混凝土壓電機(jī)敏模塊性能及應(yīng)用研究.pdf

1、隨著新材料技術(shù)、信息技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)特別是廣泛使用的混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測提出了越來越高的要求。智能材料結(jié)構(gòu)兼具傳統(tǒng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的雙重特性，越來越受到人們的關(guān)注，各國政府、科研機(jī)構(gòu)和專家學(xué)者都積極投入人力物力研究和開發(fā)智能材料結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。 在前期的研究工作中提出了由壓電智能材料與混凝土基體材料結(jié)合而成的壓電機(jī)敏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上本文對(duì)壓電機(jī)敏模塊中的壓電陶瓷元件的溫度特

2、性進(jìn)行了研究，并對(duì)其作為超聲換能裝置的超聲特性進(jìn)行了研究。 ①對(duì)壓電機(jī)敏模塊的基體材料——混凝土復(fù)合材料的組成成分進(jìn)行了分析，研究了混凝土的力學(xué)性能，分析了壓電元件與混凝土結(jié)構(gòu)的耦合特性。為二者構(gòu)成的壓電機(jī)敏模塊的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和解釋提供了必要的理論支持。 ②從壓電材料的電學(xué)和力學(xué)特性出發(fā)，研究了壓電機(jī)敏混凝土模塊的壓電性，分析了壓電機(jī)敏模塊的核心元件一壓電陶瓷片在埋入混凝土試件情況下的壓電方程及其等效模型，給出了利

3、用其特性參數(shù)對(duì)外界環(huán)境變化的響應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的原理。 ③研究了混凝土壓電機(jī)敏模塊的幾何尺寸及其澆注過程對(duì)模塊特性的影響。重點(diǎn)討論了壓電敏感元件的選擇。分析了埋入混凝土前對(duì)壓電元件上覆蓋橡膠層的作用。橡膠層的使用既能減小在混凝土凝固過程中由干縮引起的應(yīng)力集中，又起到了絕緣作用防止了壓電元件兩電極在含水混凝土中發(fā)生短路，同時(shí)，具有較高耐酸堿性的橡膠層還有效防止了混凝土中堿性環(huán)境對(duì)壓電陶瓷表面電極產(chǎn)生的腐蝕。 ④在前期

4、對(duì)壓電機(jī)敏模塊應(yīng)力響應(yīng)特性研究的基礎(chǔ)上，又通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)壓電機(jī)敏模塊中的壓電陶瓷溫度特性進(jìn)行了研究。研究了覆蓋不同厚度橡膠層和不同埋入深度下的兩種壓電陶瓷的溫度響應(yīng)特性，分析了埋入混凝土中壓電陶瓷特征頻率和等效電路參數(shù)隨溫度的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓電陶瓷的特征頻率和等效電路參數(shù)對(duì)外界溫度變化都比較敏感，但不同種類的壓電陶瓷敏感程度不同。另外，特征頻率對(duì)溫度的響應(yīng)還表現(xiàn)出相對(duì)其應(yīng)力響應(yīng)更大的敏感性。在前期對(duì)埋入混凝土中壓電陶瓷應(yīng)力響應(yīng)

5、特性的研究中，壓電陶瓷特征頻率在外加應(yīng)力改變時(shí)幾乎沒有變化?？紤]到在應(yīng)力和溫度條件同時(shí)改變時(shí)，等效電路參數(shù)將會(huì)受到應(yīng)力一溫度交叉?zhèn)鞲械挠绊?，監(jiān)測結(jié)果中會(huì)引入傳感誤差，而壓電陶瓷這一對(duì)溫度的單一敏感性將有助于解決應(yīng)力一溫度交叉?zhèn)鞲袔淼谋O(jiān)測不確定性問題。 ⑤對(duì)混凝土壓電機(jī)敏模塊的超聲換能特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。分析了聲波及其傳播介質(zhì)中的聲阻抗問題，討論了聲波在混凝土中的傳播特點(diǎn)，并以混凝土壓電機(jī)敏模塊為超聲換能元件進(jìn)行了旨在研究模塊在

6、混凝土中的超聲換能特性的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用壓電機(jī)敏模塊中埋入的壓電陶瓷元件作為超聲波發(fā)射器，可實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射，通過以黃油作為聲阻抗匹配層置于混凝土試件表面的壓電接收換能器可以在一定距離內(nèi)接收到超聲信號(hào)。而對(duì)于埋入混凝土中的壓電陶瓷，覆蓋在上面的橡膠層在壓電陶瓷進(jìn)行超聲激勵(lì)時(shí)又起到了聲阻抗匹配的作用，實(shí)驗(yàn)表明，橡膠層的使用減小了聲能量的反射，提高了聲波在混凝土中的傳播的距離。實(shí)驗(yàn)還以機(jī)敏模塊間的黃油匹配層作為對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中缺陷特別