压电阻抗技术在结构健康监测应用中的研究

汇报内容1.课题研究背景1.1研究目的和意义大量复杂工程、超高层等重大工程安全耐久性实时、在线、原位监测及早、准确发现安全隐患，降低并避免安全事故的发生目的1.课题研究背景1.2阻抗法基本原理PZT与本体结构机电耦合作用一维模型图1.课题研究背景1.2阻抗法基本原理PZT与本体结构机电耦合作用一维模型表达式2.传感器制备和测试频段、参数的选择2.1压电陶瓷的选择表1.几种智能材料的传感性能传感和驱动一体化功能2.1压电陶瓷的选择本研究所用压电陶瓷片既作为信号驱动器又作为信号传感器，为了在结构健康监测中充分发挥压电陶瓷的压电性能，并兼顾发射功率及传感敏感等因素，选取采用PZT-4陶瓷片。表2.实验所用主要原材料及其基本性能2.传感器制备和测试频段、参数的选择2.2压电传感器制备压电陶瓷传感器2.传感器制备和测试频段、参数的选择2.3测试系统阻抗测试系统2.传感器制备和测试频段、参数的选择2.4测试参数的选择测试参数ⅠZⅠ-θ：阻抗-相位角R-X：电阻-电抗G-B：电导-电纳2.传感器制备和测试频段、参数的选择2.5测试频段的选择050010001500200025003000350040000246810导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）050010001500200025003000350040000.01.53.04.56.07.5导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）可以看到在频段100-300kHz和频段1M-3MHz两个频段内，测试参数比较敏感。2.传感器制备和测试频段、参数的选择3.基于阻抗法不同形式构件损伤监测3.1立方体试块试验一立方体试块M1损伤状态3.基于阻抗法不同形式构件损伤监测3.1立方体试块试验损伤状态损伤深度H（mm）M1-0M1-2M1-3M1-4M1-50mm3mm6mm9mm12mm立方体试块M1的损伤状态描述3.基于阻抗法不同形式构件损伤监测3.1立方体试块试验1201501802102402703000.00.20.40.60.81.0导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）M1-0M1-11201501802102402703000.00.20.40.60.81.0导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）M1-0M1-21201501802102402703000.00.20.40.60.81.0导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）M1-0M1-31201501802102402703000.00.20.40.60.81.0导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）M1-0M1-4100-300kHz导纳图3.基于阻抗法不同形式构件损伤监测3.1立方体试块试验一1-3MHz导纳图50010001500200025003000012345678910导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）M1-0M1-150010001500200025003000012345678910导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）M1-0M1-250010001500200025003000012345678910导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）M1-0M1-350010001500200025003000012345678910导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）M1-0M1-43.基于阻抗法不同形式构件损伤监测3.1立方体试块试验二立方体试块M2的损伤状态3.基于阻抗法不同形式构件损伤监测3.1立方体试块试验二损伤状态损伤数目M2-0M2-1M2-2M2-3无损伤一处损伤两处损伤三处损伤立方体试块M2的损伤状态描述3.基于阻抗法不同形式构件损伤监测3.1立方体试块试验二1201501802102402703000.00.20.40.60.81.0导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）M2-0M2-11201501802102402703000.00.20.40.60.81.0导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）M2-0M2-21201501802102402703000.00.20.40.60.81.0M2-0M2-3导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）1201501802102402703000.00.20.40.60.81.0导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）M2-0M2-1M2-2M2-3100-300kHz导纳图3.基于阻抗法不同形式构件损伤监测3.1立方体试块试验二1-3MHz导纳图1.21.51.82.12.42.73.00246810导纳（1/ΩX10-3）频率（MHz）M2-0M2-11.21.51.82.12.42.73.00246810导纳（1/ΩX10-3）频率（MHz）M2-0M2-21.21.51.82.12.42.73.00246810导纳（1/ΩX10-3）频率（MHz）M2-0M2-31.21.51.82.12.42.73.00246810导纳（1/ΩX10-3）频率（MHz）M2-0M2-1M2-2M2-33.基于阻抗法不同形式构件损伤监测3.2圆柱体试块试验圆柱体试块制作和损伤状态3.基于阻抗法不同形式构件损伤监测3.2圆柱体试块试验圆柱体试块损伤状态描述3.基于阻抗法不同形式构件损伤监测3.2圆柱体试块试验1201501802102402703000.00.30.60.91.21.51.8导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）N1N21.21.51.82.12.42.73.0012345678导纳（1/ΩX10-3）频率（MHz）N1N2在频段100-300kHz损伤情形下在频段1-3MHz损伤情形下3.基于阻抗法不同形式构件损伤监测3.3本章小结1.构件出现损伤将会引导纳频谱曲线发生变化，曲线峰值发生改变；随着试件损伤程度的逐渐增大，频谱曲线峰值下降和偏移的趋势也随之增大。2.对结构构件的损伤监测，高频段对微小损伤相对更为敏感。3.压电阻抗法对不同形式的构件（立方体和圆柱体）进行损伤监测均有效；4.基于阻抗法混凝土梁损伤监测4.1距离对损伤判定的影响混凝土梁损伤位置和压电陶瓷片布置4.基于阻抗法混凝土梁损伤监测4.1距离对损伤判定的影响1.01.52.02.53.0012345678导纳（1/ΩX10-3）频率（MHz）S1S2S3在100-300kHz频率下导纳图在1-3MHz频率下导纳图1001502002503000.00.20.40.60.81.0导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）S1S2S34.基于阻抗法混凝土梁损伤监测4.2外置式和内埋式传感器对损伤判定的影响混凝土梁损伤位置和压电陶瓷片布置4.基于阻抗法混凝土梁损伤监测4.2外置式和内埋式传感器对损伤判定的影响120150180210240270300-0.010.000.010.020.030.040.05导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）T1-0T1-1T1-21.21.51.82.12.42.73.0-0.0050.0000.0050.0100.015导纳（1/ΩX10-3）频率（MHz）T1-0T1-1T1-2埋入式PZT在不同频段下的频谱曲线4.基于阻抗法混凝土梁损伤监测4.2外置式和内埋式传感器对损伤判定的影响外置式PZT在不同频段下的频谱曲线1201501802102402703000.00.20.40.60.81.0T2-0T2-1T2-2导纳（1/ΩX10-3）频率（kHz）1.21.51.82.12.42.73.00123456789T2-0T2-1T2-2导纳（1/ΩX10-3）频率（MHz）4.基于阻抗法混凝土梁损伤监测4.2外置式和内埋式传感器对损伤判定的影响损伤状态（T2）损伤深度H（mm）T2-0T2-1T2-2T2-3无损伤一处损伤两处损伤三处损伤损伤状态（T1）损伤深度H（mm）T1-0T1-1T1-2T1-3无损伤一处损伤两处损伤三处损伤混凝土梁损伤状态描述5.结论1.压电阻抗法对不同形式的构件（立方体和圆柱体）进行损伤监测均有效；2.损伤与压电陶瓷片的距离不同，所得到的频谱曲线也明显不同，大致呈反比的关系；3.与植入式压电陶瓷片相比，表面粘贴式压电陶瓷传感器对结构构件的表面损伤表现的更为敏感。汇报完毕衷心感谢各位老师！请各位老师批评指正！