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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 石基壓電智能骨料
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品為壓電陶瓷和大理石材料復(fù)合的智能骨料，可用于混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)，感知結(jié)構(gòu)材料實(shí)際受力狀況并用于評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的損傷。 本作品可用于量大面廣的土木工程混凝土結(jié)構(gòu)中，它具有感知結(jié)構(gòu)受力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的雙重功能，有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。
- 詳細(xì)介紹：
- 1.0大理石基壓電智能骨料 壓電陶瓷（Lead Ziroconate Titanate ,PZT）材料由于具有響應(yīng)速度快，線性關(guān)系好，能耗低，頻率響應(yīng)范圍寬，造價(jià)低廉且易加工等優(yōu)點(diǎn)，目前在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已成為廣泛研究和應(yīng)用的材料之一。在此背景條件下，本發(fā)明基于建筑結(jié)構(gòu)地震損傷機(jī)制研究需求，采用壓電陶瓷材料研發(fā)了適用于混凝土建筑結(jié)構(gòu)的埋入式壓電智能骨料傳感器，并且基于該智能骨料搭建了一整套壓電測(cè)試系統(tǒng)。 我們提出了采用大理石材料作為機(jī)敏材料的基體。大理石基智能骨料可以替代混凝土里面的一顆粗骨料而不影響結(jié)構(gòu)本身的性質(zhì)，而且可根據(jù)實(shí)際選用的骨料材質(zhì)選擇相應(yīng)的基體。 本發(fā)明中所用大理石材料的彈性模量為55GPa，與混凝土中粗骨料的彈性模量較為接近。圖1-1為石基智能骨料，該骨料尺寸為 。 圖 1-1 石基智能骨料 1.1大理石基智能骨料原理分析 石基智能骨料在制作過程中，采用環(huán)氧樹脂膠作為封裝壓電陶瓷片以及粘結(jié)大理石基體的材料，封裝之后在兩基體之間會(huì)有一定厚度的封裝層。在這個(gè)封裝層中，由于其局部與壓電陶瓷片復(fù)合，因此環(huán)氧樹脂膠層各處的厚度并不相等。環(huán)氧樹脂、壓電陶瓷片、大理石基體各材料屬性也不相同，這必將影響到力在智能骨料中的傳遞，繼而影響功能體（壓電陶瓷片）的真實(shí)受力。而楊曉明等人則忽略了環(huán)氧樹脂封裝層的影響，認(rèn)為環(huán)氧樹脂封裝層可以均勻的將力傳給壓電陶瓷片。因此，本節(jié)將從理論出發(fā)，對(duì)壓電智能骨料進(jìn)行受力分析。圖1-2表示石基壓電智能骨料的傳力原理圖。 圖 1-2 大理石基壓電智能骨料原理圖 在圖1-2中，本文將環(huán)氧樹脂封裝層剛度看成是由三種屬性材料剛度組成：封裝層中，無壓電陶瓷片處的環(huán)氧樹脂層，其剛度設(shè)為 ；壓電陶瓷片上下表面位置處的環(huán)氧樹脂層，其剛度設(shè)為 ；封裝層中的壓電陶瓷片，其剛度設(shè)為 。本節(jié)中， 表示環(huán)氧樹脂的彈性模量； 表示壓電陶瓷的彈性模量； 表示壓電智能骨料的截面面積； 表示壓電陶瓷片的截面面積，則各材料的剛度為： 、 、 。假設(shè)石基智能骨料在垂直方向的受力為 ，則該力將由環(huán)氧樹脂封裝層來承擔(dān)，然后將一部分力傳遞給壓電陶瓷片。其中 為封裝層中，無壓電陶瓷片處的環(huán)氧樹脂層承擔(dān)的受力， 為壓電陶瓷片上下表面位置處的環(huán)氧樹脂層承擔(dān)的受力，該力將完全傳遞給壓電陶瓷片。其表達(dá)式如式（1-1）所示。 （1-1） 式中， 表示無壓電陶瓷片處環(huán)氧樹脂封裝層變形量； 表示壓電陶瓷片上下表面位置處的環(huán)氧樹脂層的變形量； 表示封裝層中，無壓電陶瓷片處的環(huán)氧樹脂層厚度； 表示壓電陶瓷片上下表面位置處的環(huán)氧樹脂層厚度。由于壓電陶瓷片的彈性模量遠(yuǎn)大于環(huán)氧樹脂的彈性模量，且根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，本文假設(shè)，壓電陶瓷片的變形忽略不計(jì)，無壓電陶瓷片處環(huán)氧樹脂封裝層變形量 等于壓電陶瓷片上下表面位置處的環(huán)氧樹脂層的變形量 。則壓電陶瓷片分擔(dān)的力與骨料承擔(dān)的受力關(guān)系如式（1-2）所示。 （1-2） 假設(shè)， , ，則帶入到式（1-2）中，則： 。如果，取壓電陶瓷片的壓電常數(shù) ，電容 ,則壓電智能骨料輸出的靈敏度系數(shù)為： 1.2大理石基智能骨料制作流程 為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化制作流程，減少在制作過程中引入的缺陷，本節(jié)還是采用保定宏聲公司的P-5H壓電陶瓷片，并且只將一片壓電陶瓷片復(fù)合到尺寸為25mm*25mm*25mm的立方體大理石基體中。由于粘結(jié)材料不僅需要具有防水功能，而且還要起到壓電陶瓷與大理石基體之間的應(yīng)力傳遞的過渡作用；試驗(yàn)中，為了減少應(yīng)力傳遞的誤差，粘結(jié)層的厚度應(yīng)當(dāng)越薄越好，這就要求該粘結(jié)材料具有較高的流動(dòng)性。綜合考慮各種因素，本文選用環(huán)氧樹脂膠作為封裝材料。該材料硬化后具有很高的強(qiáng)度和很高的防水性，硬化前具有較高的流動(dòng)性，因此能夠滿足強(qiáng)度相容要求，同時(shí)它也能保證壓電陶瓷片避免混凝土內(nèi)部的高濕高堿性環(huán)境對(duì)其的腐蝕損害。 石基壓電智能骨料的具體做法是： （1）使用丙酮將壓電陶瓷片的表面清潔干凈，以確保壓電片具有良好的電荷傳輸能力，靜置以待其自然干燥后進(jìn)行導(dǎo)線的焊接，為了保證焊接點(diǎn)盡可能的小和平整，焊接中，使用了少量的焊錫膏助焊，以提高焊接質(zhì)量，同時(shí)，為減小環(huán)境噪聲對(duì)信號(hào)采集的不利影響，本文選用帶屏蔽線的電纜作導(dǎo)線。 （2）使用環(huán)氧樹脂作為防水層對(duì)焊接好的壓電陶瓷片進(jìn)行封裝，在保證其密封性的前提下，應(yīng)使防水層盡可能薄。 （3）將環(huán)氧樹脂攪拌均勻后作為粘結(jié)劑涂在大理石基體上（圖2-37表示大理石基體），然后將表面涂過環(huán)氧樹脂的壓電陶瓷片置于兩塊大理石基體塊中間，復(fù)合成為一個(gè)整體，靜置待粘結(jié)劑達(dá)到一定強(qiáng)度后，即制作完成了壓電陶瓷智能骨料，如圖2-38所示的大理石基壓電智能骨料。 圖1-3大理石基體 1.3大理石基壓電智能骨料的基本性能測(cè)試 大理石基壓電陶瓷智能骨料制作完成以后，如圖2-38所示，在數(shù)字式電液侍服試驗(yàn)機(jī)（MTS）上對(duì)其進(jìn)行頻率獨(dú)立性，線性度等基本性能測(cè)試。圖2-39表示該試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)。 圖1-4大理石基壓電陶瓷傳感器 圖1-5大理石基壓電傳感器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置 1.4大理石基壓電智能骨料的頻率獨(dú)立性測(cè)試 頻率獨(dú)立性是衡量壓電陶瓷智能骨料動(dòng)態(tài)響應(yīng)的重要指標(biāo)之一?？紤]到土木工程結(jié)構(gòu)的頻率范圍主要集中在0.1Hz-40Hz之間，常用的頻率范圍在0.1Hz-10Hz。因此，本實(shí)驗(yàn)采用頻率分別為：0.05Hz，0.1 Hz，0.2 Hz，0.5 Hz，1 Hz，2 Hz，5 Hz的掃頻正弦波來進(jìn)行加載測(cè)試。測(cè)試時(shí)，預(yù)壓2kN,應(yīng)力水平為3.2MPa，每種頻率循環(huán)加載五個(gè)周期。圖1-6表示MTS輸出的加載曲線。 圖1-6 模擬掃描加載曲線 由圖1-7、1-8可以看出，大理石基壓電陶瓷智能骨料的的頻率下限為0.5 Hz。當(dāng)輸入荷載的頻率大于0.5 Hz時(shí)，智能骨料輸出的電壓信號(hào)的幅值不隨荷載頻率的增加而發(fā)生變化，表現(xiàn)出很好的頻率獨(dú)立性；當(dāng)輸入荷載的頻率小于0.5Hz時(shí)，輸出電壓信號(hào)的幅值隨著頻率的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由于電荷放大器不能提供比壓電陶瓷傳感器內(nèi)阻更大的阻抗值，使得在低頻荷載作用下壓電陶瓷傳感器的電荷不能很好的保持，從而導(dǎo)致輸出幅值較小。 圖1-7壓電陶瓷傳感器在模擬掃頻信號(hào)加載條件下的輸入輸出信號(hào)曲線 圖1-8壓電陶瓷傳感器在模擬掃頻信號(hào)加載條件下的輸入輸出信號(hào)曲線 通過對(duì)圖1-6、1-7中MTS輸入的荷載信號(hào)曲線與智能骨料輸出的信號(hào)曲線進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出智能骨料輸出信號(hào)的幅值以及相位隨模擬掃頻荷載作用變化的關(guān)系，如圖1-9所示。從圖中可以看出，在低頻0.05Hz，0.1 Hz，0.2 Hz動(dòng)荷載作用下，其輸出幅值小于其他頻率動(dòng)荷載作用下的輸出幅值，出現(xiàn)這種情況的原因可能是由于電荷放大器不能提供比智能骨料內(nèi)阻更大的阻值，使得在低頻荷載作用下壓電智能骨料產(chǎn)生的電荷不能很好地保持，因而，輸出幅值較小。從圖中壓電智能骨料在模擬掃頻加載條件下相位差的變化曲線中可以看出，隨著荷載頻率的增加，相位差逐漸減小，當(dāng)荷載頻率達(dá)到0.5Hz時(shí)，相位差接近于零，當(dāng)荷載頻率達(dá)到10Hz時(shí)，相位差幾乎為零。這說明當(dāng)輸入荷載的頻率大于0.5Hz時(shí)，該智能骨料的響應(yīng)同輸入荷載基本同步，不存在滯后現(xiàn)象。 圖1-9 壓電智能骨料輸出信號(hào)的幅值和相位隨荷載變化的關(guān)系 1.5大理石基壓電陶瓷骨料的線性測(cè)試 本文主要采用液壓伺服萬能試驗(yàn)機(jī)（MTS-810，MTS公司）對(duì)大理石基壓電陶瓷智能骨料施加簡(jiǎn)諧荷載，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)如圖1-10所示，電荷放大器選用秦皇島橫科公司開發(fā)的HK9301電荷放大器，原理見圖1-11所示。 圖1-10 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng) 圖1-11 電荷放大器內(nèi)部原理圖 試驗(yàn)中，本文主要是對(duì)大理石基壓電陶瓷智能骨料的輸出電壓與荷載幅值間的關(guān)系進(jìn)行校準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)共使用了三個(gè)壓電智能骨料，編號(hào)分別為：SA1、SA2、SA3。在施加動(dòng)荷載之前，首先對(duì)智能骨料施加27MPa的預(yù)壓應(yīng)力，持荷30分鐘，以使壓電陶瓷片能夠充分的極化，同時(shí)也可以使封裝材料內(nèi)部的空隙等缺陷閉合，以利于壓應(yīng)力在智能骨料中的傳遞和均勻分布。本實(shí)驗(yàn)采用掃幅加載模式，以保證輸入荷載的幅值與智能骨料輸出電壓幅值間的關(guān)系。由于一般混凝土建筑物結(jié)構(gòu)的基本頻率大約為3Hz,在此條件下，地震荷載作用將被建筑結(jié)構(gòu)放大到最大程度，因此智能骨料在此頻率條件下的標(biāo)定顯得尤為重要。因此，在簡(jiǎn)諧波加載過程中，本文將施加荷載的頻率固定不變，始終保持在3Hz,施加荷載的幅值從3MPa變化到40MPa。在抗壓強(qiáng)度測(cè)試試驗(yàn)中，施加在骨料上的最大應(yīng)力達(dá)到了47MPa，說明該骨料能夠達(dá)到一般混凝土的抗壓強(qiáng)度水平。圖1-12表示MTS輸入的簡(jiǎn)諧荷載曲線和壓電智能骨料輸出的電壓信號(hào)曲線。 圖1-12 對(duì)SA1施加的簡(jiǎn)諧荷載和電壓輸出曲線 從圖1-12可以看出，當(dāng)輸入荷載為簡(jiǎn)諧荷載時(shí)，大理石基壓電智能骨料輸出的電壓信號(hào)也為簡(jiǎn)諧信號(hào)；對(duì)應(yīng)于各級(jí)荷載的加載曲線，智能骨料的輸出也呈現(xiàn)出良好的線性增長(zhǎng)關(guān)系。 圖1-13表示大理石基壓電陶瓷智能骨料SA1、SA2、SA3在幅值掃描荷載下輸出的電壓信號(hào)幅值同輸入荷載幅值間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，雖然各壓電智能骨料實(shí)驗(yàn)擬合直線的斜率并不相同，但是各骨料的輸出電壓幅值與輸入荷載幅值之間存在明顯的線性關(guān)系；同時(shí)，從圖中可以看出，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到40MPa時(shí)，傳感器仍然是有效的，這也說明當(dāng)一般混凝土被壓碎時(shí)，大理石基壓電陶瓷智能骨料依然可以正常工作，而沒有被壓碎。 圖1-13 輸入荷載與輸出電壓信號(hào)間的關(guān)系曲 本文中將智能骨料在幅值掃描荷載下輸出的電壓信號(hào)幅值同輸入的荷載幅值間的關(guān)系曲線的斜率定義為骨料的靈敏度，以計(jì)算施加在智能骨料上的荷載的變化值。經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，本文得出SA1、SA2、SA3智能骨料的靈敏度分別為：0.163v/MPa,0.146v/MPa,0.137v/MPa。從上述數(shù)值中可以看出，三枚智能骨料盡管基體和功能體型號(hào)一樣，但是各骨料的靈敏度卻各不相同。骨料SA1的靈敏度最大，骨料SA3的靈敏度最小，最大值比最小值大了近百分之十九。出現(xiàn)這種情況的原因可能是：封裝壓電陶瓷片的大理石基體是人工切割制作的，表面并不平整，經(jīng)用環(huán)氧樹脂與壓電陶瓷片復(fù)合在一起后，由于環(huán)氧樹脂涂抹不均勻等最終導(dǎo)致大理石基壓電陶瓷智能骨料荷載方向的上下表面、壓電陶瓷片與大理石基上下表面并不嚴(yán)格平行，進(jìn)而導(dǎo)致功能體局部受力不同；同時(shí)基體材料上下表面面積也不完全相等，從而使傳力面積也不相等，傳力路徑也相應(yīng)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致骨料的靈敏度有所差別。表1-1表示各壓電智能骨料的輸入荷載與輸出電壓間的線性關(guān)系函數(shù)。 表1-1輸入荷載與輸出電壓間的線性關(guān)系 種類 Y=kx+b R2 SA1 0.163x-0.6037 0.9964 SA2 0.1459x-0.4474 0.9966 SA3 0.137x-0.4802 0.9924 從表1-1中可以看出，各壓電智能骨料的靈敏度最小的為0.137V/MPa，最大的為0.163V/MPa，通過線性擬合，SA1、SA2、SA3壓電智能骨料有極好的線性相關(guān)度，最大的達(dá)到了99.66%，最小的也達(dá)到了99.24%。 1.6外電場(chǎng)對(duì)大理石基壓電智能骨料的影響 壓電智能骨料作為一種傳感器，外界電場(chǎng)對(duì)其性能的影響也是其必須考慮的因素。由于目前混凝土結(jié)構(gòu)種類多樣，所處電磁環(huán)境復(fù)雜，因此，要想使壓電智能骨料從結(jié)構(gòu)中輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào)真實(shí)可信，壓電智能骨料的抗電磁干擾能力也是其一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。 為了驗(yàn)證外界電場(chǎng)對(duì)壓電智能骨料的影響程度，本文在干燥的實(shí)驗(yàn)室中特意用一件經(jīng)摩擦后帶電的化學(xué)纖維布料靠近大理石基壓電智能骨料，以此來制造骨料周邊的電場(chǎng)。為了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本文特設(shè)計(jì)了一個(gè)用銅盒封裝屏蔽的壓電陶瓷傳感器，一同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1-14、1-15所示，1-14為實(shí)驗(yàn)示意圖，1-15表示各種骨料在相同的電場(chǎng)條件下，傳感器輸出的電壓信號(hào)曲線，紅線表示大理石基壓電智能骨料的反應(yīng)信號(hào)曲線，藍(lán)色的為經(jīng)過屏蔽處理的壓電陶瓷傳感器輸出的信號(hào)曲線。 圖1-14外界電場(chǎng)對(duì)傳感器的影響實(shí)驗(yàn) 圖1-15外界電場(chǎng)對(duì)傳感器的影響（紅——沒有做屏蔽的傳感器） 由圖1-15中各傳感器輸出的電壓信號(hào)曲線可以看出，當(dāng)把帶電布料靠近傳感器時(shí)，未做屏蔽的壓電智能骨料對(duì)外界電場(chǎng)的反應(yīng)比較敏感，輸出明顯的信號(hào)曲線，在外電場(chǎng)作用下，智能骨料產(chǎn)生的電壓大概為0.015伏左右；經(jīng)過屏蔽處理的壓電陶瓷傳感器輸出信號(hào)基本上沒有變化。由于經(jīng)摩擦后的帶電纖維布制造的電場(chǎng)強(qiáng)度不會(huì)很大，但是智能骨料卻產(chǎn)生了0.015伏左右的電壓變化。因此，外加電場(chǎng)對(duì)壓電智能骨料有一定的影響。當(dāng)骨料在混凝土結(jié)構(gòu)中進(jìn)行內(nèi)部應(yīng)力測(cè)量時(shí)，必須對(duì)智能骨料中的壓電陶瓷片進(jìn)行屏蔽處理，以盡量減小外加電場(chǎng)對(duì)智能骨料的干擾。 1.7不同預(yù)壓力對(duì)壓電智能骨料靈敏度的影響 (1)荷載工況設(shè)計(jì) 為研究初始應(yīng)力對(duì)壓電陶瓷片（PZT）智能骨料的壓電常數(shù)的影響，本論文設(shè)計(jì)了五種工況（見表1-2）來對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。每種工況的初始荷載水平分別為3KN、6KN、9KN、12KN和15KN，對(duì)應(yīng)骨料內(nèi)部應(yīng)力水平分別為：4.80MPa、9.60MPa、14.40MPa、19.20MPa、24.0MPa。所施加荷載為余弦荷載，荷載頻率為3Hz,每級(jí)荷載水平循環(huán)次數(shù)為5次，荷載幅值分別為0.2~1.4KN，相鄰級(jí)別應(yīng)力幅值的增量為0.2KN，每級(jí)荷載持荷10分鐘，采樣率為100Hz。圖1-16為五種工況的加載曲線示意圖，圖1-17表示初始荷載為3KN條件下的加載曲線，圖1-18表示在五種工況條件下，壓電智能骨料輸出的電壓信號(hào)曲線。 表1-2 不同預(yù)加載實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工況 工況 初始荷載(KN) 荷載設(shè)計(jì)曲線（KN） 1 3 幅值 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 峰值 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 谷值 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 2 6 幅值 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 峰值 6.2 6.4 6.6 6.8 7.0 7.2 7.4 谷值 5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 3 9 幅值 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 峰值 9.2 9.4 9.6 9.8 10.0 10.2 10.4 谷值 8.8 8.6 8.4 8.2 8.0 7.8 7.6 4 12 幅值 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 峰值 12.2 12.4 12.6 12.8 13.0 13.2 13.4 谷值 11.8 11.6 11.4 11.2 11.0 10.8 10.6 5 15 幅值 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 峰值 15.2 15.4 15.6 15.8 16.0 16.2 16.4 谷值 14.8 14.6 14.4 14.2 14.0 13.8 13.6 圖1-16 各工況加載曲線示意圖 圖1-17 3KN預(yù)加載條件下的加載曲線（圖1-16中加載曲線中局部放大圖） 圖1-18 壓電智能骨料輸出電壓曲線 (2)試驗(yàn)結(jié)果分析 采用MTS加載系統(tǒng)對(duì)本文設(shè)計(jì)的壓電智能骨料進(jìn)行加載試驗(yàn)，如圖1-19所示。壓電智能骨料數(shù)目3個(gè)，命名分別為SA1、SA2和SA3，設(shè)計(jì)參數(shù)完全相同。圖1-18為壓電智能骨料SA1 在工況1條件下輸出的電壓隨時(shí)間變化曲線，該工況初始荷載水平為3KN，加載級(jí)數(shù)為5級(jí)，最大應(yīng)力水平為7.04MPa。通過對(duì)其荷載電壓變化曲線的分析可知，該智能骨料的輸出電壓可以很好地反映結(jié)構(gòu)上荷載的變化，圖1-20表示SA1在3KN預(yù)壓荷載條件下的力-電關(guān)系曲線。圖1-21為SA1智能骨料在各個(gè)初始應(yīng)力及荷載級(jí)別下的力——電關(guān)系，經(jīng)試驗(yàn)可知，SA2和SA3在各個(gè)初始應(yīng)力及荷載級(jí)別下的力——電關(guān)系基本上也相同。由此可知各個(gè)智能骨料都具有良好的力電線性和重復(fù)性，在工作應(yīng)力范圍內(nèi)，壓電常數(shù)不受初始應(yīng)力水平影響。 圖 1-19 智能骨料加載裝置 圖1-20 SA1在3KN預(yù)壓荷載條件下的力—電關(guān)系曲線 圖1-21 SA1在各個(gè)初始應(yīng)力及荷載級(jí)別下的力—電關(guān)系 表1-3為壓電智能骨料的靈敏度。通過表1-3可以看出本文設(shè)計(jì)的石基壓電智能骨料在不同的初始應(yīng)力條件下的靈敏度有所不同，隨著初始應(yīng)力的增大，各壓電智能骨料的靈敏度有隨之逐漸減小的趨勢(shì)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知，隨著預(yù)壓荷載從3KN變化到12KN，SA1的靈敏度系數(shù)變化大約為1.5%, SA2的靈敏度系數(shù)變化大約為3.1%, SA3的靈敏度系數(shù)變化了大約為3.2%。從工程角度考慮，這些變化可以忽略，因此，本文假設(shè)，在不同的初始應(yīng)力條件下，相同型號(hào)的壓電智能骨料的靈敏度相同。同時(shí)，各壓電智能骨料的靈敏度基本保持不變，這也說明本文所采用的壓電陶瓷片與石材復(fù)合的工藝是穩(wěn)定可靠的。 表1-3 各壓電智能骨料在不同初始應(yīng)力下的靈敏度 預(yù)加載水平（KN） 預(yù)加載應(yīng)力（MPa） SA1 SA2 SA3 3 4.8 1.000 1.000 1.000 6 9.6 0.995 0.996 0.997 9 14.4 0.992 0.992 0.990 12 19.2 0.985 0.980 0.986 15 24.0 0.972 0.969 0.968 圖 1-22表示，在不同的初始應(yīng)力條件下，SA1、SA2和SA3的靈敏度隨著初始應(yīng)力的變化曲線。從圖中可以看出，在相同的初始應(yīng)力條件下，SA1、SA2和SA3的靈敏度基本上相同；隨著初始應(yīng)力的增大，各骨料的靈敏度都有減小的趨勢(shì)，但變化不大。 圖1-22 各壓電智能骨料靈敏度隨初始應(yīng)力的變化曲線 本節(jié)中，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同的預(yù)壓力對(duì)壓電智能骨料的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明3個(gè)智能骨料在各個(gè)初始應(yīng)力及荷載級(jí)別下的力—電關(guān)系曲線都具有良好的線性和重復(fù)性，在工作應(yīng)力范圍內(nèi)，雖然各骨料的靈敏度隨著應(yīng)力的增大而有減小的趨勢(shì)，但是變化并不大，因此，本文假設(shè)壓電智能骨料的壓電常數(shù)不受初始應(yīng)力水平的影響。因此，對(duì)于初始要承受一定荷載的嵌入式傳感器而言，選用壓電陶瓷片作為功能體是一個(gè)可行的選擇。 1.8不同預(yù)壓時(shí)間對(duì)壓電智能骨料靈敏度的影響 在上一節(jié)中，我們通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同的預(yù)壓力對(duì)壓電智能骨料靈敏度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在壓電智能骨料的工作應(yīng)力范圍內(nèi)，其壓電常數(shù)變化幅度不大，可以認(rèn)為其不受初始應(yīng)力水平的影響，這為壓電智能骨料埋入到混凝土結(jié)構(gòu)的不同位置處以及不同的應(yīng)力環(huán)境中，仍能有效的對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)提供了保證。但是，由于將壓電智能骨料埋入到結(jié)構(gòu)中以后，不同的預(yù)加應(yīng)力在骨料上持荷相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，甚至伴隨骨料整個(gè)生命周期。因此，在長(zhǎng)期的預(yù)壓條件下，壓電智能骨料的靈敏度以及壓電常數(shù)是否會(huì)發(fā)生變化將直接影響著該壓電智能骨料所監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。 在本節(jié)中，將對(duì)幾組相同型號(hào)的壓電智能骨料進(jìn)行預(yù)壓實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以檢驗(yàn)在相同的荷載水平下，不同的預(yù)壓時(shí)間對(duì)骨料壓電常數(shù)的影響。 1．9預(yù)壓時(shí)間對(duì)靈敏度的影響測(cè)試實(shí)驗(yàn) 在此次試驗(yàn)中，壓電智能骨料數(shù)目3個(gè)，命名分別為SA21、SA22和SA23，設(shè)計(jì)參數(shù)完全相同。圖1-23為在設(shè)計(jì)工況條件下MTS輸入的荷載隨時(shí)間的變化曲線。該工況所施加荷載為余弦荷載，初始荷載水平都定為3KN，荷載頻率為3Hz,在每級(jí)荷載水平循環(huán)次數(shù)為5次，荷載幅值分別為0.2~1.4KN，相鄰級(jí)別應(yīng)力幅值的增量為0.2KN，每級(jí)荷載分別持荷0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、15.0、30.0分鐘，采樣率為100Hz 。圖1-24表示在設(shè)計(jì)工況條件下，壓電智能骨料輸出的電壓信號(hào)曲線。 圖1-23 MTS加載曲線 圖1-24 壓電智能骨料輸出的電壓信號(hào)曲線 表1-4為壓電智能骨料SA21、SA22在相同的預(yù)應(yīng)力、不同的持荷時(shí)間下的靈敏度。通過表1-4可以看出本文設(shè)計(jì)的石基壓電智能骨料在相同的初始應(yīng)力、不同的持荷時(shí)間條件下的靈敏度有所不同，隨著持荷時(shí)間的增大，各壓電智能骨料的靈敏度有隨之逐漸減小的趨勢(shì)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知，在相同的預(yù)加載條件下，隨著持荷時(shí)間從0.5min變化到30min，SA21的靈敏度系數(shù)變化大約為5.0%, SA22的靈敏度系數(shù)變化大約為6.0%,并且隨著持荷時(shí)間的延長(zhǎng)，壓電智能骨料的靈敏度系數(shù)變化越來越慢，最終趨向于一個(gè)恒定值。從工程角度考慮，這些變化可以忽略，因此，本文假設(shè)，在不同的持荷時(shí)間條件下，當(dāng)持荷時(shí)間大于十五分鐘以后，相同型號(hào)的壓電智能骨料的靈敏度相同，保持不變。 表1-4 各壓電智能骨料在不同持荷時(shí)間下的靈敏度 加載水平 (KN) 持荷時(shí)間 （min) SA21 (V/KN) SA22 (V/KN) 9 0.5 1.1097 1.082 1 1.0852 1.0546 2 1.0699 1.0368 5 1.0617 1.0263 10 1.0647 1.0281 15 1.0553 1.0188 30 1.0542 1.0164 圖 1-25表示，在相同的預(yù)載水平，不同的持荷時(shí)間條件下，SA21和SA22的靈敏度隨著持荷時(shí)間的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，在相同的初始應(yīng)力，不同的持荷時(shí)間條件下，SA21、SA22靈敏度基本上相同；隨著持荷時(shí)間的增大，各骨料的靈敏度都有減小的趨勢(shì)，但變化不大，并且在持荷十五分鐘以后，各骨料的靈敏度趨向于一個(gè)恒定值，不再發(fā)生較大的變化。 圖1-25 各壓電智能骨料靈敏度隨持荷時(shí)間的變化曲線
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設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1．本科技發(fā)明的設(shè)計(jì)思路 壓電陶瓷（Lead Ziroconate Titanate ,PZT）材料由于具有響應(yīng)速度快，線性關(guān)系好，能耗低，頻率響應(yīng)范圍寬，造價(jià)低廉且易加工等優(yōu)點(diǎn)，目前在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已成為廣泛研究和應(yīng)用的材料之一。在此背景條件下，本發(fā)明基于建筑結(jié)構(gòu)地震損傷機(jī)制研究需求，采用壓電陶瓷材料研發(fā)了適用于混凝土建筑結(jié)構(gòu)的埋入式壓電智能骨料傳感器，并且基于該智能骨料搭建了一整套壓電測(cè)試系統(tǒng)。 我們提出了采用大理石材料作為機(jī)敏材料的基體。大理石基智能骨料可以替代混凝土里面的一顆粗骨料而不影響結(jié)構(gòu)本身的性質(zhì)，而且可根據(jù)實(shí)際選用的骨料材質(zhì)選擇相應(yīng)的基體。 2．本科技發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn) 1、根據(jù)自身需要，基于自身?xiàng)l件，開發(fā)出大理石基壓電陶瓷智能骨料，并且結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件開發(fā)出一整套壓電測(cè)試傳感系統(tǒng)。2.在地震損傷過程中可以利用該壓電智能骨料采用被動(dòng)監(jiān)測(cè)方式獲取結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵位置的應(yīng)力時(shí)程。3.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在平時(shí)及地震過程中處于被動(dòng)監(jiān)測(cè)模式，耗能少。4.本智能骨料采用大理石進(jìn)行封裝，能夠當(dāng)做一般粗骨料埋入混凝土結(jié)構(gòu)中，并對(duì)結(jié)構(gòu)影響不大，不會(huì)造成薄弱連接界面，易于在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 近年來多次發(fā)生的近場(chǎng)強(qiáng)地震造成了建筑結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重的破壞，許多新的震害現(xiàn)象還無法從現(xiàn)有的理論中得到很好的解釋對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)震觀測(cè)是了解結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理的重要手段，因?yàn)閺?qiáng)震反應(yīng)資料一旦取得，就相當(dāng)于進(jìn)行了一次原型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。由于建筑結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，基于加速度的整體監(jiān)測(cè)信息難以反映結(jié)構(gòu)局部損傷機(jī)制，只有結(jié)合局部損傷信息，才能夠有效分析結(jié)構(gòu)從材料、構(gòu)件到結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)等不同尺度下的損傷破壞動(dòng)力學(xué)行為，揭示結(jié)構(gòu)破壞的動(dòng)力損傷演化機(jī)理。 由于鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)體量巨大、結(jié)構(gòu)地震損傷位置不確定性以及地震發(fā)生的不確定性等原因，要求地震損傷監(jiān)測(cè)傳感器具有耐久、分布式測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量、性能可靠和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。盡管目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于土木工程健康監(jiān)測(cè)研究很多，尚無有效的地震損傷監(jiān)測(cè)手段。本發(fā)明在埋入到結(jié)構(gòu)中以后，你能夠較為準(zhǔn)確的測(cè)量出鋼混結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的內(nèi)部應(yīng)力情況，它對(duì)揭示結(jié)構(gòu)破壞的動(dòng)力損傷演化機(jī)理具有重要意義。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年5月于大連理工大學(xué)教務(wù)處關(guān)于大學(xué)生創(chuàng)新試驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)收?qǐng)?bào)告
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 希望委托廠家生產(chǎn)推廣
作品可展示的形式
- 實(shí)物展示，現(xiàn)場(chǎng)操作
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說明：該作品只要在混凝土澆筑時(shí)，將其埋入到混凝土結(jié)構(gòu)中，根據(jù)具體的需要，適當(dāng)調(diào)整其在結(jié)構(gòu)中的位置；當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，將其與數(shù)據(jù)采集設(shè)備、電荷放大器連接即可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 該發(fā)明特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)是：1.與結(jié)構(gòu)相容性好；2.可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)；3.靈敏度搞；4.價(jià)格低廉。 他可以用于量大面廣的土木工程混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中，具有感知結(jié)構(gòu)受力和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的雙重功能，有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值
同類課題研究水平概述
- 基于智能骨料的研究在國(guó)外以Song等為代表，他將經(jīng)過防水封裝后的壓電陶瓷片采用與所監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)配比一致的混凝土進(jìn)行封裝，待混凝土固結(jié)養(yǎng)護(hù)好以后即可放入鋼筋籠中，然后澆筑混凝土。但是此種封裝方法可能會(huì)由于混凝土固結(jié)以后產(chǎn)生收縮，使粗骨料對(duì)壓電陶瓷片造成一定的應(yīng)力集中。楊曉明等人將壓電陶瓷和兩個(gè)水泥塊通過水泥干粉與環(huán)氧樹脂的混合物相粘結(jié)，完成封裝。在其博士論文中，他對(duì)該傳感器進(jìn)行了基本性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該水泥塊基壓電傳感器在低頻范圍內(nèi)具有很好的頻率獨(dú)立性，線性度良好，輸出信號(hào)不存在滯后現(xiàn)象，適合用于混凝土結(jié)構(gòu)的被動(dòng)監(jiān)測(cè)。但是，此種封裝方式由于骨料表面過于光滑，當(dāng)將其埋入到結(jié)構(gòu)中以后，在骨料與混凝土的連接處可能會(huì)形成薄弱界面，同時(shí)，該骨料的抗壓強(qiáng)度明顯要低于混凝土中粗骨料的強(qiáng)度，因而可能會(huì)對(duì)埋入結(jié)構(gòu)的原有性能造成影響。
