裂缝对埋入混凝土中压电陶瓷电-声特性的影响.pdf

第2 6卷 第 1期 2 0 1 3年 1月 传 感 技 术 学 报 CHI N E S E J OU RN AL OF S E N S O RS AND A C T UA T OR S Vo 1 26 No 1 J a n 2 0 1 3 Re s e a r c h o n t h e I n flu e n c e o f Cr a c k t o t h e El e c t r i c i t y - Ac o u s t i c Ch a r a c t e r i s t i c s o f t h e Pi e z o e l e c t r i c Ce r a m i c Emb e d d e d i n Co n c r e t e XU Z h i L o n g， C H E N ， L I P e n g c h e n g， T A N B i n ， W A NG Q i n ( S c h o o l o fE l e c t r o n i c s A n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ， S i c h u a n U n i v e r s i ty C h e n g d u 6 1 0 0 6 5) Abs t r a c t ： Pi e z o e l e c t r i c s ma r t c o nc r e t e mo d ul e i s a n i n t e l l i g e n t u n i t us i n g t h e p r i n c i p l e o f e l e c t r o n i c t O s o u n d t r a n s f o r m I t S a k i n d o f c o n c r e t e mo d u l e wi t h t h e pi e z o e l e c t r i c c e r a mi c d i s c e mb e d d e d i n i t S uc h mo d u l e c a n ma k e u p t h e s ho rtc o mi n g o f t h e t r a d i t i o n a l n o n de s t r u c t i v e t e s t i n g wh i c h c a n t b e us e d f o r l o n g t i me d e t e c t i o nBu t t h e c r a c k i n t h e c o n c r e t e ma y we a k e n t he r e c e i v e d s i g n a l o f pi e z o e l e c t r i c e mbe d de d c o n c r e t e n o nd e s t r u c t i v e t e s t i n g a l e r t mo d u l e I n o r d e r t o e nh a nc e t he r e c e i v e d s i g n a l s c r e a t e d b y t h e e mb e d d e d pi e z o e l e c t r i c c e r a mi c d i s c a nd g e t r i c h i n g r e d i e n t s u l t r a s o n i c s p e c t r u m t o a n a l y z e t h e i n flu e n c e o f c r a c k t o t h e e l e c t r i c i t y a c o u s t i c c h a r a c t e r i s t i c s ， a h i g h v o l t a g e p o we r u l t r a s o n i c l a u n c h mo d ul e wa s d e s i g n e d Th e u l t r a s o n i c l a u n c h mo d u l e c a n g e n e r a t e a n e g a t i v e s ha r p p u l s e t o s t i mu l a t e p i e z o e l e c t r i c c e r a mi c d i s c Uhr a s o n i c s pe c t rum wi t h i n 5 0 MHz c a n b e o b t a i ne dEx p e r i me n t s s h o we d t ha t t he a mp l i t ud e o f t h e r e c e i v e d s i g n a l d e c r e a s e d wi t h t h e i n c r e a s i n g d i s t a n c e b e t we e n t he c r a c k a n d pi e - z o e l e c t r i c c e r a mi c di s c W hi l e t he d e l a y be t we e n t h e d r i v e s i g na l a n d t h e r e c e i v e d s i g n a l i n c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s i n g d i s t a nc e be t we e n t h e c r a c k a n d p i e z o e l e c t r i c c e r a mi c di s c Ke y wo r ds： u l t r a s o n i c t e s t i n g； c o n c r e t e； pi e z o e l e c t r i c； h i g h v o h a g e p u l s e； c r a c k E E ACC： 2 8 6 0 ； 7 8 1 0 C d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 4 - 1 6 9 9 2 0 1 3 0 1 0 1 5 裂缝对埋入混凝土 中压 电陶瓷 电一 声特性 的影 响 徐志龙 ， 陈 ( 四J 雨 ， 李鹏程 ， 谭 斌 ， 汪 琴 I 大学 电子信息学 院 ， 成都 6 1 0 0 6 4 ) 米 摘 要 ： 利用压电陶瓷的电一 声转换特性， 将压电陶瓷圆片作为超声源埋人混凝土结构中， 构成 了压电埋人式混凝土机敏模 块。该模块弥补了传统无损检测无法对混凝土结构进行长时间检测的不足。但由于混凝土内部会存在裂缝的影响， 压电埋 入式混凝土无损检测机敏模块的接收信号较弱。为了提高接收信号的强度， 得到成分丰富的频谱， 以分析裂缝对埋入混凝土 中压电陶瓷电一 声特性 的影 响 ， 设计 一种高压脉冲发生模块 ， 该模块 可产 生幅度为 4 0 0 V的窄脉 冲激 励压 电陶瓷 圆片 ， 获得 带 宽为5 0兆赫兹的超声波频谱。实验表明， 在高压脉冲激励下， 接收信号的幅度值会随着裂缝与压电陶瓷片之间距离的增加而 减小； 接收信号与激励信号之间的时延会随着裂缝与压电陶瓷片之间距离的增加而增加。 关键 词 ： 超声检测， 混凝土， 压电， 高压脉冲， 裂缝 中图分类号 ： 04 8 2 4 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 1 6 9 9 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 6 7 0 6 由于现代建筑结构中广泛使用的混凝土具有复 杂的组成结构 ， 所以在其凝 同过程 中可能 出现各种 缺陷， 威胁人民的生命财产安全。因此 ， 必须对混凝 土结构的健康状况进行检测_ 】 J ， 常用 的检 测方法 有无损检测和有损检测。无损检测相较于有损检测 能保证混凝土结构 的完整性 ， 实际工程 中往往采用 无损检测方法 ， 如将应变片或者光纤传感器埋人混 凝土结构中 。但是这类方法会 由于应变片本身 方向性差 ； 光纤传感器强度低、 易于损坏等缺点 ， 造成检测结果的不准确 ， 无法反映混凝土 内部结构 健康状况 的真实情况。压电陶瓷具有强度较高、 密 度大、 成本低廉 、 与混凝土亲和力较强等优点 ， 已被 用于超声检测领域。文献 5 提 出， 在混凝 土模块 中埋入压 电陶瓷构成 的压 电埋人式 混凝土机敏模 项目来源： 国家 自然科学青年基金项 目( 5 0 8 0 8 1 8 6 ) ； 重庆市 自然科学基金项 目( C S T C， 2 0 0 8 B B 0 1 5 5 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 7 2 2 修改 日期 ： 2 0 1 2 1 2 2 6 第 1期 徐志龙 ， 陈 雨等： 裂缝对埋入 混凝土中压 电陶瓷电一 声特性的影响 6 9 R2 _ _ R1 R4 _ _ R3 _ _ R9 VC C 1 2V C2 0 l u F GND GND 图 4 高压脉 冲发 生电路原理 图 原理图中， P u l s e S i g n a l 为信号发生器产生的周 期矩形驱动信号 ， 周期为 1 0 0 t x m， 占空比为 1 0 ， 高 电平为 3 3 V， 低 电平 为 0 V。U 1为 MO S F E T驱动 器 ， 它将矩形 信号高 电平抬 升至 1 2 V以驱动 Q ， 。 Q ， 为功率场效应管 ， 在 电路 中用作 电子开关 ， 它具 有导通 电阻低 、 负载 电流大 的优点。图 中 R 、 、 尺 、 尺 用作限流电阻 ， 防止在 Q 导通时产生的电流 过大 ， 烧坏 功率场效 应管 。尺 R 与 C 共 同构成 R C微分电路。当微分电路的时间常数小于输入 的 矩形周期信号的脉冲宽度 ， 该微分 电路能够取 出矩 形周期信号的突变成分。即在矩形周期信号的上升 沿将信号波形变成正向窄脉 冲， 在矩形周期信号 的 下降沿将信号波形变成负 向窄脉冲。Q 为整流二 极管 ， 利用其单向导通特性 ， 只允许 负窄脉 冲通过。 驱动信号的波形 变化过程 如图 5( a ) 、 ( b ) 、 ( c ) 所 示 。当驱动信号为低电平时， Q 截止 ， 4 0 0 V的高压 电源对 C 充电； 当驱动信号为高电平时， Q 导通， 由于电容电压不能突变 ， 从而在压 电机敏模块 中的 压电陶瓷圆片上产生了一 4 0 0 V的高压窄脉冲， 激励 压电陶瓷发射超声脉 冲。 用 作阻尼电阻， 以 加快脉冲的衰减 ， 避免 回波 的影响。 0 t 1 t 2 t 3 t ( a ) 矩形周期脉冲信号 ( b ) 经过微分电路的输出信号 ( c ) 经过整流后的输出信号 图 5驱动信号的波形 变化 高压脉冲发生电路 中主要元件的技术参数的确 定如下 ： ( 1 ) MO S F E T驱动器 U 1的技术参数 的确定 由于功率场效应管 Q 的阈值电压 V G S ( t h ) =5 V， 只有当驱动 电压大 于 5 V时才 开始导通。而实 验中信号发生器产生的矩形周期驱动信号电压最高 仅 3 3 V。因此 ， 需要一个升压元件将矩形 周期信 号 的电压抬升至 Q ，的阈值 电压以上 。模块 中选用 的 MO S F E T驱动器 u l为 A D P 3 6 3 l 。当给 ul供给 l 2 V的外部电压时 ， 它可以将输人 的 3 3 V矩形周 期驱动信号 电压提升至 1 2 V， 驱动 Q ： 。 ( 2 ) 功率场效应管 Q ：的技术参数的确定 由于高压脉 冲发生 电路 中的功率场效应管 Q 工作在频率较高的开关状态下， 所 以需要高耐压 ， 工 作频率高 ， 开关性能好 的元件。本 电路 中选用的功 率场效应管 Q ， 为 F Q D 2 N 8 0 。它的耐压值为 8 0 0 V、 峰值 电流为 1 8 A、 开关时间仅 9 5 H S 。同时 ， 它具有 低导通 电阻 ( 尺 ( o n ) ：6 3 n) 和低栅极 电荷 ( 1 2 n C ) ， 因而产生较小的开关损耗， 从而提高开关电源 的效率 ， 改善其性能。 ( 3 ) 充电电容 C 的技术参数的确定 为了使高压脉冲发生模块产生一 4 0 0 V的高压 窄脉冲激励压电陶瓷 圆片， 那么在矩形周期信号的 每一次高电平期问 ， 必须完成对电容 C 的充电。而 电容两端瞬时电压的大小与时间常数 丁有关 ， 丁 =( R l I R 6 ) x C 5 ( 1 ) 式 中， 越小 ， R C微分电路输出的脉冲宽度就越窄 ， 反之就越宽。该数值由矩形周期信 号的频率决定。 研究表明， 在充电时间为( 4 5 ) 时 ， 可以认 为电容 充 电完毕 。所以， 本电路的工作特性应满足 5 r 0 5 la E 0 u 、 扪 一0 5 一 1 0 m l； q s 1 0 ( b ) 裂缝距离振源2 5 c m lJ 信号时延 ( c ) 裂缝距离振源5 c m时信号时延 之 粤 u 、 5 之 也 之 5 蝼 要比有裂缝的混凝土模块 的接收信号都大； 对于有 裂缝 的混 凝土模 块 ， 随着 裂缝 与振源 距离从 2 5 e m、 5 t i n 、 1 0 c m变化 ， 其对应的接收信号 的峰峰值 依次减小 ， 并且激励信号与接收信号之间的时延依 次增加。从 图( e ) ( h ) 可以看出， 高压脉冲激励产 生的超声信号 的频谱成分都分 布在 05 0 MH z之 间， 主频均在 2 4 6 MH z处。随着裂缝与振源之间 的距离的增加 ， 其对应 的归一化幅值依次减小。为 确定时延以及信号幅值 的具体变化情况 ， 测量所得 的时延值与峰峰值如表 1 所示。 ( e ) 接收信号的幅度谱 ( f ) 接收信号的幅度谱 ( g ) 接收信号的幅度谱 ( d ) 裂缝距离振源1 0 c m时信号时延 ( h ) 接收信号的幅度谱 图 8 激励信号与接收信号 的时延 图及接 收信 号的幅度谱 表 1 压 电陶瓷 圆片与裂缝之 间距离不 同的条件下 接收信号峰峰值 、 时延 、 归一化幅值 由上表可以看出， 裂缝 与压 电陶瓷圆片之问距 离的不 同， 对无损检测接收信号幅值造成 的衰减程 度有所差别。由四个实验模块接收信号 的峰峰值和 幅度谱归一化峰值的变化可知 ， 超声信号传播的能 量随着传输距 离的增加 而加速衰减 。距 离从 2 5 c m变到 5 c m， 接收信号时域峰峰值衰减 2 2 ， 归 一 化幅度峰值衰减 7 7 ； 距离从 5 c m变到 1 0 c m， 接收信号时域峰峰值衰减 4 6 6 ， 归一化幅度峰值 7 2 传感技术学报 W C g W c h i n a t r a n s d u c e r s c o n 第2 6卷 衰减 4 6 7 。后者时域峰峰值与归一化 幅度 峰值 衰减程度分别为为前者的 2 1 2倍和 6 1 倍 。从理 论上分析可知 ， 当混凝土模块没有裂缝时， 超声信号 的传播过程受到传播路径上 的混凝 土的阻碍作用 ， 而 当混凝土模块存在裂缝时， 超声信号的传播过程 ， 除了受到传播路径上 的混凝土 的阻碍作用 以外 ， 还 受到裂缝的阻碍 ， 在裂缝处进行绕射 ， 信号能量衰减 更加剧烈。所以， 所得结论与理论相符。此外 ， 裂缝 离压电陶瓷圆片之间的距离每增加一倍 ， 其 时延增 加 7 n s 左右， 增幅基本保持不变。 经过以上分析可知 ： 高压脉冲作为激励信号激 励压电埋人式混凝土模块， 能够得 到成分丰富 的频 谱， 为混凝土健康监测提供更多的信息。在高压脉 冲的激励下 ， 接收信号的幅度值会随着裂缝与压电陶 瓷圆片之间距离的增加而减小 ， 并且裂缝距离压电陶 瓷圆片越远， 信号衰减越大。从表 1 看 出， 激励信 号与接收信号之间的时延 ， 随着裂缝与压电陶瓷圆片 之间距离的增加而增加 ， 并且时延随裂缝与压电陶瓷 圆片问的距离变化近似呈线性关系。 4 结论 本文设计 了一种高压脉 冲发生模块 ， 将 3 3 V 的矩形脉冲电压提升至近 4 0 0 V， 同时将矩形脉冲 信号转化为窄脉冲信号激励 压电埋 入式混凝 土模 块 ， 得到的频谱成分丰富， 便于检测混凝土的缺陷信 息 ， 适于在环境恶劣的条件下 ， 为超声无损检测提供 更多的分析依据 ， 使检测结果更准确更可靠。通过 对存在裂缝的压 电埋人式混凝土模块的实验 ， 得 出 裂缝与压电陶瓷圆片之间距离变化对接收信号幅值 以及时延的影响， 这将有助于混凝 土健康监测 时对 混凝土中裂缝距离的理论分析与实际测定。 徐志龙( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 湖北黄 冈 ， 四川大 学硕士研究生 ， 主要研究方向为信号与 信息处理、 结构健康监测； 参考文献 ： 1 G l e n n Wa s h e r P a u l F u c h s o f U h r a s o n i c T e s t i n g o f R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e J I E E E T r a n s a c t i o n o n U h r a s o n i c F e r r o e l e c tr i c s ， a n d F r e q u e n c y C o n t r o l ， 2 0 0 4， 5 1 ( 2 ) ： 1 9 3 1 9 4 2 P i o tr C h r z a s t o w s k i Wa c h t e l ， B o u a l e m B e n a t a l l a h ， R a c h i d Ha m a d i ， e t a 1 A T o p Do wn Pe t r i Ne t Ba s e d Ap p r o a c h f o r Dy n a mi c Wo r k fl o w Mo d e l in g M L e c t u r e N o t e s i n C o m p u t e r S c i e n c e ， 2 0 0 3 2 6 7 8： 3 3 6 3 5 3 3 李为杜 混凝土无损检测技术 M 同济大学 J 版社 ， 1 9 8 9 9 4 杨大智 智能材料与智能系统 M 天津大学出版社 ， 2 0 0 0 1 2 5 We n Y， L i P ， H u a n g S S t u d y O i l t h e R e a d o u t o f P i e z o e l e c t r i c Di s t r i b u t e d S e n s i n g Ne t w o r k E mb e d d e d i n C o n c r e t e ，S P I E， 1 9 9 8 ( 31： 6 4 6 7 6 安 占营 基于压电埋人式模块 的混凝 土声检测研究 D 重庆 大学 ， 2 0 1 0 4 7 田卉 ， 文玉梅 ， 李平 ， 等 埋入混凝土结构中的 P Z T 电陶瓷温 度特性研究 J 传感技术学报 ， 2 0 0 7 ， 2 0 ( 9 ) ： 1 9 7 8 一I 9 8 0 8 郭浩 ， 李平 ， 文玉梅 ， 等 埋人压电材料的机 敏混凝土研究 J 传感技术学报 2 0 0 7 ， 2 0 ( 1 ) ： 2 0 2 2 0 6 9 We n Y， C h e n Y， L i P C h a r a c t e r i z a t i o n o f P Z T C e r a m i c T r a n s d u c e r E mb e d d e d i n C o n c r e t e J S e n s o r s A c tu a t o r s ： A P h y s i c a l ， 2 0 0 6 ， 1 2 8 ( 1 ) ： 1 1 6 1 2 4 1 0 C h e n Yu ， We n Y u m e i ， L i P i n g C h a r a c t e r i z a t i o n o f D i s s i p a t i o n F a c t o r s i n T e r ms o f P i e z o e l e c t r i c Eq u i v a l e n t Ci r c u i t P a r a me t e r s J_ I E E E T r a n s a c t i o n s o n U h r a s o n i c ，F e r n t c l e c t r i c s ，a n t F r e q u e n c y C o n t r o l ， 2 0 0 6， 5 3 ( 4 ) ： 2 3 6 7 2 3 6 9 1 1 冯若 ， 姚锦钟 ， 关 立勋 超声手册 M 南京： 南京 大学 出版丰 十 2 0 01： 7 2 5， 78 4 1 2 超声波探伤编写组 超声波探伤 M 北京 ： 水利水 电出版社 ， 1 9 8 5： 71 7 6 1 3 李达 ， 黄兰喜 ， 徐 曼琪 R C串联电路暂态过程时 间常数 的分析 J 重庆文理学 院学报(自然科学版) 2 0 0 9， 2 8 ( 3 ) ： 2 4 2 6 】 4 谭斌 ， 陈 雨， 黄润 ， 等 背衬对埋入混凝土 中压 电陶瓷 激励声能 的影响 J 传感技术学报 2 0 1 1 ， 2 4 ( 1 2 ) ： I 6 9 1 1 6 9 5 1 5 李 鹏程 ， 陈雨 ， 谭斌 ， 等 背衬对埋 人混凝土 巾压电陶瓷 电一 声 特性的影 响 J 传感技术学报 2 叭2 ， 2 5 ( 1 ) ： 4 4 4 8 卫 陈雨(1976一)，男，l999年获重庆大 学动力工程学院电厂专业学十学位， 2002年获重庆大学动力1 稃学院动力 机械及系统专业硕十学位，2006年获重 庆大学光电T程学院仪器科学与技术 专业博士学位，20062009年在重庆大 学任教，2009年至今T作于四川大学电 子信息学院， 副教授职称， 主要研究方 向为结 构健 康 监 测 、 混凝 土压 电机 敏 结 构 、 压 电传 感 器 y c h e n S C H e d u C D。