要利用壓電智能骨料對(duì)混凝土材料進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，首先要研究基于埋入式壓電智能骨料下聲波在混凝土中的傳播規(guī)律。由于混凝土材料的組分較為復(fù)雜，包括水泥、細(xì)骨料和粗骨料，因此應(yīng)力波在其中的傳播具有衰減大、傳播方向性差、傳播路徑復(fù)雜的特點(diǎn)，在混凝土材料中應(yīng)用聲波進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)要比金屬等均質(zhì)材料復(fù)雜得多，所以需要對(duì)應(yīng)力波在混凝土中的傳播規(guī)律作研究。目前對(duì)于超聲衰減的研究大多基于外貼式傳感器，但是不可控的耦合界面質(zhì)量會(huì)在超聲衰減測(cè)量中引起很大的誤差，且超聲聲場(chǎng)特性與傳感器的形狀也有關(guān)系，因此，需要對(duì)基于埋入式壓電智能骨料的應(yīng)用下聲波在混凝土材料中的衰減規(guī)律做研究。

測(cè)試設(shè)備：ATA-2041高壓放大器、波形發(fā)生器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、筆記本電腦。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

先制作一根混凝土梁試件，其尺寸為2000mm×250mm×250mm，同時(shí)為了承受移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的荷載及自身重力，設(shè)置了縱向鋼筋。壓電智能骨料（SA）陣列布置在梁截面的中心位置，與四周的距離均為125mm，并按順序從1到7進(jìn)行編號(hào)。SA1與SA2是一對(duì)緊貼的傳感裝置，兩個(gè)傳感器通過(guò)膠粘結(jié)在一起，主要作為衰減信號(hào)的分析基準(zhǔn)。SA2~SA7方面的換能器的縱向間距是400mm、400mm、400mm、200mm和200mm。試件的具體尺寸及傳感器的位置參考圖如下圖。

圖：試件規(guī)格

實(shí)驗(yàn)所使用的超聲脈沖中心頻率f取為30kHz，50kHz，70kHz，90kHz，100kHz，110kHz，130kHz，170kHz，190kHz九個(gè)值。由于混凝土梁中埋有6個(gè)接收傳感器，而試驗(yàn)使用的為窄帶脈沖，因此，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中需要調(diào)整9次不同的激勵(lì)頻率，每次激勵(lì)可以獲得不同距離處傳感器的6組數(shù)據(jù)。就不同的頻率點(diǎn)而言，激勵(lì)SA1，每次處理獲取8列數(shù)據(jù)信息。對(duì)于每一次采集的數(shù)據(jù)，共包括8列2×106行。第一列為時(shí)間序列，其他7列均為采集信號(hào)數(shù)據(jù)，其中包括第一列的原始激勵(lì)信號(hào)直接采集的數(shù)據(jù)，及其他6個(gè)通道經(jīng)過(guò)混凝土內(nèi)部的收發(fā)接收的數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)量可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡、Labview程序及Matlab進(jìn)行快速采集和處理。

以100kHz激勵(lì)頻率為例詳細(xì)描述試驗(yàn)的過(guò)程。首先按照下圖所示的線路連接好各個(gè)SA及其他儀器，其中，功率放大器與SA1進(jìn)行連接，而SA2-SA7則連接到電荷放大器的不同通道，同時(shí)，電荷放大器不同輸出通道又分別連接數(shù)據(jù)采集卡的不同輸入通道中，各個(gè)通道數(shù)據(jù)分別獨(dú)立。

圖：試驗(yàn)系統(tǒng)圖

調(diào)節(jié)任意波形發(fā)生器按鈕，讀取高斯脈沖，由于該任意波形發(fā)生器沒(méi)有內(nèi)置的高斯脈沖信號(hào)，所以需要通過(guò)Matlab函數(shù)進(jìn)行編寫(xiě)，并以tfw文件的格式輸入到任意波形發(fā)生器中。讀取寫(xiě)入的高斯脈沖信號(hào)，調(diào)整波形頻率為100kHz，并以單脈沖的形式輸出。調(diào)整輸出電壓至最大值±5v。

隨后調(diào)節(jié)功率放大器，由于功率放大器輸出電壓和功率較大，若直接連接數(shù)據(jù)采集卡則容易造成損壞，因此必須保證功率放大器的輸出端只與壓電智能骨料連接。首先調(diào)節(jié)電阻匹配，再對(duì)電壓增益倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，本研究將增益倍數(shù)調(diào)至40倍，即輸出電壓為±200v。

檢查電荷放大器的端口連接，SA作為電荷放大器的輸入端，輸出端則通過(guò)BNC線一一連接到數(shù)據(jù)采集卡上。電路觸發(fā)能更精確地控制信號(hào)發(fā)射的時(shí)機(jī)，有利于節(jié)省計(jì)算空間，因此需要在數(shù)據(jù)采集卡PFI0端子處引出一線與任意波形發(fā)生器連接，以便于通過(guò)Labview程序進(jìn)行觸發(fā)控制。數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)USB線與電腦連接，通過(guò)自編寫(xiě)的Labview程序可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)控制。

以上連接配置好后即可開(kāi)始進(jìn)行信號(hào)采集。通過(guò)Labview程序控制信號(hào)的觸發(fā)，任意波形發(fā)生器隨即發(fā)射100kHz的高斯脈沖。將采樣率設(shè)置到最大2M/s，采樣數(shù)設(shè)置為1200，則每個(gè)通道可以獲得600μs時(shí)間長(zhǎng)度的信號(hào)。Labview程序自動(dòng)保存時(shí)間，單次采集即可獲得如下圖所示的6通道數(shù)據(jù)。

圖：100kHz激勵(lì)信號(hào)下各個(gè)距離位置處傳感器的接收信號(hào)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

制作了1個(gè)混凝土梁試件，在試件中埋入了7個(gè)壓電傳感器。因?yàn)橐芯坎煌嚯x位置處的衰減系數(shù)及衰減率情況，傳感器的布置需要滿足位置精確及方向性。采用的激勵(lì)方案為：通過(guò)SA1進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)，SA2-SA7進(jìn)行接收，激勵(lì)頻率在30kHz-190kHz之間選取了9個(gè)頻率，使用的波形為高斯窄帶脈沖。通過(guò)6個(gè)位置與9個(gè)頻率可得到54個(gè)頻率-位置組合的數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)，可以得到如下結(jié)論：

（1）在30kHz至190kHz頻率區(qū)間中，整體衰減率和激勵(lì)頻率滿足二次多項(xiàng)式的關(guān)系。同時(shí)在100kHz頻率位置處存在局部衰減最小值。衰減與頻率關(guān)系的研究，對(duì)于監(jiān)測(cè)頻率的選取具有指導(dǎo)意義。信號(hào)的分辨率在100kHz附近達(dá)到最佳，這為后續(xù)激勵(lì)頻率的選取提供了參考依據(jù)。

（2）衰減系數(shù)隨著距離的增大而增大，衰減率隨著距離的增大而減小。在某一距離位置處，總衰減率隨著頻率的改變而改變，總衰減率只與擴(kuò)散衰減有關(guān)，而與材料衰減無(wú)關(guān)。

（3）在30kHz至190kHz的頻率范圍內(nèi)，波形的相關(guān)性系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在100kHz附近存在著局部相關(guān)系數(shù)的最大值，用100kHz的信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)波形相關(guān)性最好。

ATA-2041 高壓放大器簡(jiǎn)介：

ATA-2041是一款理想的可放大交直流信號(hào)的單通道高壓放大器。最大輸出400Vp-p (±200V)高壓，可以驅(qū)動(dòng)高壓型負(fù)載。電壓增益數(shù)控可調(diào)，一鍵保存常用設(shè)置，提供了方便簡(jiǎn)潔的操作選擇，可與主流的信號(hào)發(fā)生器配套使用，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的完美放大。

審核編輯：湯梓紅