基于埋入式壓電傳感器的混凝土梁損傷檢測開題報(bào)告

畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告PAGEPAGE1開題報(bào)告一、課題來源、背景、目的、意義，國內(nèi)外基本研究概況1.1課題來源本課題來源于教育部博士點(diǎn)基金資助下進(jìn)行的結(jié)構(gòu)損傷檢測試驗(yàn)研究。1.2課題背景土木工程結(jié)構(gòu)在長達(dá)幾十年，甚至上百年的服役過程中，環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載效應(yīng)、人為的或自然的突變效應(yīng)等災(zāi)害因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷累計(jì)和抗力衰減，從而抵抗自然災(zāi)害、正常荷載以及環(huán)境作用的能力下降，引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。而我國是一個(gè)多自然災(zāi)害的國家，幾乎每年都要發(fā)生地震、風(fēng)災(zāi)、火災(zāi)和水災(zāi)等重大的自然災(zāi)害，這些自然災(zāi)害對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的安全造成了嚴(yán)重的威脅，不斷地對(duì)結(jié)構(gòu)造成損傷，一旦結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的損傷積累到一定程度，如沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，損傷將會(huì)迅速擴(kuò)展，很快就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的毀壞，造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。以橋梁為例，早在1967年12月，西弗吉尼亞州的錫爾弗(Silver)橋垮塌，導(dǎo)致46人喪生；美國的塔科瑪海峽大橋、我國重慶市綦江縣的彩虹橋、臺(tái)灣省連接高雄與屏東重要通道上的高屏大橋，都發(fā)生了突然斷裂事件，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因而，對(duì)在役的重要土木工程結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行損傷檢測和健康狀況評(píng)估，特別是早期微小損傷的檢測就顯得非常重要。目前發(fā)達(dá)國家非常重視這一問題，投入了大量的人力、物力和財(cái)力用于該領(lǐng)域的研究，以橋梁為例：據(jù)美國交通部的統(tǒng)計(jì)，每年約有200,000座橋梁會(huì)發(fā)生性能退化或失效，政府每年以70億美元的投入用于這些橋梁的檢測和評(píng)估；而加拿大則每年有這樣的橋梁30,000座。近年來，基于動(dòng)態(tài)測量信息的土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究與應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注并取得了顯著的進(jìn)展，土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測已成為目前國際上土木工程學(xué)科最活躍的研究領(lǐng)域之一，在每年國際上召開的有關(guān)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析、振動(dòng)分析與控制、智能材料與結(jié)構(gòu)的大會(huì)上，有關(guān)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的報(bào)告占相當(dāng)大的比例，由國際結(jié)構(gòu)控制協(xié)會(huì)和美國土木工程師協(xié)會(huì)共同發(fā)起成立了國際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測委員會(huì)。世界各發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家，如我國，自20世紀(jì)90年代以來在各種國家計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等的大力資助下積極地開展了這方面的研究[1]。更為可喜的是，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代信息處理與分析技術(shù)和智能材料的發(fā)展，土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面的研究已取得了階段性的成果，表現(xiàn)為在一些重要的土木工程結(jié)構(gòu)上建立了有效的健康監(jiān)測系統(tǒng)。建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng)的一個(gè)核心問題就是如何對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系中已經(jīng)出現(xiàn)的初始損傷進(jìn)行有效的識(shí)別、定位以及程度評(píng)估，其中損傷定位是結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與健康監(jiān)測的關(guān)鍵，也是問題的難點(diǎn)之一。結(jié)構(gòu)損傷程度的評(píng)估則是更為復(fù)雜的一項(xiàng)工作，它牽涉到結(jié)構(gòu)模型化的準(zhǔn)確程度，損傷表述及其數(shù)學(xué)刻畫的合理性以及與各自行業(yè)的結(jié)構(gòu)損傷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范等息息相關(guān)。因此，盡管已經(jīng)研究多年，混凝土微損傷的識(shí)別，特別是定量識(shí)別，目前國際上尚沒有成熟的解決方案，也沒有取得突破性的進(jìn)展，這已成為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域迫切需要解決的關(guān)鍵問題，需要進(jìn)一步深入研究。1.3課題的目的和意義工程事故的頻繁發(fā)生給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，使得人們對(duì)土木結(jié)構(gòu)的安全性感到普遍擔(dān)憂，目前的結(jié)構(gòu)損傷檢測方法只能定期地對(duì)一些明顯的損傷進(jìn)行檢測，而大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的事故往往源于其關(guān)鍵構(gòu)件的初始微小損傷，這些微小損傷積累到一定程度將會(huì)造成很惡劣的后果，如房屋倒塌，橋梁的突然斷裂、核電站泄漏、海洋石油平臺(tái)的翻沉等。因此，實(shí)時(shí)而有效地檢測大型重要結(jié)構(gòu)的損傷，評(píng)估其安全性顯得十分迫切。本課題旨在研究基于壓電阻抗法的封裝壓電傳感器在結(jié)構(gòu)損傷檢測中的應(yīng)用。介紹傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)損傷檢測方法現(xiàn)狀、壓電阻抗法的研究概況，并將壓電阻抗法與主要傳統(tǒng)檢測方法進(jìn)行對(duì)比；闡述基于壓電阻抗分析的結(jié)構(gòu)損傷檢測方法的基本原理；利用線切割裂紋模擬混凝土梁的損傷，運(yùn)用PZT阻抗法對(duì)簡支條件下混凝土梁損傷進(jìn)行檢測；最后通過采用另外一種封裝技術(shù)的壓電傳感器對(duì)混凝土梁損傷進(jìn)行檢測，以此對(duì)比研究了不同封裝技術(shù)的優(yōu)劣。1.4課題的國內(nèi)外基本研究概況及發(fā)展趨勢壓電阻抗技術(shù)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的方法是近些年才興起的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一種新方法。將一壓電元件粘貼于結(jié)構(gòu)表面作為系統(tǒng)中的傳感器和驅(qū)動(dòng)器，這就使采用壓電阻抗技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測成為可能。當(dāng)壓電元件受壓的時(shí)候，它將產(chǎn)生電場，如果對(duì)壓電元件施加一電場，它將產(chǎn)生機(jī)械拉伸。對(duì)一線性壓電材料(如PZT)來說，電變量和機(jī)械變量之間的關(guān)系可以通過一線性方程來描述。為了獲取結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗信息，同時(shí)用到了PZT的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。PZT由一正弦電壓驅(qū)動(dòng)，由于PZT粘貼在結(jié)構(gòu)表面上，所以結(jié)構(gòu)也會(huì)隨其一起變形并且對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生近處的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。單片PZT能夠激勵(lì)的面積區(qū)域因結(jié)構(gòu)和材料的不同而異，結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)反饋給PZT，又導(dǎo)致了PZT的電響應(yīng)，由于不同程度的結(jié)構(gòu)損傷會(huì)導(dǎo)致的電響應(yīng)不同，所以可以通過分析這種電響應(yīng)的變化來判斷結(jié)構(gòu)受損情況。其實(shí)電響應(yīng)反映出來就是PZT的電阻抗，結(jié)構(gòu)受到損傷會(huì)造成PZT電阻抗幅值和相角的變化。20世紀(jì)90年代初期，美國弗機(jī)尼利亞工學(xué)院和州立大學(xué)（VirginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity）的智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)研究中心（CenterforIntelligentMaterialSystemandStructure）最早展開這種方法的研究。20世紀(jì)90年代初期，美國弗機(jī)尼利亞工學(xué)院和州立大學(xué)的智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)研究中心最早展開這種方法的研究。1993年C.Liang等人首次提出智能結(jié)構(gòu)的阻抗分析法，從理論上分析了PZT與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成的單自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)（SMD）模型，推導(dǎo)出了PZT動(dòng)態(tài)機(jī)械阻抗與結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的關(guān)系，并以懸臂梁為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；接又研究了PZT與結(jié)構(gòu)耦合電阻抗問題，理論推導(dǎo)出PZT驅(qū)動(dòng)的簡單一維SMD系統(tǒng)的耦合電導(dǎo)納表達(dá)式，分析了結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗變化對(duì)PZT電導(dǎo)納的影響；Sun根據(jù)耦合電阻抗提取自由的柔性梁的固有頻率，試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)值很接近；之后，Rogers，Ayres，Tseng等人利用一些簡單的結(jié)構(gòu)對(duì)PZT電阻抗與結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，證實(shí)了這種方法的可行性。后來很多學(xué)者在這方面做了大量的試驗(yàn)研究，并在幾種復(fù)雜結(jié)構(gòu)上取得了成功：Chaudhry最早將壓電阻抗法用于航空結(jié)構(gòu)的損傷檢測，Castanien提出交叉耦合電導(dǎo)納概念，并利用統(tǒng)計(jì)方法分析耦合電導(dǎo)納的變化識(shí)別了飛機(jī)機(jī)身的損傷，Winston和Giurgiutiu等人利用壓電阻抗法成功地檢測噴氣機(jī)渦輪引擎的故障，Ghoshal報(bào)道了直升機(jī)折梁試驗(yàn)的損傷檢測結(jié)果，Giurgiutiu用壓電阻抗法對(duì)一老化的航空結(jié)構(gòu)進(jìn)行了健康狀態(tài)評(píng)估，顯示出其在航空領(lǐng)域損傷檢測的廣闊前景；Lalandeetal研究了復(fù)合材料修復(fù)層智能結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別情況，Raju將這一研究成果應(yīng)用到復(fù)合材料加固的混凝土結(jié)構(gòu)，證實(shí)該方法在復(fù)合材料領(lǐng)域的可行性；對(duì)于機(jī)械領(lǐng)域的精密零部件，其微小損傷常常給工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大損失，如何有效地識(shí)別出其初始微小損傷成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，Lalande利用高頻阻抗法診斷出齒輪-傳動(dòng)裝置的微小缺陷，對(duì)于機(jī)械構(gòu)件的損傷檢測是一大進(jìn)步。Sun等人將壓電阻抗法成功用于組裝桁架的結(jié)構(gòu)損傷檢測被認(rèn)為是壓電阻抗法在土木結(jié)構(gòu)損傷檢測領(lǐng)域應(yīng)用的開始，Ayres，Park等采用阻抗法測試了幾種典型的土木結(jié)構(gòu)組件。第一種是用復(fù)合材料加強(qiáng)的磚墻，在墻的不同部位貼有5片PZT，測試墻體在各個(gè)受載階段時(shí)各PZT的阻抗譜，阻抗譜能夠反應(yīng)裂紋在磚縫中的擴(kuò)展情況。第二種是1/4比例的鋼結(jié)構(gòu)橋梁，高18m，重250kg，在鋼制桁架上貼PZT。考察了PZT阻抗的重復(fù)性以及手錘敲擊、局部載荷等外部因素對(duì)阻抗測試的影響，表明重復(fù)性好，上述因素的影響可忽略。用螺栓松動(dòng)模擬損傷的引發(fā)階段，PZT能夠感應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化。第三種是管網(wǎng)(水、氣、油等的管道)連接處，在連接法蘭盤上貼PZT。研究了接頭在不同溫度下（25℃～75℃）PZT阻抗與溫度的關(guān)系，用螺栓松動(dòng)模擬損傷的引發(fā)階段，壓電陶瓷片能夠感應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化。并設(shè)計(jì)了一種算法用來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能，排除了環(huán)境溫度的影響。Bhalla通過壓電片研究了鋼結(jié)構(gòu)的初始損傷診斷，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法能有效地檢測到結(jié)構(gòu)的初始缺陷。美國南卡羅來納哥倫比亞大學(xué)（UniversityofSouthCarolinaColumbia）機(jī)械工程系的Giurgiutiu等采用阻抗法檢測點(diǎn)焊接頭的疲勞損傷，通過不同載荷下的疲勞試驗(yàn)表明，從阻抗譜中提取的損傷因子隨疲勞裂紋的增加而增加。新加坡南洋理工大學(xué)（NanyangTechnologicalUniversity)的土木與環(huán)境工程學(xué)院（SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering）也在壓電阻抗法方面做了大量的研究和試驗(yàn)，并介紹了其在土木結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用情況：Soh等人研究了PZT在鋼筋混凝土橋損傷檢測上的應(yīng)用。橋全長約11米，寬1米，由兩根長梁支撐混凝土面板組成，在關(guān)鍵部位貼有11片PZT。通過PZT的導(dǎo)電測試，粘結(jié)的PZT能感應(yīng)到它所在位置附近的混凝土裂紋擴(kuò)展情況，并對(duì)遠(yuǎn)處的裂紋不敏感。這一研究通過現(xiàn)場試驗(yàn)證明了PZT片用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷檢測是可行的。范德比爾大學(xué)土木與環(huán)境工程系Tseng和Naidu認(rèn)為阻抗法是一種有效的非參數(shù)結(jié)構(gòu)損傷檢測方法。在鋁板上模擬三種破壞情況，PZT能感知這些損傷而不需要任何的模態(tài)參數(shù)。他們比較了四種基于損傷特征提取的統(tǒng)計(jì)方法的優(yōu)劣。Tseng還用阻抗法檢測混凝土由于環(huán)境侵害引起的材料性能變化。由于壓電材料的強(qiáng)溫度特性，部分學(xué)者考察了溫度對(duì)阻抗法的影響，Woon通過試驗(yàn)觀察了環(huán)境溫度對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性和響應(yīng)的影響；Krishnamurthy則從理論上分析了溫度對(duì)壓電片性能的影響，結(jié)果顯示壓電片介但是，目前阻抗法還只是一種定性的檢測方法。這是因?yàn)橹T多因素，如裂紋、銹蝕、孔洞等都會(huì)使結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗發(fā)生變化，對(duì)缺陷的種類、損傷程度等的識(shí)別也十分困難。在這方面，Park，Lopes等采用阻抗法結(jié)合應(yīng)力波傳播方法、阻抗法結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等在定量診斷方面作了一些探討，其中后者通過試驗(yàn)驗(yàn)證能夠較準(zhǔn)確識(shí)別損傷程度和多處損傷，不足的地方是需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)和計(jì)算。Tebaldi等將損傷識(shí)別看作是一個(gè)解不唯一的反問題，提出一個(gè)新的損傷識(shí)別方法：通過阻抗法先確定損傷的位置，再利用遺傳算法計(jì)算損傷的大小和程度，并可識(shí)別多處損傷。另一條思路是：先用阻抗法大致確定缺陷情況，然后用其他的無損檢測方法做進(jìn)一步的分析，目前還無這類研究報(bào)道。國內(nèi)在90年代后期開始了這方面的研究，南京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、重慶大學(xué)、東北大學(xué)、國防科技大學(xué)等院校研究所對(duì)對(duì)這種方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究。重慶大學(xué)的李以龍和東北大學(xué)的聞邦椿等人對(duì)簡單結(jié)構(gòu)的裂紋、螺栓松動(dòng)、孔洞等健康狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測和診斷。西安交通大學(xué)的高峰等人以含不同裂紋尺寸的鋁梁結(jié)構(gòu)為例，通過試驗(yàn)分析該方法的有效性。重慶大學(xué)的以石榮、陳偉民等人為代表的智能材料研究組以柔性板為研究對(duì)象，在柔性板上布置壓電片陣列來進(jìn)行損傷監(jiān)測，為以后太空柔性結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測奠定了良好的基礎(chǔ)。南京航空航天大學(xué)的石立華等人將壓電陶瓷片埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表層，開發(fā)了外部控制和處理系統(tǒng)，構(gòu)成能夠?qū)崟r(shí)完成損傷自診斷、自適應(yīng)的智能結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)一方面可對(duì)沖擊、過載等可能造成損傷的原因進(jìn)行監(jiān)測，并診斷裂縫、連接松動(dòng)等損傷的產(chǎn)生和位置，另一方面還可自適應(yīng)地驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中的壓電驅(qū)動(dòng)器，改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，防止損傷的擴(kuò)展，在國內(nèi)具有很大的影響。國防科技大學(xué)的熊先鋒、楊光瑜等人提出了一種新的試驗(yàn)方法代替阻抗分析儀測量PZT的電阻抗，采用此方法對(duì)螺栓連接固定鋁板的螺栓松動(dòng)損傷進(jìn)行了檢測試驗(yàn)，結(jié)果表明該方法的可行性。武漢理工大學(xué)的孫明清等人對(duì)壓電材料在土木工程結(jié)構(gòu)損傷檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。華中科技大學(xué)的王丹生等人進(jìn)行了基于反共振頻率和壓電阻抗的結(jié)構(gòu)損傷檢測數(shù)值與試驗(yàn)研究并利用基于壓電導(dǎo)納的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了螺栓松動(dòng)檢測試驗(yàn)研究。從上面的綜述可知，基于壓電阻抗的健康監(jiān)測技術(shù)從提出到現(xiàn)在已經(jīng)有上十年，其研究領(lǐng)域主要集中在航空和機(jī)械工程，近年來在土木工程領(lǐng)域也開展了一定的研究，而且發(fā)展很快，但研究還不是十分的深入，特別是在混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面還有待進(jìn)一步的研究。此外，基于壓電阻抗的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)離實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離，壓電傳感器的耐久性、溫度依賴性、受環(huán)境濕度的影響等方面盡管已有一些研究，但仍然沒有得到可靠的解決方案，還需要進(jìn)一步研究。二、預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)、關(guān)鍵理論和技術(shù)、技術(shù)指標(biāo)、完成課題的方案及主要措施2.1預(yù)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)本課題將研究基于壓電阻抗法的封裝壓電傳感器在結(jié)構(gòu)損傷檢測中的應(yīng)用。闡述智能材料結(jié)構(gòu)的基本概念以及壓電智能結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)，推導(dǎo)出壓電方程，分析壓電片驅(qū)動(dòng)響應(yīng)，研究應(yīng)用壓電阻抗技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基本原理和理論根據(jù)。通過預(yù)埋入封裝壓電片且人工制造線裂紋損傷的混凝土梁試驗(yàn)，使用阻抗分析儀測量混凝土梁在無損傷和不同損傷工況下的PZT壓電導(dǎo)納（阻抗）數(shù)據(jù)并繪制壓電導(dǎo)納頻譜曲線圖，識(shí)別出混凝土梁損傷的出現(xiàn)以及對(duì)損傷進(jìn)行定位，證實(shí)封裝壓電傳感器用于結(jié)構(gòu)損傷檢測的有效性。通過不同封裝技術(shù)的研究以期探討一種最合適的封裝方法。2.2關(guān)鍵理論和技術(shù)智能材料結(jié)構(gòu)是一種本身具有自診斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等功能的結(jié)構(gòu)，傳感器、驅(qū)動(dòng)器和控制器是它的三個(gè)重要組成部分。PZT在智能材料結(jié)構(gòu)中既可以作為傳感器也可作為驅(qū)動(dòng)器。壓電材料具有正逆壓電效應(yīng)，因此壓電方程中的應(yīng)變或電位移既受力的影響也受電場的影響。壓電元件的主要參數(shù)有壓電常數(shù)、介電常數(shù)、彈性系數(shù)、介質(zhì)損耗、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)及頻率常數(shù)等，參數(shù)不同說明元件的性能就不同。機(jī)械系統(tǒng)本身的動(dòng)力學(xué)特性（固有頻率、振型、阻尼等），決定了系統(tǒng)受激振力后產(chǎn)生的響應(yīng)。在結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗測試中，首先應(yīng)對(duì)測試對(duì)象施加某種預(yù)定要求的激振力，使它產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)或自由振動(dòng)，同時(shí)測量激振力和被測對(duì)象的響應(yīng)，得出他們的幅值和相位的頻率響應(yīng)函數(shù)。PZT驅(qū)動(dòng)器的電導(dǎo)納公式如下：從上式可清楚地看出，PZT驅(qū)動(dòng)器的電導(dǎo)納由兩部分組成。第一項(xiàng)為自由PZT的電容導(dǎo)納，是導(dǎo)納隨頻率變化的基線；第二項(xiàng)包含了PZT材料自身的阻抗信息和外部結(jié)構(gòu)的阻抗信息，表示PZT驅(qū)動(dòng)器與結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)PZT電導(dǎo)納的影響，即在電導(dǎo)納－頻率圖中超出基線的部分?？紤]當(dāng)壓電片粘貼于外部結(jié)構(gòu)后，已確定了壓電系統(tǒng)，PZT材料自身的阻抗ZA為常數(shù)，外部結(jié)構(gòu)的阻抗值ZS則是唯一影響第二項(xiàng)的參數(shù)，從而控制壓電系統(tǒng)全部導(dǎo)納Y的變化。因此結(jié)構(gòu)健康狀況的破壞造成外部結(jié)構(gòu)阻抗的變化，則可通過壓電元件的導(dǎo)納反映出來，也就是說如果機(jī)械結(jié)構(gòu)因松動(dòng)或有裂紋引起其機(jī)械阻抗ZS變化，則PZT沿z方向的耦合電導(dǎo)納會(huì)發(fā)生變化。值得一提的是，不同的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)導(dǎo)出的PZT電導(dǎo)納表達(dá)式都為以上形式，只是結(jié)構(gòu)阻抗ZS的表示不同。同時(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)阻抗ZS與壓電片ZA匹配時(shí)（復(fù)共軛），壓電導(dǎo)納和端點(diǎn)位移將趨于無限，因此導(dǎo)納峰值所對(duì)應(yīng)的頻率即為系統(tǒng)共振頻率。壓電阻抗法依賴于兩個(gè)重要的物理原理：(1)PZT的機(jī)電耦合特性。使得結(jié)構(gòu)一些難以直接測量的參數(shù)可以通過電量的方式反映出來；(2)彈性波的傳播理論。對(duì)于粘結(jié)在結(jié)構(gòu)表面的PZT片施加交流電場時(shí)，利用PZT的壓電效應(yīng)在結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生機(jī)械波并傳播到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，當(dāng)遇到結(jié)構(gòu)阻抗發(fā)生變化的界面時(shí)，一部分機(jī)械波會(huì)反射到PZT驅(qū)動(dòng)器或其他的傳感器，另一部分機(jī)械波繼續(xù)傳播。結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗作為結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)，是結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度、阻尼、邊界條件等的函數(shù)，而反射到PZT的機(jī)械波作為結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息的載體，將結(jié)構(gòu)內(nèi)部空洞、裂紋、缺陷、螺栓松動(dòng)、支承條件等信息傳送到PZT片來調(diào)制通過PZT的電流，從而改變PZT的電導(dǎo)納。2.3技術(shù)指標(biāo)本試驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)就是不同頻率段下的壓電導(dǎo)納實(shí)部和虛部值大小，并繪制導(dǎo)納實(shí)部和虛部頻譜曲線，根據(jù)曲線的偏移變化來確定梁的損傷。2.4完成課題的方案及主要措施本試驗(yàn)采用北京聯(lián)邦時(shí)代電子科技有限公司生產(chǎn)的阻抗分析儀PV70A。該儀器是由清華大學(xué)和中國科學(xué)院聲學(xué)所共同研制開發(fā)的，主要用于壓電器件和設(shè)備的檢測，是對(duì)壓電器件和設(shè)備進(jìn)行測量和分析的綜合性解決方案，可以既快又方便地測試壓電器件的參數(shù)特性。阻抗分析儀是根據(jù)超聲設(shè)備生產(chǎn)過程中一些無法直觀看到的，但對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量卻有重要影響的技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行測量的一種可以取代進(jìn)口儀器的一種設(shè)備。PZT采用武漢海創(chuàng)電子有限公司生產(chǎn)的接收型壓電陶瓷PZT-5，尺寸為8mm×8mm×0.5mm。瀝青漆防水劑采用武漢市湘潭建筑防水材料發(fā)展有限公司生產(chǎn)的海燕牌瀝青漆。封裝模具兩個(gè)試驗(yàn)分別采用外徑約為2cm、高度約為1cm的圓柱形一次性薄壁塑料模具和80mm×80mm×30mm硬紙板立方體模具。首先在PZT裸片兩面各焊接一根引出導(dǎo)線，導(dǎo)線使用兩芯屏蔽線；然后在PZT裸片表面涂一層均勻的瀝青漆作防水處理；待PZT表面瀝青漆風(fēng)干后對(duì)其作水泥砂漿封裝處理，將按水泥：砂為1：2的比例攪拌均勻的水泥砂漿填充到封裝模具中，兩個(gè)試驗(yàn)分別采用不同封裝技術(shù)處理；待封裝塊有足夠強(qiáng)度保護(hù)里面的PZT時(shí)，將PZT沿梁長五個(gè)不同部位預(yù)埋入混凝土梁，在梁模板側(cè)面對(duì)應(yīng)每個(gè)PZT處各穿孔一個(gè)以從梁里引出導(dǎo)線；然后澆注及養(yǎng)護(hù)素混凝土梁，兩個(gè)試驗(yàn)混凝土分別采用人工拌制C25混凝土和C15商品混凝土；素混凝土梁養(yǎng)護(hù)28天后簡支。為了模擬混凝土梁中裂紋損傷，用混凝土切割機(jī)沿梁長分別制作3條深度不斷加深的裂紋，分為若干個(gè)工況，將PZT引出導(dǎo)線連接到阻抗分析儀，測量壓電導(dǎo)納；最后繪制導(dǎo)納實(shí)部和虛部頻譜曲線，根據(jù)曲線的偏移變化來確定梁的損傷。三、課題研究進(jìn)展計(jì)劃第一周至第三周：閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，并翻譯相關(guān)英文論文，探究實(shí)驗(yàn)原理，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)初步設(shè)計(jì)。第四周只第五周：準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料、試驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)儀器等。第六周至第九周：制作壓電片，做防水處理，并進(jìn)行封裝，保持對(duì)壓電片壓電導(dǎo)納的測量。第十周至第十三周：澆注混凝土梁并進(jìn)行四周的養(yǎng)護(hù)，保持對(duì)埋入壓電片壓導(dǎo)納的測量。第十四周周：切割素混凝土梁，測量梁在不同損傷工況下的壓電導(dǎo)納。第十五周：處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫論文。四、主要參考文獻(xiàn)[1]王丹生.基于反共振頻率和壓電阻抗的結(jié)構(gòu)損傷檢測.[博士學(xué)位論文].保存地點(diǎn)：華中科技大學(xué).2006[2]王丹生，朱宏平，魯晶晶等.基于壓電導(dǎo)納的鋼框架螺栓松動(dòng)檢測.震動(dòng)與沖擊.2007[3]陶寶祺主編.智能材料結(jié)構(gòu).北京:國防工業(yè)出版社,1997[4]馬治國,聞邦椿,顏云輝.智能結(jié)構(gòu)的若干問題與進(jìn)展.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,1998,5(2):513-516[5]楊大智主編.智能材料與智能系統(tǒng).天津:天津大學(xué)出版社,2000[6]李傳兵,廖昌榮,張玉璘等.壓電智能結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展.壓電與聲光,2002,24(1):42-46[7]徐茂華.結(jié)構(gòu)損傷檢測PZT阻抗法的理論與試驗(yàn)研究,[碩士學(xué)位論文].保存地點(diǎn)：華中科技大學(xué).2005[8]金柯.混凝土中壓電傳感器防水及封裝技術(shù).[碩士學(xué)位論文].保存地點(diǎn)：華中科技大學(xué).2008[9]李杰.混凝土隨機(jī)損傷本構(gòu)關(guān)系[