CN108152158A - 基于表面粘贴式pzt的混凝土弹性模量测量方法 - Google Patents

基于表面粘贴式pzt的混凝土弹性模量测量方法 Download PDF

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余海帆
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Abstract

本发明公开一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法，目的在于寻找更为有效的混凝土弹性模量的测量的实现方案，其包括将预设的激励信号向粘贴在待测混凝土的表面的PZT激励器发送；使用PZT传感器阵列接收PZT激励器产生的测速信号，根据接收的测速信号得到瑞利波波速，其中测速信号为PZT激励器受到预设的激励信号激励产生的应力波；通过瑞利波波速得到混凝土弹性模量E。本发明通过粘贴在混凝土表面的PZT激励器和PZT传感器阵列进行瑞利波波速的测量，具有物理模型清晰、操作流程简易、经济高效的优势。

Description

基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法
技术领域
本发明涉及混凝土结构健康监测领域，具体而言，本发明涉及一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法。
背景技术
混凝土在建筑、桥梁、大坝等土木工程中是一种应用非常广泛的结构材料。然而不合理的养护条件、恶劣的服役环境通常会导致混凝土结构的损伤和材料的退化，从而降低结构的安全性，引发各种安全事故。因此，建立一套实时、可靠的混凝土结构健康监测系统是非常重要且具有实际工程意义的。弹性模量是混凝土结构服役性能的一种重要力学评估参数，国内外的相关研究者提出了一系列的动态评估系统、测量方法。
波动法通过在混凝土中传播的应力波的波速与弹性模量的关系来计算混凝土的弹性模量，而应力波的激发工具主要有力锤和锆钛酸铅压电陶瓷(Piezoelectric CeramicTransducer，简称PZT)压电传感器。锤击法比较容易受环境噪声的干扰，且对操作者的技术和熟练程度要求较高。而PZT因为信号线性关系好、功耗低、可实时监测等优势，在混凝土结构健康监测中有更好的应用前景。
PZT传感器的放置方式分为内置和表面粘贴两种。内置PZT激发的弹性波为纵波和剪切波，但是内置式PZT失效后难以更换，制作安装过程相对表面粘贴式PZT更麻烦，且纵波和剪切波的幅值相对表面波的幅值较小，识别难度高，因此近期研究者开始研究基于表面粘贴式PZT的波动法。截至目前为止，基于表面粘贴式PZT的波动法的研究还很少。因此，提出一种系统的，具有物理意义的，基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量的测量方法是很有必要的。
发明内容
为了寻找更为有效的混凝土弹性模量的测量的实现方案，本发明提供了一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法，该基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法包括如下步骤：
步骤S1：将预设的激励信号向粘贴在待测混凝土的表面的PZT激励器发送；
步骤S2：使用PZT传感器阵列接收所述PZT激励器产生的测速信号，根据所述接收的测速信号得到瑞利波波速CR，其中所述测速信号为所述PZT激励器受到所述预设的激励信号激励产生的应力波；
步骤S3：通过所述瑞利波波速CR得到混凝土弹性模量E，所述混凝土弹性模量E计算公式为：
其中ρ为所述待测混凝土密度，ν为泊松比。
优选地，所述PZT传感器阵列包括第一个至第M个PZT传感器，所述第一个至第M个PZT传感器沿所述待测混凝土表面的中心点轴向粘贴固定，所述M为大于1的自然数。
优选地，所述PZT激励器与所述第一个PZT传感器之间的距离至少是所述PZT传感器阵列中各个PZT传感器之间的距离的二倍大。
优选地，所述步骤S1之前包括：
将所述PZT激励器和所述PZT传感器阵列通过耦合剂粘贴于所述待测混凝土的表面，所述耦合剂为环氧树脂与固化剂按照2:1配比的混合物。
优选地，所述步骤S1之前包括如下步骤：
获取PZT激励器的动态响应参数；
根据动态响应参数调整预设的激励信号。
优选地，所述预设的激励信号为汉宁窗函数加窗后的正弦脉冲信号，所述汉宁窗函数加窗的正弦信号的公式为：
其中，f为所述激励信号的激励中心频率，t为时间，N为波峰数。
优选地，所述激励中心频率f为40kHz～100kHz；所述波峰数N为5～7。
优选地，所述根据所述接收的测速信号得到瑞利波波速包括如下步骤：
设定滤波器的带通滤波频率，基于所述带通滤波频率滤除测速信号中的环境噪声；
使用示波器采集所述滤除环境噪声的测速信号，并通过所述滤除环境噪声的测速信号得到所述测速信号到达各个PZT传感器的时刻；
线性拟合所述测速信号到达各个PZT传感器的时刻，得到瑞利波波速CR。
优选地，所述设定滤波器的带通滤波频率包括如下步骤：
对所述预设的激励信号做傅里叶变换得到频域信号；
将所述频域信号的主瓣两侧第一个旁瓣对应的频率设定为带通滤波频率。
优选地，所述获取所述测速信号到达各个PZT传感器的时刻包括：
对测速信号作希尔伯特-黄变换，得到波包的包络线；
识别第一个波包的包络线的最大幅值点，得到所述测速信号到达各个PZT传感器的时刻。
与现有技术相比，本发明一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法具有如下有益效果：
本发明实施例一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量通过粘贴在混凝土表面的PZT激励器和PZT传感器阵列进行瑞利波波速CR的测量，具有物理模型清晰、操作流程简易、经济高效的优势，并具有较好的应用前景。
本发明实施例一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量基于表面粘贴PZT的波动法可直接通过物理关系将测得的瑞利波波速CR代入公式计算弹性模量，不需要将弹性波波速与弹性模量通过拟合、模糊逻辑等统计的方法建立定量关系，也不需要另做静态试验，在一定程度上方便了工程应用。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法的应用场景示意图；
图2为本发明实施例一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法的PZT传感器粘贴位置示意图；
图3为本发明实施例一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法的方法流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
请参阅图1-图2，本发明实施例一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法应用于如图1所示的监测系统中，该监测系统包括信号发生器1、信号放大器2、与滤波器3、示波器4、待测混凝土5、PZT激励器6以及PZT传感器阵列7，其中，PZT激励器6、PZT传感器阵列7均粘贴在被测混凝土5上；信号发生器1、信号放大器2与PZT激励器6顺次连接；PZT传感器阵列7、滤波器3、示波器4顺次连接。
请参阅图3，为了便于理解，下面以本发明实施例一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法应用于上述监测系统为例，解释说明本发明实施例，该基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法如下步骤：
步骤S1：将预设的激励信号向粘贴在待测混凝土的表面的PZT激励器发送，其中预设的激励信号为汉宁窗函数加窗后的正弦脉冲信号。
优选地，汉宁窗函数加窗的正弦信号的公式为：
其中，f为预设的激励信号的激励中心频率，t为时间，N为波峰数。
在一些实施方式中，预设的激励信号的激励中心频率f为40kHz～100kHz；波峰数N为5～7。
考虑到PZT激励器本身动态响应特性存在一定的差异，因此在步骤S1之前包括如下步骤：
获取PZT激励器的动态响应参数；
根据动态响应参数调整预设的激励信号。
其中，调整预设的激励信号可通过信号发生器或信号放大器进行。
示例地，信号发生器1先将产生的驱动信号传输至信号放大器2放大。得到预设的激励信号，然后将预设的激励信号向粘贴在待测混凝土5表面的PZT激励器6发送。优选地，信号发生器1的型号为Tektronix AFG-3152C。信号放大器2的型号为Agitek ATA-2032。
步骤S2：使用PZT传感器阵列接收所述PZT激励器产生的测速信号，根据所述接收的测速信号得到瑞利波波速CR，其中所述测速信号为所述PZT激励器受到所述激励信号激励产生的应力波。
为了提高瑞利波波速CR的准确性进而提高测量精度，PZT传感器阵列包括第一个至第M个PZT传感器，该第一个至第M个PZT传感器粘贴于待测混凝土的表面的中心点轴向，其中，M为大于1的自然数。
优选地，PZT激励器与第一个PZT传感器之间的距离至少是PZT传感器阵列中各个PZT传感器之间的距离的二倍大。
具体地，根据接收的测速信号得到瑞利波波速包括如下步骤：
设定滤波器的带通滤波频率，根据带通滤波频率滤除测速信号中的环境噪声；
使用示波器采集滤除环境噪声的测速信号，并通过滤除环境噪声的测速信号得到测速信号到达各个PZT传感器的时刻。
线性拟合测速信号到达各个PZT传感器的时刻，得到瑞利波波速CR。
优选地，通过滤除环境噪声的测速信号得到测速信号到达各个PZT传感器的时刻为使用MATLAB软件。
在一些实施方式中，设定滤波器的带通滤波频率包括如下步骤：
对预设的激励信号做傅里叶变换得到频域信号；
将频域信号的主瓣两侧第一个旁瓣对应的频率设定为带通滤波频率。
示例地，本发明实施例所用不同激励信号对应的带通滤波频率如表1所示：
表1带通滤波频率的选择(kHz)
在一些实施方式中，获取测速信号到达各个PZT传感器的时刻可通过编写MATLAB程序识别到测速信号的第一个波包包络线的幅值最大点，包括步骤如下：
对测速信号作希尔伯特-黄变换，得到波包的包络线；
识别第一个波包的包络线的最大幅值点，得到测速信号到达各个PZT传感器的时刻。
在一些实施方式中，在步骤S1前还包括如下步骤：
将PZT激励器和PZT传感器阵列通过耦合剂粘贴于待测混凝土的表面，其中耦合剂为环氧树脂与固化剂按照2:1配比的混合物。
示例地，滤波器4滤除PZT传感器阵列7接收的测速信号中的环境噪声，然后将其输入到示波器3进行处理。优选地，滤波器4的型号为Krohn-Hite Model 3384。示波器3的型号为Tektronix MDO-3054。
步骤S3：通过所述瑞利波波速CR得到混凝土弹性模量E，所述混凝土弹性模量E计算公式为：
其中，ρ为待测混凝土密度，ν为泊松比。
为了对比和验证本发明实施例的有效性，本发明实施例中做了静态试验，得到混凝土弹性模量为30.4GPa。按照本发明实施例，在不同的工况下，基于表面粘贴式PZT的波动法测量的混凝土弹性模量(WMoE)分别如下表一、表二以及表三所示：
表一 不同激励中心频率下的WMoE
(波形为5峰波，PZT传感器尺寸为10×10×1毫米)
表二 不同激励波形下的WMoE
(激励中心频率为40kHz，PZT传感器尺寸为10×10×1毫米)
表三 不同尺寸PZT传感器下的WMoE
(激励中心频率为40kHz，波形为5峰波)
由表一、表二以及表三数据可以看出，激励中心频率选择为40-100kHz，激励波形选择为5-7峰波，PZT传感器宽厚比选择为10-20(厚度1毫米)，基于表面粘贴式PZT的波动法的混凝土弹性模量测量精度较高，均在10％以内。
与现有技术相比，本发明实施例一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量具有如下有益效果：
本发明实施例一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量通过粘贴在混凝土表面的PZT激励器和PZT传感器阵列进行瑞利波波速CR的测量，具有物理模型清晰、操作流程简易、经济高效的优势，并具有较好的应用前景。
本发明实施例一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量基于表面粘贴PZT的波动法可直接通过物理关系将测得的瑞利波波速CR代入公式计算弹性模量，不需要将弹性波波速与弹性模量通过拟合、模糊逻辑等统计的方法建立定量关系，也不需要另做静态试验，在一定程度上方便了工程应用。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法，其特征在于，该基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法包括如下步骤：
步骤S1：将预设的激励信号向粘贴在待测混凝土的表面的PZT激励器发送；
步骤S2：使用PZT传感器阵列接收所述PZT激励器产生的测速信号，根据所述接收的测速信号得到瑞利波波速CR，其中所述测速信号为所述PZT激励器受到所述预设的激励信号激励产生的应力波；
步骤S3：通过所述瑞利波波速CR得到混凝土弹性模量E，所述混凝土弹性模量E计算公式为：
其中ρ为所述待测混凝土密度，ν为泊松比。
2.如权利要求1所述的基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法，其特征在于，所述PZT传感器阵列包括第一个至第M个PZT传感器，所述第一个至第M个PZT传感器沿所述待测混凝土表面的中心点轴向粘贴固定，所述M为大于1的自然数。
3.如权利要求2所述的基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法，其特征在于，所述PZT激励器与所述第一个PZT传感器之间的距离至少是所述PZT传感器阵列中各个PZT传感器之间的距离的二倍大。
4.如权利要求1所述的基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法，其特征在于，所述步骤S1之前包括：
将所述PZT激励器和所述PZT传感器阵列通过耦合剂粘贴于所述待测混凝土的表面，所述耦合剂为环氧树脂与固化剂按照2:1配比的混合物。
5.如权利要求1所述的基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法，其特征在于，所述步骤S1之前包括如下步骤：
获取PZT激励器的动态响应参数；
根据动态响应参数调整预设的激励信号。
6.如权利要求1所述的基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法，其特征在于，所述预设的激励信号为汉宁窗函数加窗后的正弦脉冲信号，所述汉宁窗函数加窗的正弦信号的公式为：
其中，f为所述激励信号的激励中心频率，t为时间，N为波峰数。
7.如权利要求6所述的基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法，其特征在于，所述激励中心频率f为40kHz～100kHz；所述波峰数N为5～7。
8.如权利要求1所述的基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法，其特征在于，所述根据所述接收的测速信号得到瑞利波波速包括如下步骤：
设定滤波器的带通滤波频率，基于所述带通滤波频率滤除测速信号中的环境噪声；
使用示波器采集所述滤除环境噪声的测速信号，并通过所述滤除环境噪声的测速信号得到所述测速信号到达各个PZT传感器的时刻；
线性拟合所述测速信号到达各个PZT传感器的时刻，得到瑞利波波速CR。
9.如权利要求8所述的基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法，其特征在于，所述设定滤波器的带通滤波频率包括如下步骤：
对所述预设的激励信号做傅里叶变换得到频域信号；
将所述频域信号的主瓣两侧第一个旁瓣对应的频率设定为带通滤波频率。
10.如权利要求8所述的基于表面粘贴式PZT的混凝土弹性模量测量方法，其特征在于，所述获取所述测速信号到达各个PZT传感器的时刻包括：
对测速信号作希尔伯特-黄变换，得到波包的包络线；
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