基于埋入式压电传感器的混凝土梁损伤检测开题报告

毕业设计(论文)开题报告PAGEPAGE1开题报告一、课题来源、背景、目的、意义，国内外基本研究概况1.1课题来源本课题来源于教育部博士点基金资助下进行的结构损伤检测试验研究。1.2课题背景土木工程结构在长达几十年，甚至上百年的服役过程中，环境侵蚀、材料老化和荷载效应、人为的或自然的突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构的损伤累计和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、正常荷载以及环境作用的能力下降，引发灾难性的突发事故。而我国是一个多自然灾害的国家，几乎每年都要发生地震、风灾、火灾和水灾等重大的自然灾害，这些自然灾害对土木工程结构的安全造成了严重的威胁，不断地对结构造成损伤，一旦结构关键构件的损伤积累到一定程度，如没有被及时发现和处理，损伤将会迅速扩展，很快就会导致整个结构的毁坏，造成重大的人员伤亡和经济损失。以桥梁为例，早在1967年12月，西弗吉尼亚州的锡尔弗(Silver)桥垮塌，导致46人丧生；美国的塔科玛海峡大桥、我国重庆市綦江县的彩虹桥、台湾省连接高雄与屏东重要通道上的高屏大桥，都发生了突然断裂事件，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。因而，对在役的重要土木工程结构及其关键构件进行损伤检测和健康状况评估，特别是早期微小损伤的检测就显得非常重要。目前发达国家非常重视这一问题，投入了大量的人力、物力和财力用于该领域的研究，以桥梁为例：据美国交通部的统计，每年约有200,000座桥梁会发生性能退化或失效，政府每年以70亿美元的投入用于这些桥梁的检测和评估；而加拿大则每年有这样的桥梁30,000座。近年来，基于动态测量信息的土木工程结构健康监测的研究与应用受到了广泛的关注并取得了显著的进展，土木工程结构健康监测已成为目前国际上土木工程学科最活跃的研究领域之一，在每年国际上召开的有关结构模态分析、振动分析与控制、智能材料与结构的大会上，有关结构健康监测的报告占相当大的比例，由国际结构控制协会和美国土木工程师协会共同发起成立了国际结构健康监测委员会。世界各发达国家和部分发展中国家，如我国，自20世纪90年代以来在各种国家计划和国家自然科学基金等的大力资助下积极地开展了这方面的研究[1]。更为可喜的是，随着现代计算机技术、现代信息处理与分析技术和智能材料的发展，土木工程结构健康监测方面的研究已取得了阶段性的成果，表现为在一些重要的土木工程结构上建立了有效的健康监测系统。建立结构健康监测、预警系统的一个核心问题就是如何对复杂结构体系中已经出现的初始损伤进行有效的识别、定位以及程度评估，其中损伤定位是结构损伤识别与健康监测的关键，也是问题的难点之一。结构损伤程度的评估则是更为复杂的一项工作，它牵涉到结构模型化的准确程度，损伤表述及其数学刻画的合理性以及与各自行业的结构损伤评定标准及规范等息息相关。因此，尽管已经研究多年，混凝土微损伤的识别，特别是定量识别，目前国际上尚没有成熟的解决方案，也没有取得突破性的进展，这已成为钢筋混凝土结构健康监测领域迫切需要解决的关键问题，需要进一步深入研究。1.3课题的目的和意义工程事故的频繁发生给国家和人民的生命财产造成巨大损失，使得人们对土木结构的安全性感到普遍担忧，目前的结构损伤检测方法只能定期地对一些明显的损伤进行检测，而大型复杂结构的事故往往源于其关键构件的初始微小损伤，这些微小损伤积累到一定程度将会造成很恶劣的后果，如房屋倒塌，桥梁的突然断裂、核电站泄漏、海洋石油平台的翻沉等。因此，实时而有效地检测大型重要结构的损伤，评估其安全性显得十分迫切。本课题旨在研究基于压电阻抗法的封装压电传感器在结构损伤检测中的应用。介绍传统结构损伤检测方法现状、压电阻抗法的研究概况，并将压电阻抗法与主要传统检测方法进行对比；阐述基于压电阻抗分析的结构损伤检测方法的基本原理；利用线切割裂纹模拟混凝土梁的损伤，运用PZT阻抗法对简支条件下混凝土梁损伤进行检测；最后通过采用另外一种封装技术的压电传感器对混凝土梁损伤进行检测，以此对比研究了不同封装技术的优劣。1.4课题的国内外基本研究概况及发展趋势压电阻抗技术用于结构健康监测的方法是近些年才兴起的结构健康监测的一种新方法。将一压电元件粘贴于结构表面作为系统中的传感器和驱动器，这就使采用压电阻抗技术进行结构健康监测成为可能。当压电元件受压的时候，它将产生电场，如果对压电元件施加一电场，它将产生机械拉伸。对一线性压电材料(如PZT)来说，电变量和机械变量之间的关系可以通过一线性方程来描述。为了获取结构机械阻抗信息，同时用到了PZT的正压电效应和逆压电效应。PZT由一正弦电压驱动，由于PZT粘贴在结构表面上，所以结构也会随其一起变形并且对振动产生近处的动态响应。单片PZT能够激励的面积区域因结构和材料的不同而异，结构对振动的响应反馈给PZT，又导致了PZT的电响应，由于不同程度的结构损伤会导致的电响应不同，所以可以通过分析这种电响应的变化来判断结构受损情况。其实电响应反映出来就是PZT的电阻抗，结构受到损伤会造成PZT电阻抗幅值和相角的变化。20世纪90年代初期，美国弗机尼利亚工学院和州立大学（VirginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity）的智能材料系统与结构研究中心（CenterforIntelligentMaterialSystemandStructure）最早展开这种方法的研究。20世纪90年代初期，美国弗机尼利亚工学院和州立大学的智能材料系统与结构研究中心最早展开这种方法的研究。1993年C.Liang等人首次提出智能结构的阻抗分析法，从理论上分析了PZT与结构系统构成的单自由度弹簧-质量-阻尼系统（SMD）模型，推导出了PZT动态机械阻抗与结构机械阻抗的关系，并以悬臂梁为实验进行了验证；接又研究了PZT与结构耦合电阻抗问题，理论推导出PZT驱动的简单一维SMD系统的耦合电导纳表达式，分析了结构机械阻抗变化对PZT电导纳的影响；Sun根据耦合电阻抗提取自由的柔性梁的固有频率，试验结果与真实值很接近；之后，Rogers，Ayres，Tseng等人利用一些简单的结构对PZT电阻抗与结构机械阻抗的关系进行了试验研究，证实了这种方法的可行性。后来很多学者在这方面做了大量的试验研究，并在几种复杂结构上取得了成功：Chaudhry最早将压电阻抗法用于航空结构的损伤检测，Castanien提出交叉耦合电导纳概念，并利用统计方法分析耦合电导纳的变化识别了飞机机身的损伤，Winston和Giurgiutiu等人利用压电阻抗法成功地检测喷气机涡轮引擎的故障，Ghoshal报道了直升机折梁试验的损伤检测结果，Giurgiutiu用压电阻抗法对一老化的航空结构进行了健康状态评估，显示出其在航空领域损伤检测的广阔前景；Lalandeetal研究了复合材料修复层智能结构的损伤识别情况，Raju将这一研究成果应用到复合材料加固的混凝土结构，证实该方法在复合材料领域的可行性；对于机械领域的精密零部件，其微小损伤常常给工业生产带来巨大损失，如何有效地识别出其初始微小损伤成为人们关注的焦点，Lalande利用高频阻抗法诊断出齿轮-传动装置的微小缺陷，对于机械构件的损伤检测是一大进步。Sun等人将压电阻抗法成功用于组装桁架的结构损伤检测被认为是压电阻抗法在土木结构损伤检测领域应用的开始，Ayres，Park等采用阻抗法测试了几种典型的土木结构组件。第一种是用复合材料加强的砖墙，在墙的不同部位贴有5片PZT，测试墙体在各个受载阶段时各PZT的阻抗谱，阻抗谱能够反应裂纹在砖缝中的扩展情况。第二种是1/4比例的钢结构桥梁，高18m，重250kg，在钢制桁架上贴PZT。考察了PZT阻抗的重复性以及手锤敲击、局部载荷等外部因素对阻抗测试的影响，表明重复性好，上述因素的影响可忽略。用螺栓松动模拟损伤的引发阶段，PZT能够感应结构的变化。第三种是管网(水、气、油等的管道)连接处，在连接法兰盘上贴PZT。研究了接头在不同温度下（25℃～75℃）PZT阻抗与温度的关系，用螺栓松动模拟损伤的引发阶段，压电陶瓷片能够感应结构的变化。并设计了一种算法用来实现温度补偿功能，排除了环境温度的影响。Bhalla通过压电片研究了钢结构的初始损伤诊断，试验结果表明该方法能有效地检测到结构的初始缺陷。美国南卡罗来纳哥伦比亚大学（UniversityofSouthCarolinaColumbia）机械工程系的Giurgiutiu等采用阻抗法检测点焊接头的疲劳损伤，通过不同载荷下的疲劳试验表明，从阻抗谱中提取的损伤因子随疲劳裂纹的增加而增加。新加坡南洋理工大学（NanyangTechnologicalUniversity)的土木与环境工程学院（SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering）也在压电阻抗法方面做了大量的研究和试验，并介绍了其在土木结构的实际应用情况：Soh等人研究了PZT在钢筋混凝土桥损伤检测上的应用。桥全长约11米，宽1米，由两根长梁支撑混凝土面板组成，在关键部位贴有11片PZT。通过PZT的导电测试，粘结的PZT能感应到它所在位置附近的混凝土裂纹扩展情况，并对远处的裂纹不敏感。这一研究通过现场试验证明了PZT片用于钢筋混凝土结构损伤检测是可行的。范德比尔大学土木与环境工程系Tseng和Naidu认为阻抗法是一种有效的非参数结构损伤检测方法。在铝板上模拟三种破坏情况，PZT能感知这些损伤而不需要任何的模态参数。他们比较了四种基于损伤特征提取的统计方法的优劣。Tseng还用阻抗法检测混凝土由于环境侵害引起的材料性能变化。由于压电材料的强温度特性，部分学者考察了温度对阻抗法的影响，Woon通过试验观察了环境温度对结构动态特性和响应的影响；Krishnamurthy则从理论上分析了温度对压电片性能的影响，结果显示压电片介但是，目前阻抗法还只是一种定性的检测方法。这是因为诸多因素，如裂纹、锈蚀、孔洞等都会使结构的机械阻抗发生变化，对缺陷的种类、损伤程度等的识别也十分困难。在这方面，Park，Lopes等采用阻抗法结合应力波传播方法、阻抗法结合人工神经网络分析等在定量诊断方面作了一些探讨，其中后者通过试验验证能够较准确识别损伤程度和多处损伤，不足的地方是需要大量训练数据和计算。Tebaldi等将损伤识别看作是一个解不唯一的反问题，提出一个新的损伤识别方法：通过阻抗法先确定损伤的位置，再利用遗传算法计算损伤的大小和程度，并可识别多处损伤。另一条思路是：先用阻抗法大致确定缺陷情况，然后用其他的无损检测方法做进一步的分析，目前还无这类研究报道。国内在90年代后期开始了这方面的研究，南京航空航天大学、西安交通大学、重庆大学、东北大学、国防科技大学等院校研究所对对这种方法进行了试验研究。重庆大学的李以龙和东北大学的闻邦椿等人对简单结构的裂纹、螺栓松动、孔洞等健康状态进行了监测和诊断。西安交通大学的高峰等人以含不同裂纹尺寸的铝梁结构为例，通过试验分析该方法的有效性。重庆大学的以石荣、陈伟民等人为代表的智能材料研究组以柔性板为研究对象，在柔性板上布置压电片阵列来进行损伤监测，为以后太空柔性结构的健康监测奠定了良好的基础。南京航空航天大学的石立华等人将压电陶瓷片埋入复合材料结构表层，开发了外部控制和处理系统，构成能够实时完成损伤自诊断、自适应的智能结构。该结构一方面可对冲击、过载等可能造成损伤的原因进行监测，并诊断裂缝、连接松动等损伤的产生和位置，另一方面还可自适应地驱动结构中的压电驱动器，改善结构应力状态，防止损伤的扩展，在国内具有很大的影响。国防科技大学的熊先锋、杨光瑜等人提出了一种新的试验方法代替阻抗分析仪测量PZT的电阻抗，采用此方法对螺栓连接固定铝板的螺栓松动损伤进行了检测试验，结果表明该方法的可行性。武汉理工大学的孙明清等人对压电材料在土木工程结构损伤检测中的应用进行了综述。华中科技大学的王丹生等人进行了基于反共振频率和压电阻抗的结构损伤检测数值与试验研究并利用基于压电导纳的结构健康监测技术对钢框架结构进行了螺栓松动检测试验研究。从上面的综述可知，基于压电阻抗的健康监测技术从提出到现在已经有上十年，其研究领域主要集中在航空和机械工程，近年来在土木工程领域也开展了一定的研究，而且发展很快，但研究还不是十分的深入，特别是在混凝土结构健康监测方面还有待进一步的研究。此外，基于压电阻抗的结构健康监测技术离实际应用还有很大的距离，压电传感器的耐久性、温度依赖性、受环境湿度的影响等方面尽管已有一些研究，但仍然没有得到可靠的解决方案，还需要进一步研究。二、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案及主要措施2.1预计达到的目标本课题将研究基于压电阻抗法的封装压电传感器在结构损伤检测中的应用。阐述智能材料结构的基本概念以及压电智能结构的基本特点，推导出压电方程，分析压电片驱动响应，研究应用压电阻抗技术进行结构健康监测的基本原理和理论根据。通过预埋入封装压电片且人工制造线裂纹损伤的混凝土梁试验，使用阻抗分析仪测量混凝土梁在无损伤和不同损伤工况下的PZT压电导纳（阻抗）数据并绘制压电导纳频谱曲线图，识别出混凝土梁损伤的出现以及对损伤进行定位，证实封装压电传感器用于结构损伤检测的有效性。通过不同封装技术的研究以期探讨一种最合适的封装方法。2.2关键理论和技术智能材料结构是一种本身具有自诊断、自适应、自学习等功能的结构，传感器、驱动器和控制器是它的三个重要组成部分。PZT在智能材料结构中既可以作为传感器也可作为驱动器。压电材料具有正逆压电效应，因此压电方程中的应变或电位移既受力的影响也受电场的影响。压电元件的主要参数有压电常数、介电常数、弹性系数、介质损耗、机械品质因数、机电耦合系数及频率常数等，参数不同说明元件的性能就不同。机械系统本身的动力学特性（固有频率、振型、阻尼等），决定了系统受激振力后产生的响应。在结构机械阻抗测试中，首先应对测试对象施加某种预定要求的激振力，使它产生强迫振动或自由振动，同时测量激振力和被测对象的响应，得出他们的幅值和相位的频率响应函数。PZT驱动器的电导纳公式如下：从上式可清楚地看出，PZT驱动器的电导纳由两部分组成。第一项为自由PZT的电容导纳，是导纳随频率变化的基线；第二项包含了PZT材料自身的阻抗信息和外部结构的阻抗信息，表示PZT驱动器与结构相互作用对PZT电导纳的影响，即在电导纳－频率图中超出基线的部分。考虑当压电片粘贴于外部结构后，已确定了压电系统，PZT材料自身的阻抗ZA为常数，外部结构的阻抗值ZS则是唯一影响第二项的参数，从而控制压电系统全部导纳Y的变化。因此结构健康状况的破坏造成外部结构阻抗的变化，则可通过压电元件的导纳反映出来，也就是说如果机械结构因松动或有裂纹引起其机械阻抗ZS变化，则PZT沿z方向的耦合电导纳会发生变化。值得一提的是，不同的结构系统导出的PZT电导纳表达式都为以上形式，只是结构阻抗ZS的表示不同。同时，当结构阻抗ZS与压电片ZA匹配时（复共轭），压电导纳和端点位移将趋于无限，因此导纳峰值所对应的频率即为系统共振频率。压电阻抗法依赖于两个重要的物理原理：(1)PZT的机电耦合特性。使得结构一些难以直接测量的参数可以通过电量的方式反映出来；(2)弹性波的传播理论。对于粘结在结构表面的PZT片施加交流电场时，利用PZT的压电效应在结构表面产生机械波并传播到结构内部，当遇到结构阻抗发生变化的界面时，一部分机械波会反射到PZT驱动器或其他的传感器，另一部分机械波继续传播。结构的机械阻抗作为结构的一个重要参数，是结构质量、刚度、阻尼、边界条件等的函数，而反射到PZT的机械波作为结构内部信息的载体，将结构内部空洞、裂纹、缺陷、螺栓松动、支承条件等信息传送到PZT片来调制通过PZT的电流，从而改变PZT的电导纳。2.3技术指标本试验的技术指标就是不同频率段下的压电导纳实部和虚部值大小，并绘制导纳实部和虚部频谱曲线，根据曲线的偏移变化来确定梁的损伤。2.4完成课题的方案及主要措施本试验采用北京联邦时代电子科技有限公司生产的阻抗分析仪PV70A。该仪器是由清华大学和中国科学院声学所共同研制开发的，主要用于压电器件和设备的检测，是对压电器件和设备进行测量和分析的综合性解决方案，可以既快又方便地测试压电器件的参数特性。阻抗分析仪是根据超声设备生产过程中一些无法直观看到的，但对产品质量却有重要影响的技术指标，进行测量的一种可以取代进口仪器的一种设备。PZT采用武汉海创电子有限公司生产的接收型压电陶瓷PZT-5，尺寸为8mm×8mm×0.5mm。沥青漆防水剂采用武汉市湘潭建筑防水材料发展有限公司生产的海燕牌沥青漆。封装模具两个试验分别采用外径约为2cm、高度约为1cm的圆柱形一次性薄壁塑料模具和80mm×80mm×30mm硬纸板立方体模具。首先在PZT裸片两面各焊接一根引出导线，导线使用两芯屏蔽线；然后在PZT裸片表面涂一层均匀的沥青漆作防水处理；待PZT表面沥青漆风干后对其作水泥砂浆封装处理，将按水泥：砂为1：2的比例搅拌均匀的水泥砂浆填充到封装模具中，两个试验分别采用不同封装技术处理；待封装块有足够强度保护里面的PZT时，将PZT沿梁长五个不同部位预埋入混凝土梁，在梁模板侧面对应每个PZT处各穿孔一个以从梁里引出导线；然后浇注及养护素混凝土梁，两个试验混凝土分别采用人工拌制C25混凝土和C15商品混凝土；素混凝土梁养护28天后简支。为了模拟混凝土梁中裂纹损伤，用混凝土切割机沿梁长分别制作3条深度不断加深的裂纹，分为若干个工况，将PZT引出导线连接到阻抗分析仪，测量压电导纳；最后绘制导纳实部和虚部频谱曲线，根据曲线的偏移变化来确定梁的损伤。三、课题研究进展计划第一周至第三周：阅读相关文献，并翻译相关英文论文，探究实验原理，进行实验初步设计。第四周只第五周：准备实验材料、试验场地、实验仪器等。第六周至第九周：制作压电片，做防水处理，并进行封装，保持对压电片压电导纳的测量。第十周至第十三周：浇注混凝土梁并进行四周的养护，保持对埋入压电片压导纳的测量。第十四周周：切割素混凝土梁，测量梁在不同损伤工况下的压电导纳。第十五周：处理实验数据，撰写论文。四、主要参考文献[1]王丹生.基于反共振频率和压电阻抗的结构损伤检测.[博士学位论文].保存地点：华中科技大学.2006[2]王丹生，朱宏平，鲁晶晶等.基于压电导纳的钢框架螺栓松动检测.震动与冲击.2007[3]陶宝祺主编.智能材料结构.北京:国防工业出版社,1997[4]马治国,闻邦椿,颜云辉.智能结构的若干问题与进展.东北大学学报（自然科学版）,1998,5(2):513-516[5]杨大智主编.智能材料与智能系统.天津:天津大学出版社,2000[6]李传兵,廖昌荣,张玉璘等.压电智能结构的研究进展.压电与声光,2002,24(1):42-46[7]徐茂华.结构损伤检测PZT阻抗法的理论与试验研究,[硕士学位论文].保存地点：华中科技大学.2005[8]金柯.混凝土中压电传感器防水及封装技术.[硕士学位论文].保存地点：华中科技大学.2008[9]李杰.混凝土随机损伤本构关系[