水泥基壓電傳感器的制備、性能及其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究.pdf

1、水泥基壓電復(fù)合材料是近幾年發(fā)展起來的一種新型功能材料,它具有壓電性能好、機(jī)電耦合性能突出、與混凝土材料力學(xué)、聲學(xué)性能相匹配等特點(diǎn),在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中具有潛在的應(yīng)用前景。針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),本文分別以壓電陶瓷、水泥基及水泥/聚合物基(水泥、環(huán)氧樹脂及固化劑的混合物)壓電復(fù)合材料作為傳感元件制備壓電傳感器,并在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析工作:
　　 以PZT壓電陶瓷為功能組分,普通硅酸鹽水泥及水泥/聚合物作為基體

2、材料,采用切割-澆注法制備2-2型、1-3型水泥基和水泥/聚合物基壓電復(fù)合材料,并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試與分析。研究結(jié)果表明:與壓電陶瓷相比,壓電復(fù)合材料的壓電電壓常數(shù)及厚度機(jī)電耦合系數(shù)均明顯增大,且聲阻抗率及機(jī)械品質(zhì)因數(shù)也顯著的降低,從而能夠用于制備高接收靈敏度、寬頻及與混凝土材料聲阻抗相匹配的壓電傳感器。
　　 分別以壓電陶瓷及壓電復(fù)合材料為傳感元件,水泥/聚合物作為封裝材料制備水泥基壓電傳感器,并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試及分析。研究結(jié)果

3、表明:采用該封裝材料制備出的壓電傳感器具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐久性能好、動(dòng)態(tài)輸出能力強(qiáng),可靠性高等優(yōu)異性能。其中,以壓電復(fù)合材料為元件制備的壓電傳感器兼有聲阻抗低、寬頻等特性,能夠適用于水泥的水化反應(yīng)進(jìn)程監(jiān)測(cè)及土木工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；以壓電陶瓷為元件制備的壓電傳感器則更適用于基于機(jī)電阻抗技術(shù)的土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè),對(duì)耦合于結(jié)構(gòu)的壓電傳感器機(jī)電阻抗變化進(jìn)行分析,能夠獲得結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗變化信息,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)；此外,以壓電陶瓷為元件制備的壓

4、電交通傳感器兼有線性度高、輸出響應(yīng)良好、可重復(fù)性好、抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足其用于道路交通狀況監(jiān)測(cè)的要求。
　　 以埋入式壓電陶瓷及壓電復(fù)合材料傳感器作為發(fā)射-接收單元,分別基于壓電傳感器的超聲波傳播法及機(jī)電阻抗技術(shù)對(duì)水泥的水化反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。研究結(jié)果表明:壓電復(fù)合材料傳感器所接收的超聲波信號(hào)普遍具有首次波比大、首波明顯、主頻單一等特點(diǎn),尤其是以水泥/聚合物為基體材料制備的壓電復(fù)合材料傳感器的接收性能最佳；由壓電傳感器的接收

5、波波形及頻譜隨水泥水化反應(yīng)進(jìn)程的變化規(guī)律可知,水泥水化反應(yīng)開始后的8 h內(nèi),接收波的波形曲線微弱、接收波的幅值較小、主頻譜變化較大,在接近水泥的終凝時(shí)刻,波形及主頻率均發(fā)生了明顯的變化；當(dāng)水化進(jìn)行到約8 h之后,水化反應(yīng)仍較為劇烈、接收波的首波起始點(diǎn)明顯前移,首波幅值也顯著增大,但主頻譜的變化則較為穩(wěn)定；當(dāng)水化進(jìn)行到約24 h之后,接收波參數(shù)隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)壓電傳感器接收的超聲波參數(shù)(主頻率、主頻幅值、波速、首波波幅

6、等)隨水泥水化反應(yīng)進(jìn)程的變化特點(diǎn),可將水泥水化反應(yīng)開始后的24 h分為三個(gè)階段,即誘導(dǎo)期(約0 h-5 h)、加速期(約5 h-10 h)、衰減期(約10 h-24 h),其中在加速期階段,超聲波參數(shù)會(huì)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)變點(diǎn),該點(diǎn)基本為水泥的終凝時(shí)間點(diǎn)。根據(jù)埋入水泥漿體中壓電傳感器的機(jī)電阻抗隨水泥水化反應(yīng)進(jìn)程的變化特點(diǎn),能夠獲得與超聲波傳播法相一致的水泥水化反應(yīng)規(guī)律,從實(shí)驗(yàn)的角度進(jìn)一步證明了基于壓電傳感器的機(jī)電阻抗技術(shù)監(jiān)測(cè)水泥水化反應(yīng)是完全可

7、行的。
　　 分別采用外貼式及埋入式壓電傳感器,基于機(jī)電阻抗技術(shù)對(duì)小型的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度、荷載及裂縫損傷研究。研究結(jié)果表明:溫度變化對(duì)外貼及埋入式PZT壓電傳感器的機(jī)電阻抗均具有明顯的影響,能夠引起壓電傳感器的諧振頻率漂移及諧振峰值的相應(yīng)變化,基于壓電傳感器的這一特性,我們可以通過測(cè)量其機(jī)電阻抗參數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)；荷載作用對(duì)埋入式PZT壓電傳感器的機(jī)電阻抗也具有明顯的影響,無論結(jié)構(gòu)受到來自哪個(gè)方向的載荷作用,其機(jī)械阻

8、抗的變化都可以通過PZT壓電傳感器的機(jī)電阻抗譜圖反映出來,尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)由于受到強(qiáng)烈的載荷作用而發(fā)生損傷時(shí),PZT壓電傳感器的機(jī)電阻抗會(huì)發(fā)生顯著的突變；外貼式及埋入式PZT壓電傳感器的機(jī)電阻抗均能良好的反映出砂漿試塊產(chǎn)生裂縫損傷的情況,尤其是對(duì)試塊的初始裂縫損傷更加敏感；采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)PZT壓電傳感器的機(jī)電阻抗譜圖進(jìn)行處理,建立了一種損傷量化指數(shù),通過該指數(shù)能夠更加直觀、有效的獲得耦合于結(jié)構(gòu)的PZT壓電傳感器機(jī)電阻抗隨各種因素的變化

9、規(guī)律,從而間接獲得結(jié)構(gòu)的損傷及發(fā)展?fàn)顩r。
　　 將制備的壓電交通傳感器埋于實(shí)際路面,建立一套包括水泥基壓電智能傳感器、小型電荷放大器、多通道數(shù)據(jù)采集儀和監(jiān)測(cè)軟件的壓電傳感器系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對(duì)行人流量、車輛速度及載重進(jìn)行測(cè)試,研究結(jié)果表明:通過統(tǒng)計(jì)壓電傳感器的輸出脈沖響應(yīng)個(gè)數(shù)能夠獲知通過該傳感路段的行人數(shù)量及人員密集程度,從而為相關(guān)部門提供有效的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；采集車輛通過傳感路段時(shí)壓電傳感器所產(chǎn)生的脈沖響應(yīng)時(shí)間間隔,通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算

10、能夠精確的獲得車輛通過該傳感路段時(shí)的即時(shí)速度,從而實(shí)現(xiàn)超速判斷,為交通部門提供可靠的數(shù)據(jù)；依據(jù)車輛通過傳感路段時(shí)梁式壓電傳感器的輸出脈沖電壓峰值及或輸出脈沖峰包圍的面積,通過線性擬合計(jì)算能夠準(zhǔn)確的獲得車輛通過該傳感路段時(shí)的動(dòng)態(tài)載重信息,當(dāng)路面平整且車輛以勻速通過梁式壓電傳感器時(shí),理論計(jì)算的車輛載重誤差均小于5％,能夠有效的對(duì)行駛中的車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重,從而實(shí)現(xiàn)超載預(yù)警；此外,由于水泥基壓電復(fù)合材料傳感器與混凝土結(jié)構(gòu)之間具有良好的相容特性,