基于压电材料传感器的损伤探测

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1、基于压电材料传感器的损伤探测【摘要】利用压电材料而制成的传感器已经广泛的运用结构健康检测。本文主要探索通过利用三片压电材料片分别为激发器和传感器，从而探测金属铝条中的缺陷位置。实验结果表明，基于压电材料的传感器，感应以及传播信号可以成为金属损伤探测的有效途径。【关键词】压电材料；传感器；损伤探测混凝土在土木工程中作为一种常见的材料，已经广泛的应用于各种建筑结构中，比如大坝，桥梁，隧道以及房屋。混凝土广泛的应用主要归于其优越的性能如高抗压强度和良好的可塑性，同时，其生产成本也非常低廉。但是，如果混凝土结构承受长

2、时间过重的载荷可能会导致脆性疲劳从而内部结构会出现裂纹（混凝土结构破损现象中最常见的一种）。这些裂纹的出现引起混凝土承重能力和耐久性下降，最终建筑结构的安全性能和使用寿命也会降低。基于导波传播的结构健康监测（Structuralhealth4monitoring）技术自从上1980年以来就作为一项重要课题，成为许多国内外研究学者的重要课题。。结构健康监测对混凝土结构的建筑具有至关重要的作用。不同种的结构健康监测技术已经被广泛的应用，如利用纤维光学传感器，压电材料传感器以及放射性材料。近几年来，利用压电材料作为

3、传感技术探测建筑结构的损伤越来越受到欢迎。这主要是由于压电材料的压电性能：当特定的电压信号被压电材料接收时，其自身可以产生振动超声波信号。同时，当有机械振动激发压电材料时，其本身也可以产生电压信号。利用这样的双重性能，可以将压电材料分别制作成激发器和传感器，进而可以探测混泥土结构的裂纹现象。导波不但可以能够传播相当长度距离而且能够探测物体表面以及内部结构的损失。因此，由导波技术而逐渐发展出来不同的损伤识别算法逐步应用于检测复合材料以及金属材料结构的脱层，缺陷，裂缝，腐蚀等本课题主要通过利用压电材料的特性将压电

4、片分别作为信号激发器和传感器从而探测铝条的缺陷位置。压电材料自从1880年被法国科学家发现以来，就广泛的运用在声波导航，测距和定位装置中。压电材料最主要特性为，当收到外加机械压力时，其内部可以产生电压，相反如果受到电信号的激发，其自身可以产生机械振动。4本课题就是基于实验原理：利用压电片分别作为激发器和传感器。通过信号发生器产生电信号传给激发器，由于压电片能够通过外界电信号的刺激而产生振动，该振动波被传感器感应到，传感器由于压电效应产生电信号，此电信号可显示在示波器上。在导波传播的途径中，由于传播介质发生变化

5、，有缺陷的地方改变原来的导波，改变后的波动信号将会重新送至示波器。示波器会将传感器产生的入射信号和反射信号时间差显示出来，由此计算出缺陷所在位置。该实验基于VXI平台系统（图示1），其装置包括信号产生单元（Aligent?），信号放大器（PiezoSys?EPA-104），信号数字转换器（Agilent?E1437A），利用汉宁窗（Hanningwindow）产生5个周期的正弦波信号并且用于激发压电片，示波器。实验所用的铝条3000系列（Al-Mn系），长度为450mm，宽度为30mm。三个压电片材料的尺寸为

6、直径20mm，厚度为5mm。（一个压电片作为激发器，另外两个作为传感器，其中，传感器1捕捉入射信号以及反射振动波信号，传感器2传输振动波信号）、当电信号的初始频率设置为10kHZ，峰值（peaktopeak）结构的信号并为能够显示在示波器，由此可以推测频率为10kHZ的信号不能够被传感器感应到。当把电信号频率提高至20Khz，示波器的显示出了峰值信号，因此激发信号的频率至少得高于20kHZ。利用脉冲回波法（本实验采用的是兰姆波的非对称模式）可以探测捕捉脉冲信号。图示2，3，4分别显示了导波在无缺陷的铝条，缺陷

7、深度为10mm，20mm的缺口传播的振动波形图。其中横轴为时间（10-4s），纵轴为振幅。利用基本公式d=c*△T/2，4其中c为波在铝条中的传播速度，T为传感器从发出信号到接受信号的时间，d为激发器的中心点至缺陷处的中心点（图示1）。为了证明lamb波的非对称模式在探测缺陷位置的有效性，实验同样选取了深度分别10mm，20mm的缺口，这一次缺口的位置选取在铝条的?处。实验结果数据证明了传感器的有效性，误差范围均在5%以内。该实验结果表明基于压电材料的传感器，感应以及传播信号可以成为金属损伤探测的有效途径。参

8、考文献：[1]S.Mustapha，D.Wang，L.Ye，DebondingdetectioninCF/EPSANDWICHSTRUCTURESUSINGACTIVESENSORNETWORK，The18thInternationalConferenceonCompositeMaterials，2011[2]SungWooShin，TaeKeunOh，Applicationofelectro-me