[發(fā)明專利]基于壓電振動(dòng)機(jī)理和應(yīng)力波的混凝土材料參數(shù)評(píng)估方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110476918.3
• 申請(qǐng)日: 2021-04-29
• 公開（公告）號(hào): CN113109440A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 喬丕忠;余海帆;陸林軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)研究總院有限公司
• 主分類號(hào): G01N29/04
• 分類號(hào): G01N29/04;G01N29/07;G01N29/44;G01N29/24
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31227
• 代理人: 李慶

本發(fā)明提供一種基于壓電振動(dòng)機(jī)理和應(yīng)力波的混凝土材料參數(shù)評(píng)估方法，目的在于提供基于壓電傳感器機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制和瑞利波、體波傳播機(jī)理的混凝土動(dòng)彈性模量和泊松比的測(cè)量方案，其包括基于壓電激勵(lì)器接收器振動(dòng)機(jī)理的傳感器布置方案的提出；激勵(lì)信號(hào)中心頻率、波形、傳感器尺寸的優(yōu)化；不同類型應(yīng)力波動(dòng)態(tài)特性參數(shù)與傳播介質(zhì)材料參數(shù)之間的物理模型在信號(hào)處理中的應(yīng)用。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明優(yōu)勢(shì)為：不再依賴于傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理技術(shù)，具有更強(qiáng)的普適性；以清晰動(dòng)力學(xué)物理模型為支撐，工程應(yīng)用可靠性高；傳感器放置方案基于壓電振動(dòng)機(jī)理理論研究，可有效提高信噪比；信號(hào)頻率響應(yīng)范圍廣、檢測(cè)面積大、測(cè)量方案經(jīng)濟(jì)高效。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及混凝土無損檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓電振動(dòng)機(jī)理和應(yīng)力波的混凝土材料參數(shù)評(píng)估方法。

背景技術(shù)

混凝土在建筑、橋梁、隧道、大壩等基建工程中是一種應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)材料。然而不合理的養(yǎng)護(hù)條件、惡劣的服役環(huán)境通常會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生材料退化、結(jié)構(gòu)損傷積累，影響其結(jié)構(gòu)安全性和服役壽命，引發(fā)突發(fā)事故。因此，建立一套實(shí)時(shí)可靠的混凝土無損檢測(cè)系統(tǒng)具有迫切的工程需求。彈性模量和泊松比是混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)行為和服役性能的重要評(píng)估參數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者提出了一系列的動(dòng)態(tài)評(píng)估系統(tǒng)、測(cè)量方法。

現(xiàn)有混凝土材料參數(shù)的測(cè)量方法通?？煞譃閮纱箢悾浩茐男詼y(cè)試和無損檢測(cè)。壓縮試驗(yàn)是工程中常用的破壞性測(cè)試技術(shù)，但對(duì)于復(fù)雜的混凝土結(jié)構(gòu)，此方法需要預(yù)制大量的標(biāo)準(zhǔn)立方體樣本，而這些樣本可能會(huì)在混凝土結(jié)構(gòu)服役多年后因所處環(huán)境不同與實(shí)際結(jié)構(gòu)本身性能產(chǎn)生較大差異；且工程中通常不希望從原始結(jié)構(gòu)中提取用于破壞性測(cè)試的樣品。另一類無損檢測(cè)方法主要包括：聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)、機(jī)電阻抗法(Electro-Mechanical Impedance,EMI)和波動(dòng)法(Wave Propagation,WP)。然而，基于AE和EMI方法的試驗(yàn)和工程應(yīng)用案例通常著重于建立基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的性能評(píng)估因子和損傷因子，由于缺乏物理模型的支持，試驗(yàn)結(jié)果的離散性通常較大，試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律探尋比較困難。因此，建立具有明確物理意義的基于波動(dòng)法的混凝土材料性能評(píng)估方法，解決混凝土材料性能評(píng)估過程中信號(hào)處理依賴統(tǒng)計(jì)學(xué)、模型難以適用于不同工況的問題，具有重要學(xué)術(shù)意義和工程價(jià)值。

波動(dòng)法通過在混凝土中傳播的應(yīng)力波的波速與彈性模量、泊松比的關(guān)系來評(píng)估混凝土的材料性能，應(yīng)力波的激發(fā)工具主要有力錘和PZT。錘擊法比較容易受環(huán)境噪聲的干擾，且對(duì)操作者的技術(shù)和熟練程度要求較高。而PZT因?yàn)樾盘?hào)線性關(guān)系好、功耗低、可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)，在混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中有更好的應(yīng)用前景?；赑ZT的現(xiàn)有混凝土無損檢測(cè)技術(shù)往往忽略了傳感器振動(dòng)機(jī)理和應(yīng)力波傳播機(jī)理對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，應(yīng)力波傳播機(jī)理對(duì)建立應(yīng)力波幅值等信息與待測(cè)對(duì)象物理缺陷和損傷的量化關(guān)系起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)也是研究應(yīng)力波衰減的關(guān)鍵參數(shù)，而對(duì)目標(biāo)信號(hào)類型的選擇往往依賴于應(yīng)力波幅值等信息，但到目前為止，對(duì)于適合于一般情況的目標(biāo)信號(hào)的選擇還沒有具體普適的解決方案或建議；另一方面，與傳感器振動(dòng)機(jī)理密切相關(guān)的應(yīng)力波作用類型和傳感器布置方案也是影響信號(hào)處理難易程度和檢測(cè)效果的重要因素，而這方面研究也尚不成熟。

因此，提出一種系統(tǒng)的，傳感器振動(dòng)機(jī)理和應(yīng)力波傳播機(jī)理清晰的，基于內(nèi)置式和表面粘貼式PZT的混凝土材料參數(shù)測(cè)量方法是很有必要的。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種基于壓電振動(dòng)機(jī)理和應(yīng)力波的混凝土材料參數(shù)評(píng)估方法，提供基于壓電傳感器機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制和瑞利波、體波傳播機(jī)理的混凝土動(dòng)彈性模量和泊松比的測(cè)量方案。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于壓電振動(dòng)機(jī)理和瑞利波的混凝土材料參數(shù)評(píng)估方法，包括步驟：

S1：根據(jù)對(duì)壓電激勵(lì)器和壓電接收器的振動(dòng)機(jī)理研究，確定壓電傳感器的布置方案，所述壓電傳感器包括所述壓電激勵(lì)器和所述壓電接收器；若選縱波為目標(biāo)信號(hào)，則無論所述壓電激勵(lì)器放置角度為0°還是90°，所述壓電接收器的放置角度均應(yīng)該為0°；若選剪切波為所述目標(biāo)信號(hào)，則所述壓電接收器的放置角度應(yīng)與所述壓電激勵(lì)器一致，同為0°或90°；