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

1、水泥基壓電復合材料是近幾年發(fā)展起來的一種新型功能材料,它具有壓電性能好、機電耦合性能突出、與混凝土材料力學、聲學性能相匹配等特點,在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有潛在的應用前景。針對土木工程結(jié)構(gòu)的特點,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)壓電復合材料作為傳感元件制備壓電傳感器,并在以下幾個方面進行了實驗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/聚合物基壓電復合材料,并對其性能進行測試與分析。研究結(jié)果表明:與壓電陶瓷相比,壓電復合材料的壓電電壓常數(shù)及厚度機電耦合系數(shù)均明顯增大,且聲阻抗率及機械品質(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,并對其性能進行測試及分析。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械強度高、耐久性能好、動態(tài)輸出能力強,可靠性高等優(yōu)異性能。其中,以壓電復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進程監(jiān)測及土木工程結(jié)構(gòu)的動態(tài)監(jiān)測；以壓電陶瓷為元件制備的壓電傳感器則更適用于基于機電阻抗技術(shù)的土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測,對耦合于結(jié)構(gòu)的壓電傳感器機電阻抗變化進行分析,能夠獲得結(jié)構(gòu)的機械阻抗變化信息,從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的無損檢測；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、輸出響應良好、可重復性好、抗壓強度高等優(yōu)點,能夠滿足其用于道路交通狀況監(jiān)測的要求。
　　 以埋入式壓電陶瓷及壓電復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電阻抗技術(shù)對水泥的水化反應進程進行監(jiān)測。研究結(jié)果表明:壓電復合材料傳感器所接收的超聲波信號普遍具有首次波比大、首波明顯、主頻單一等特點,尤其是以水泥/聚合物為基體材料制備的壓電復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進程的變化規(guī)律可知,水泥水化反應開始后的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刻,波形及主頻率均發(fā)生了明顯的變化；當水化進行到約8 h之后,水化反應仍較為劇烈、接收波的首波起始點明顯前移,首波幅值也顯著增大,但主頻譜的變化則較為穩(wěn)定；當水化進行到約24 h之后,接收波參數(shù)隨著水化反應的進行逐漸趨于穩(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)隨水泥水化反應進程的變化特點,可將水泥水化反應開始后的24 h分為三個階段,即誘導期(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)會出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)變點,該點基本為水泥的終凝時間點。根據(jù)埋入水泥漿體中壓電傳感器的機電阻抗隨水泥水化反應進程的變化特點,能夠獲得與超聲波傳播法相一致的水泥水化反應規(guī)律,從實驗的角度進一步證明了基于壓電傳感器的機電阻抗技術(shù)監(jiān)測水泥水化反應是完全可

7、行的。
　　 分別采用外貼式及埋入式壓電傳感器,基于機電阻抗技術(shù)對小型的混凝土結(jié)構(gòu)進行溫度、荷載及裂縫損傷研究。研究結(jié)果表明:溫度變化對外貼及埋入式PZT壓電傳感器的機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變化,基于壓電傳感器的這一特性,我們可以通過測量其機電阻抗參數(shù)的變化來實現(xiàn)對溫度的監(jiān)測；荷載作用對埋入式PZT壓電傳感器的機電阻抗也具有明顯的影響,無論結(jié)構(gòu)受到來自哪個方向的載荷作用,其機械阻

8、抗的變化都可以通過PZT壓電傳感器的機電阻抗譜圖反映出來,尤其是當結(jié)構(gòu)由于受到強烈的載荷作用而發(fā)生損傷時,PZT壓電傳感器的機電阻抗會發(fā)生顯著的突變；外貼式及埋入式PZT壓電傳感器的機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,尤其是對試塊的初始裂縫損傷更加敏感；采用數(shù)學統(tǒng)計的方法對PZT壓電傳感器的機電阻抗譜圖進行處理,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)展狀況。
　　 將制備的壓電交通傳感器埋于實際路面,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)測軟件的壓電傳感器系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對行人流量、車輛速度及載重進行測試,研究結(jié)果表明:通過統(tǒng)計壓電傳感器的輸出脈沖響應個數(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)計數(shù)據(jù)；采集車輛通過傳感路段時壓電傳感器所產(chǎn)生的脈沖響應時間間隔,通過簡單的數(shù)學計算

10、能夠精確的獲得車輛通過該傳感路段時的即時速度,從而實現(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,通過線性擬合計算能夠準確的獲得車輛通過該傳感路段時的動態(tài)載重信息,當路面平整且車輛以勻速通過梁式壓電傳感器時,理論計算的車輛載重誤差均小于5％,能夠有效的對行駛中的車輛進行動態(tài)稱重,從而實現(xiàn)超載預警；此外,由于水泥基壓電復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,