高壓放大器在壓電智能傳感技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)監(jiān)測研究中的應(yīng)用

實驗名稱：基于壓電智能傳感技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點連接健康監(jiān)測研究

研究方向：無損檢測

測試目的：

鋼結(jié)構(gòu)在安裝和使用過程中，節(jié)點連接區(qū)較常見的兩類損傷：螺栓松動和裂紋擴展進行研究，提出了基于壓電智能傳感技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點連接健康監(jiān)測方法，以期為鋼結(jié)構(gòu)的安全運營提供一定保障。具體研究內(nèi)容包括：基于時間反演技術(shù)的鋼塔筒法蘭節(jié)點螺栓松動監(jiān)測研究；基于壓電阻抗和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鋼網(wǎng)架節(jié)點連接區(qū)裂紋擴展監(jiān)測研究。

測試設(shè)備：ATA-2022B高壓放大器、通道數(shù)獨立式數(shù)據(jù)采集卡、力矩扳手、壓電陶瓷片、筆記本電腦。

圖：基于時間反演技術(shù)的鋼塔筒法蘭節(jié)點螺栓松動監(jiān)測流程圖

實驗過程：

圖：基于時間反演技術(shù)的鋼塔筒法蘭節(jié)點螺栓松動監(jiān)測的試驗裝置圖

基于時間反演技術(shù)的鋼塔筒法蘭節(jié)點螺栓松動監(jiān)測的試驗裝置，如上圖所示。以1號螺栓為例，具體試驗過程如下：

1）設(shè)備連通與信號發(fā)射。根據(jù)上圖所示的試驗裝置，完成設(shè)備的連接，開啟電源進行儀器預熱并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，等待指示燈顯示各設(shè)備連接正常后，進行信號發(fā)射。

2）信號采集。對法蘭節(jié)點處的螺栓施加工況一即初擰，由電腦Labview程序控制數(shù)據(jù)采集卡發(fā)射高斯脈沖信號，信號通過連線到達功率放大器被放大50倍；放大后的信號通過連線到達螺栓帽上的PZT1，并產(chǎn)生一個應(yīng)力波，該應(yīng)力波穿過螺栓和法蘭盤連接表面，之后被PZT2接收；Labview程序利用時間反演技術(shù)將信號進行反轉(zhuǎn)并發(fā)射；最終，應(yīng)力波信號在PZT1處形成信號的聚焦，PZT1通過逆壓電效應(yīng)將信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過連線傳遞到信號采集卡中，信號采集卡將電信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，保存至電腦端。以同樣的方式，完成1號螺栓不同工況下的信號的采集。

本試驗選用PZT在100kHz附近的一個頻率峰值，即中心頻率設(shè)為100kHz，試驗中采樣頻率為1MHz，采樣時長為1s。具體參數(shù)如表3.3所示。根據(jù)脈沖信號的相關(guān)參數(shù)，利用高斯型調(diào)制正弦模式生成的脈沖信號，如下圖所示。

圖：高斯脈沖信號圖

實驗結(jié)果：

鋼塔筒法蘭節(jié)點損傷機理：法蘭節(jié)點上的PZT片被高斯信號激勵后，產(chǎn)生應(yīng)力波并沿著法蘭節(jié)點進行傳遞，當法蘭節(jié)點處的連接發(fā)生松動時，法蘭節(jié)點之間的接觸面積相對減少，引起應(yīng)力波能量在傳感器之間的傳播和衰減，能量變化會引起聚焦峰值的不同，通過聚焦信號峰值的變化就可以判斷法蘭節(jié)點的松緊狀態(tài)。

鋼塔筒法蘭節(jié)點損傷識別結(jié)果：七種不同扭矩值作用下，鋼塔筒法蘭節(jié)點結(jié)構(gòu)基于時間反演技術(shù)測得的聚焦信號峰值，如下圖所示，從圖像中可以得到，在不同的工況下即在不同的扭矩值作用下，應(yīng)力波信號形成了不同程度的聚焦，驗證了時間反演技術(shù)的有效性。

圖：1號螺栓在不同扭矩值作用下的應(yīng)力波聚焦信號圖

為了更加直觀的反應(yīng)不同工況下應(yīng)力波聚焦信號的變化趨勢，提取1號螺栓每種工況下應(yīng)力波的聚焦峰值，利用Origin軟件繪制1號螺栓在不同扭矩值作用下，應(yīng)力波信號的聚焦峰值和扭矩值之間變化的曲線圖，如下圖所示，由曲線圖可知：1）每一種工況下應(yīng)力波的聚焦峰值各不相同，扭矩值和應(yīng)力波的聚焦峰值存在非線性關(guān)系，且應(yīng)力波信號聚焦峰值的大小隨著扭矩值的增加而增大，這與之前的推導結(jié)果呈現(xiàn)一致性，即PZT片接收到的應(yīng)力波信號的聚焦峰值越多，法蘭節(jié)點有效接觸面積越多，法蘭節(jié)點連接就越緊密。進一步證明了基于時間反演技術(shù)所獲得的應(yīng)力波信號的聚焦峰值可以實現(xiàn)鋼塔筒法蘭節(jié)點連接狀態(tài)的有效監(jiān)測；2）在整個曲線圖中，應(yīng)力波的聚焦峰值在扭矩值為0-45N?m的范圍內(nèi)增速較快，后期增速趨于平穩(wěn)，這是因為隨著扭矩值的不斷增加，越來越靠近健康狀態(tài)，所以，圖像變化較慢，增長速度較緩。

圖：1號螺栓不同扭矩值作用下聚焦信號峰值的變化圖

安泰ATA-2022B高壓放大器：

圖：ATA-2022B高壓放大器指標參數(shù)

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