[发明专利]基于压电振动机理和应力波的混凝土材料参数评估方法

说明书

本发明提供一种基于压电振动机理和应力波的混凝土材料参数评估方法，目的在于提供基于压电传感器机电转换机制和瑞利波、体波传播机理的混凝土动弹性模量和泊松比的测量方案，其包括基于压电激励器接收器振动机理的传感器布置方案的提出；激励信号中心频率、波形、传感器尺寸的优化；不同类型应力波动态特性参数与传播介质材料参数之间的物理模型在信号处理中的应用。相比于现有技术，本发明优势为：不再依赖于传统数理统计信号处理技术，具有更强的普适性；以清晰动力学物理模型为支撑，工程应用可靠性高；传感器放置方案基于压电振动机理理论研究，可有效提高信噪比；信号频率响应范围广、检测面积大、测量方案经济高效。

技术领域

本发明涉及混凝土无损检测领域，尤其涉及一种基于压电振动机理和应力波的混凝土材料参数评估方法。

背景技术

混凝土在建筑、桥梁、隧道、大坝等基建工程中是一种应用广泛的结构材料。然而不合理的养护条件、恶劣的服役环境通常会导致混凝土产生材料退化、结构损伤积累，影响其结构安全性和服役寿命，引发突发事故。因此，建立一套实时可靠的混凝土无损检测系统具有迫切的工程需求。弹性模量和泊松比是混凝土结构力学行为和服役性能的重要评估参数，国内外学者提出了一系列的动态评估系统、测量方法。

现有混凝土材料参数的测量方法通常可分为两大类：破坏性测试和无损检测。压缩试验是工程中常用的破坏性测试技术，但对于复杂的混凝土结构，此方法需要预制大量的标准立方体样本，而这些样本可能会在混凝土结构服役多年后因所处环境不同与实际结构本身性能产生较大差异；且工程中通常不希望从原始结构中提取用于破坏性测试的样品。另一类无损检测方法主要包括：声发射(Acoustic Emission,AE)、机电阻抗法(Electro-Mechanical Impedance,EMI)和波动法(Wave Propagation,WP)。然而，基于AE和EMI方法的试验和工程应用案例通常着重于建立基于数理统计方法的性能评估因子和损伤因子，由于缺乏物理模型的支持，试验结果的离散性通常较大，试验结果的规律探寻比较困难。因此，建立具有明确物理意义的基于波动法的混凝土材料性能评估方法，解决混凝土材料性能评估过程中信号处理依赖统计学、模型难以适用于不同工况的问题，具有重要学术意义和工程价值。

波动法通过在混凝土中传播的应力波的波速与弹性模量、泊松比的关系来评估混凝土的材料性能，应力波的激发工具主要有力锤和PZT。锤击法比较容易受环境噪声的干扰，且对操作者的技术和熟练程度要求较高。而PZT因为信号线性关系好、功耗低、可实时监测等优势，在混凝土结构健康监测中有更好的应用前景。基于PZT的现有混凝土无损检测技术往往忽略了传感器振动机理和应力波传播机理对检测结果的影响，应力波传播机理对建立应力波幅值等信息与待测对象物理缺陷和损伤的量化关系起着至关重要的作用，同时也是研究应力波衰减的关键参数，而对目标信号类型的选择往往依赖于应力波幅值等信息，但到目前为止，对于适合于一般情况的目标信号的选择还没有具体普适的解决方案或建议；另一方面，与传感器振动机理密切相关的应力波作用类型和传感器布置方案也是影响信号处理难易程度和检测效果的重要因素，而这方面研究也尚不成熟。

因此，提出一种系统的，传感器振动机理和应力波传播机理清晰的，基于内置式和表面粘贴式PZT的混凝土材料参数测量方法是很有必要的。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于压电振动机理和应力波的混凝土材料参数评估方法，提供基于压电传感器机电转换机制和瑞利波、体波传播机理的混凝土动弹性模量和泊松比的测量方案。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于压电振动机理和瑞利波的混凝土材料参数评估方法，包括步骤：

S1：根据对压电激励器和压电接收器的振动机理研究，确定压电传感器的布置方案，所述压电传感器包括所述压电激励器和所述压电接收器；若选纵波为目标信号，则无论所述压电激励器放置角度为0°还是90°，所述压电接收器的放置角度均应该为0°；若选剪切波为所述目标信号，则所述压电接收器的放置角度应与所述压电激励器一致，同为0°或90°；