果表明,该传感器灵敏度高,且输入输出具有较好的线性关系。该种传感器的灵敏度随着用于封装的压电陶瓷面积的增大而增大;而且压电陶瓷的形状尺寸对传感器的灵敏度亦有影响。 (2)将压电陶瓷传感器埋入混凝土构件中,对构件在不同方向的冲击自振变形进行被动监测,同时在相应的压电陶瓷传感器埋放点安放加速度传感器,以对压电陶瓷传感器的监测信号提供参考。试验结果表明,两种传感器输出信号的频谱成分较为一致。分别采用两种传感器信号计算结构的阻尼比和弹性模量,其结果符合较好。 (3)针对小波分析中统一阈值降噪法的不足,对传统的阈值函数进行改进,并基于二进小波变换,选用最优预测变量阈值对信号分解的小波系数进行降噪处理。采用该方法对6种噪声信号进行仿真滤波,结果表明,改进的方法能够有效的提高原始信号的信噪比。将该方法应用于压电陶瓷监测到的模型结构在模拟地震动作用下变形信号的滤波中,效果较好。 (4)建立了基于dSPACE的压电陶瓷主动监测系统。应用埋入式压电陶瓷传感器对在三点弯曲加载作用下的混凝土梁中裂缝的形成过程进行监测。采用连续小波变换提取由压电陶瓷激发出的应力波信号的中心频率信号,并以其能量作为损伤指标。试验结果表明,所研制封装的压电陶瓷传感器能够正确响应混凝土内检测应力波的传播;损伤指标能够反映不同工况下混凝土内由压电陶瓷激发的应力波的变化情况;此外,压电陶瓷传感器在构件中的埋置深度不同,损伤指标亦有差别。 (5)将压电陶瓷传感器放置于钢筋混凝土框架剪力墙结构的薄弱部位,对其在不同模拟地震动作用下的变形进行实时监测。试验结果表明,在弹性测试阶段,压电陶瓷传感器的监测信号能够较好地反映结构在各种工况下的形变以及相应的频率响应信息。在弹塑性阶段,每级地震动作用下压电陶瓷传感器输出信号的峰峰值变化趋势以及信号的频谱变化趋势均能够较好地反映结构的整体损伤状况。