電壓放大器在預制塊嵌入法波動監(jiān)測試驗研究中的應用

實驗名稱：預制塊嵌入法波動監(jiān)測試驗研究

研究方向：超聲檢測

測試目的：

壓電智能骨料是目前用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中常用的傳感器，可進行動態(tài)應力及材料性能的超聲監(jiān)測。壓電智能骨料嵌入結(jié)構(gòu)時往往需要通過粘結(jié)或綁扎方式固定到鋼筋等支撐結(jié)構(gòu)上，支撐結(jié)構(gòu)干擾監(jiān)測區(qū)域應力場且傳感器位置穩(wěn)定性較差，由此影響監(jiān)測精度。本文提出一種新型的壓電智能骨料嵌入方法——預制塊嵌入法。通過數(shù)值及試驗研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)嵌入方法相比新型嵌入方法顯著降低了對嵌入?yún)^(qū)域的應力場影響，且傳感器位置更穩(wěn)定，監(jiān)測隨機性更低。

測試設(shè)備：ATA-2041電壓放大器、任意波形發(fā)生器、采集卡、電荷放大器、電腦。

實驗過程：

準備三根鋼筋混凝土柱作為試件，將每個鋼筋混凝土柱中的12個正應力壓電智能骨料分為6條路徑，每條路徑由上下對正的兩個正應力壓電智能骨料組成，靠近地面的為激勵端，另一個為收發(fā)端，同層的壓電智能骨料盡量布置在柱中且保證相互之間留有適當?shù)拈g距。

圖：波動監(jiān)測試驗系統(tǒng)流程圖

先通過任意波形發(fā)生器調(diào)制信號，傳到ATA-2041功率放大器內(nèi)增益信號的幅值，通過作為激勵端的正應力壓電智能骨料振動發(fā)射信號，振動信號由作為接收端的正應力壓電智能骨料接收轉(zhuǎn)為電信號，電信號通過高頻的電荷放大器轉(zhuǎn)為電壓信號由采集卡接收并最后傳到裝載LABVIEW2014軟件的筆記本電腦內(nèi)進行記錄。本試驗采集數(shù)據(jù)的程序通過商業(yè)軟件LABVIEW2014版編程，數(shù)據(jù)處理程序采用商業(yè)軟件MATLAB編寫，最后通過ORININ9版和CAD2014版進行統(tǒng)一出圖。

圖：波動監(jiān)測試驗現(xiàn)場照片

本文選用中心頻率從30kHz、50kHz、70kHz、90kHz、100kHz、110kHz、140kHz、170kHz和190kHz共9類調(diào)制的六周期正弦信號（每個周期時長記為T）。

圖：30kHz-250kHz首波信號波形示意圖

實驗結(jié)果：

圖：不同嵌入方法波動參數(shù)對比：（a）波速、（b）中心頻率和（c）幅值

試驗發(fā)現(xiàn)即使是采用預制塊嵌入法安裝壓電智能骨料用于波動監(jiān)測時，六個路徑的波幅變異系數(shù)也達到了46%。當使用FieldII（可供MATLAB調(diào)用的程序）做了一個波動監(jiān)測試驗的模擬，設(shè)置了5條路徑，在不考慮嵌入干擾的前提下，僅僅改變5條路徑中粗細骨料的分布狀況，5條路徑的接收信號頻域波幅的變異系數(shù)約為45%，而本試驗采用預制塊嵌入法安裝壓電智能骨料做波動監(jiān)測，五條路徑的波幅變異系數(shù)達到了46%。這說明了頻域波幅的變異性主要是由混凝土骨料的隨機分布引起的。即使是以波幅為指標，還是預制塊嵌入法安裝的正應力壓電智能骨料響應的隨機性最小，采用預制塊嵌入法(CBC)可顯著降低由于嵌入引起的波動監(jiān)測的隨機性，其幅值變異系數(shù)分別是十字節(jié)點綁扎法(CJB)和對側(cè)粘貼法(DSB)的92.5%和94%。預制塊嵌入法波速的變異系數(shù)分別是兩種傳統(tǒng)嵌入方法的28%和25%，中心頻率變異系數(shù)分別是兩者的96%和62.5%.。綜合來采用預制塊嵌入法安裝正應力壓電智能骨料用于波動監(jiān)測時，正應力壓電智能骨料受到的嵌入影響最小。

安泰ATA-2041高壓放大器：

圖：ATA-2041高壓放大器指標參數(shù)

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