壓電陶瓷傳感器監測混凝土內部缺陷的可行性研究

楊俊濤，左文建，張文龍，路國運，姜 珊

(1.太原理工大學土木工程學院，太原 030024；2.中鐵三局集團投資有限公司，太原 030001)

0 引 言

混凝土結構因造價低、施工便利、抗壓承載力好等優點，被廣泛應用于建筑結構中[1]。然而,混凝土結構在服役過程中，由施工不當或材料本身原因等造成的內部初始缺陷會不斷擴展，使其承載力降低，影響建筑結構的安全性和耐久性[2]。為減少和避免混凝土內部缺陷發展造成的經濟損失，及時對其進行健康監測十分必要。

混凝土結構內部缺陷監測在文獻中得到了廣泛關注。目前混凝土內部缺陷的監測方法主要有超聲波法[3]、聲發射法[4]、圖像處理法[5]、雷達法[6-8]、紅外成像法[9-11]等。然而，上述方法大多需要專業監測設備及技術人員的參與，成本較高，費時費力，難以實時獲取結構缺陷信息、預測結構健康狀況,且結構復雜的建筑還存在難以檢測到的位置[12]。而基于壓電傳感器(piezoceramics transducer，PZT)的聲發射法具有響應快、靈敏度高、具備傳感和驅動雙重功能等優點可逐步應用于結構健康監測領域[13-15]。

為此，本文采用PZT，結合主動監測技術對4組共7個帶內部缺陷的混凝土試件進行試驗研究，探索一種混凝土缺陷監測和缺陷位置識別的方法。試驗中，將不同尺寸的塑料空心球埋置在混凝土試件的不同位置，模擬混凝土內部缺陷，將壓電傳感器粘貼在養護好的混凝土表面，用于監測混凝土內部缺陷情況。不同大小的缺陷使傳感器接收的信號幅值產生不同程度的衰減，基于時域信號構造能量指數及損傷參數，并建立其與缺陷大小的函數關系，定量分析混凝土內部缺陷程度。對比不同區域的能量指數與損傷參數，判定混凝土內存在缺陷的區域，以期探索PZT監測混凝土內部缺陷位置及缺陷程度的可行性。

1 壓電陶瓷傳感器的主動監測方法

基于PZT的主動監測方法是指在待測結構上安裝兩枚PZT，一枚作為驅動器，另一枚作為傳感器。基于PZT的正逆壓電效應，通電激勵驅動器產生應力波，在混凝土內部傳播，同時另一枚傳感器接收通過待檢測區域的應力波并將其轉化為電信號，其監測原理如圖1所示[25]。

圖1 混凝土內部缺陷監測原理圖Fig.1 Schematic diagram of internal defect monitoring of concrete

監測過程中，由于內部缺陷的存在，應力波在缺陷附近傳播時發生反射和繞射等現象，使PZT接收的電信號幅值降低，信號能量衰減。基于此原理，可建立基于信號幅值、能量的相關參數：能量指數和損傷參數。并建立參數與混凝土缺陷程度的函數關系，定量描述混凝土內部缺陷程度。

2 混凝土結構內部缺陷監測方法

2.1 損傷評定參數

針對掃頻模式及五峰值模式，有學者[24]證明基于信號能量及幅值建立的參數能較好反映混凝土裂縫損傷程度。因此可以定義基于掃頻接收信號的能量指數EIK，基于五峰值脈沖信號的損傷參數RA來反映結構缺陷程度。信號能量EK的表達式為

(1)

式中:xn為信號的離散點；n為采樣點數。計算能量指數EIK，并以此表征待檢測結構不同區域的缺陷程度，EIK定義為

(2)

式中：能量指數EIK表示在PZT監測范圍內，每個PZT接收到的信號能量值與監測區域內所有PZT接收到的信號能量平均值的對比。若某一監測區域的EIK小于1，即響應信號的能量值小于監測區域內所有響應信號的能量平均值，則該區域存在缺陷的概率最大，且能量值相差越大，內部缺陷程度越大。

在五峰值脈沖模式下接收的響應信號，定義損傷參數RA為

(3)

式中：x0(t)為健康區域接收的時域信號；xj(t)為損傷區域接收的時域信號。(t2-t1)對應接收信號的一個周期。若某一區域無損傷時，RA值為0，當缺陷程度越大時，RA值越小并趨近于1。

2.2 結構損傷的定位方法

采用PZT定位混凝土內部缺陷時，將PZT按照一定規律布置在結構上。此時，混凝土結構被分割成多個區域，采用一對PZT監測每個區域，當某一子區域產生缺陷損傷時，可根據PZT接收的信號變化及變化程度確定缺陷位置和缺陷程度。分割子區域類似于有限元中劃分網格，網格劃分越密集，計算結果越精確，但是對計算平臺要求越高，計算時間越長，而稀疏的網格又會降低其計算精度。同理，結構中布置的PZT數量越多，子區域的范圍越小，缺陷定位越精確，相反結構中布置的PZT數量越少，子區域的范圍越大，缺陷定位精度降低。因此，PZT的數量需根據結構尺寸、形狀及實際需求綜合考慮。

根據待檢測結構形狀的不同，將PZT以一維、二維和三維的形式布置在結構中，如圖2所示。

圖2 PZT在不同結構中的布置形式Fig.2 Layout form of PZT in different structures

由圖2可以看出每一個PZT在混凝土試件中的位置是固定不變的，可以依據PZT的相對位置和監測結果對缺陷的位置進行定位，可通過EIK值和RA值的變化判斷缺陷位置和缺陷程度。文中混凝土試件已養護完成，將壓電傳感器粘貼在試件表面,當其中某些壓電傳感器出現異常時，便于及時更換，保證監測過程實時進行。

3 混凝土結構內部缺陷監測試驗

3.1 混凝土試件及試驗裝置

試驗中混凝土試件尺寸為320 mm×100 mm×100 mm。在澆筑混凝土前，在模具內的標定位置綁扎塑料空心球，使混凝土內部出現介質不均勻的區域，以此模擬混凝土內部缺陷。將攪拌好的混凝土澆筑在設計好的模具中，在標養條件下養護28 d，混凝土配合比見表1。在混凝土試件表面粘貼4枚PZT，壓電陶瓷的型號為PZT-5H，選用的粘合劑為上海康達公司的雙組分環氧樹脂，在粘貼時用手指輕輕按壓PZT，擠出多余的膠水，防止粘結層過厚降低PZT與試件間剪力傳遞效率，PZT在混凝土試件中的布置圖如圖3所示。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio

圖3 PZT在混凝土試件中的布置圖Fig.3 PZT layout diagram in concrete specimen

混凝土試件內部缺陷監測系統包括AFG 1022任意函數/波形發生器、功率放大器、混凝土試件、NI USB-6366數據采集卡、PZT、安裝LabVIEW軟件的筆記本電腦，如圖4所示。試驗中波形發生器產生電信號，電信號經過功率放大器后激勵驅動器產生應力波在混凝土中傳播，數據采集系統接收傳感器的響應信號。在監測過程中，信號類型有正弦線性掃頻和五峰值脈沖，數據采樣頻率為100 kHz。掃頻波參數：起始頻率f0為100 Hz，截止頻率f1為100 kHz，總時長T為1 s，幅值A為5 V。五波峰信號通過軟件Arb Express調試，由信號發生器產生，其中心頻率為10 kHz，幅值為5 V。

圖4 試驗監測系統Fig.4 Test monitoring devices

3.2 試驗設計

試驗中，澆筑四組共7個混凝土試件，試件內部缺陷設置情況如表2所示。其中C0作為對比試件，不埋入空心塑料球。為防止混凝土振搗過程中塑料空心球上浮，通過細鐵絲將空心球固定在混凝土模具中，具體埋置情況見圖5。

表2 混凝土試件內部缺陷情況Table 2 Internal defects of concrete specimens

圖5 以塑料空心球為內部缺陷的混凝土試樣示意圖Fig.5 Schematic diagrams of concrete specimens with plastic hollow ball as internal defect

在第1組試驗中，以PZT2作為驅動器發射信號，以PZT3作為傳感器接收信號，對所有試件進行監測，兩枚傳感器的間距為270 mm，具體工況見表3。第1組試驗目的是研究壓電傳感器位置固定的情況下，監測信號隨試件內缺陷的位置、大小變化的規律。

表3 第1組試驗工況Table 3 Test conditions of first group

在第2組試驗中，通過4枚壓電傳感器將B、C組的混凝土試件劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個監測區域，并對混凝土試件的不同區域進行監測，具體工況見表4。監測區域Ⅰ中PZT1發射信號，PZT2接收信號，設為工況3；監測區域Ⅱ中PZT2發射信號，PZT3接收信號，設為工況4；監測區域Ⅲ中PZT3發射信號，PZT4接收信號，設為工況5，各PZT對的間距為90 mm。對比不同工況監測結果，確定缺陷存在區域。

表4 第2組試驗工況Table 4 Test conditions of second group

4 結果與討論

4.1 第1組試驗結果分析

采用掃頻模式對混凝土試件進行監測，第1組試驗接收到的信號時域如圖6所示。可以看出隨著試件內的缺陷程度增大，信號幅值不斷減小。工況1、2下，傳感器從試件C0獲取的時域信號幅值最大，其峰值為0.014 V；傳感器從試件C1-50、C2-50獲取的時域信號幅值最小，其最大值均在0.006 V左右。原因在于隨著混凝土內部缺陷程度增大，缺陷對應力波的反射效果越明顯，傳感器接收到的信號幅值不斷減小。

圖6 第1組試驗掃頻模式下信號時域圖Fig.6 Time domain diagram of signal in frequency sweep mode of first group test

為了定量分析接收到的信號強弱程度，計算同一工況下傳感器接收的信號能量值，并將其平均值作為基準值，通過式(2)計算信號的能量指數EIK，結果如圖7所示：在兩種工況下，當混凝土試件無缺陷時，EIK最大，分別為167.8%和172.1%；隨著內部缺陷程度的增大，EIK不斷減小，最大減小幅值分別為52.0%、53.3%，對應缺陷直徑由30 mm變為50 mm，即缺陷體積變化最大的情況，符合實際情況。當缺陷位置發生改變而傳感器位置和缺陷程度不變時，其EIK相近，各組兩個試件的差值在2.5%以內。這說明當PZT的位置固定時，其接收的信號能量只與缺陷大小有關。

圖7 第1組試驗掃頻模式下能量指數EIK值變化圖Fig.7 Change diagram of energy index EIK value in frequency sweep mode of first group test

以兩種工況下缺陷程度相同時測得的信號能量指數EIK的均值作為因變量，缺陷直徑D作為自變量，建立兩者間的函數關系。

EIK=189.04e-0.031×D(0≤D<100)

(4)

式中：EIK單位為%。式(4)對D求導后結果為

(5)

可以看出，能量指數與混凝土梁構件內部缺陷的直徑呈負相關。在無損傷情況下，能量指數EIK值最大，隨著缺陷程度增大，EIK值逐漸趨近于0。因此采用能量指數能較好地反映混凝土內部缺陷程度。

五峰值脈沖信號的監測結果如圖8和圖9所示，圖8表示采用五峰值脈沖信號對C0進行監測的結果。由圖8可見響應信號的周期為1 ms，因此對五峰值脈沖模式下的響應信號截取1 ms進行分析。圖9中(a)、(b)分別表示工況1、2下的信號時域圖。從圖中可以看出，在五峰值模式下，傳感器測得的信號幅值也可以反映混凝土缺陷程度變化。當試件內無缺陷時，其幅值最大為0.69 V，隨著缺陷程度增大，信號幅值減小。為了定量描述混凝土缺陷程度與信號幅值的大小，采用式(3)計算不同缺陷程度下的損傷指數RA，如圖10所示。可知缺陷直徑不變時，缺陷位置的改變不會影響損傷指數RA，此結果與掃頻信號的監測結果一致。

圖8 五峰值脈沖模式下無缺陷狀態的信號時域圖Fig.8 Time domain diagram of signal in detection-free state in five-peak pulse mode

圖9 第1組試驗五峰值脈沖模式下信號時域圖Fig.9 Time domain diagram of signal in five-peak pulse mode of first group test

圖10 第1組試驗五峰值脈沖模式下損傷指數RA變化圖Fig.10 Change diagram of damage index RA in five-peak pulse mode of first group test

以兩種工況，同一缺陷程度下的損傷指數RA為因變量，以缺陷直徑D為自變量，建立RA與D間的函數關系,如式(6)所示。

RA=1-0.710.164+0.143×D(0≤D<100)

(6)

第1組試驗五峰值脈沖模式下損傷指數RA變化如圖10所示，可以看出，缺陷直徑與損傷指數RA近似呈指數關系，隨著混凝土缺陷直徑的增大，損傷指數逐漸增大并趨近于1，且其擬合度為0.98，因此可根據定義的損傷指數確定混凝土內部缺陷程度。

通過上述兩種模式對混凝土內部缺陷監測試驗的結果表明：本文所采用的兩種信號波形及對應的兩種參數均能較好反映混凝土內部缺陷大小。在某一監測區域內，壓電傳感器布置的位置固定，混凝土缺陷程度不變時，缺陷位置變化對EIK和RA的影響很小。

4.2 混凝土內部缺陷位置探測試驗

圖11給出了第二組試驗在工況3、4、5下，掃頻模式的響應信號。由圖可見，同一試件，傳感器在健康區域接收的時域信號幅值明顯大于缺陷區域。且隨著缺陷增大，健康區域和缺陷區域的信號幅值相差越大。此外，不同試件的健康區域時域信號峰值接近，但波形存在差異，而同一試件無缺陷的兩個監測單元時域信號波形相似，原因在于混凝土為非均質材料，不同試塊的粗骨料數量和排布方式、振搗密實程度均有差別，但同一試塊，混凝土內部情況接近，因此接收的時域信號波形相似。

圖11 第2組試驗在掃頻模式下信號時域圖Fig.11 Time domain diagram of signal in sweep mode of second group test

圖12給出了試件在不同工況下的能量指數EIK值變化圖。由圖12(a)可以看出，各試件在工況3下的EIK值明顯小于其余兩種工況，而工況4、5下的EIK值接近，由此可以判斷缺陷只發生在區域Ⅱ，監測區域Ⅱ和Ⅲ未發生缺陷。由圖12(b)可以看出，與監測區域Ⅰ和Ⅲ相比，內部存在缺陷，這與實際缺陷情況吻合。對比不同試塊在健康區域的EIK值后發現其離散型較大，為了減小不同試塊測得數據的離散型，說明不同缺陷程度對測試結果的影響，對試塊三個區域求得的EIK值進行歸一化處理：以三個區域EIK值的和為基數，求解缺陷區域EIK值所占比例，其結果如圖13所示。可以看出，隨著缺陷直徑的增加，缺陷區域的歸一化指數減少，且混凝土缺陷程度相同時，得到的歸一化指數接近，證明能量指數可以較好地反映混凝土缺陷程度變化。

圖12 第2組試驗不同工況下的能量指數EIK值變化圖Fig.12 Change diagram of energy index EIK value under different working conditions of second group test

圖13 混凝土試件缺陷區域歸一化指數變化圖Fig.13 Change diagram of normalized index of defect area of concrete specimens

圖14給出了第2組試驗在五峰值脈沖下傳感器的響應信號。由圖可知各試件在健康區域接收的信號最大幅值在0.1 V左右，隨著缺陷直徑增大，信號時域幅值減小。還可以看出試件C1-20、C1-30、C1-50在工況3下信號幅值明顯低于工況4、5下的信號幅值，試件C2-20、C2-30、C2-50在工況4下的信號幅值明顯低于工況3、5下的信號幅值。

圖14 第2組試驗在五峰值脈沖模式下信號時域圖Fig.14 Time domain diagram of signal in five-peak pulse mode of second group test

提取信號幅值較大的兩個工況下的時域信號，并將健康區域的兩組信號的平均值作為基準值，求得各試件在不同工況下的RA值并繪制變化曲線，如圖15所示。試件C1-20、C1-30、C1-50在工況4、5下的損傷指數相近且小于工況3，試件C2-20、C2-30、C2-50在工況3、5下的損傷指數相近且小于工況4，由此可確定試件C1-20、C1-30、C1-50的缺陷存在于監測區域Ⅰ，試件C2-20、C2-30、C2-50的缺陷存在于監測區域Ⅱ。試驗證明，可通過五峰值波定位混凝土試件中存在缺陷的損傷區域。

圖15 第2組試驗不同工況下RA值Fig.15 RA values under different working conditions of second group test

通過掃頻波和五峰值波對混凝土梁中缺陷位置探測的試驗表明，本文采用的波形以及提出的參數能夠較好確定混凝土內存在缺陷的區域。需注意，這種缺陷定位方式只是一種近似方法，缺陷位置的準確度與壓電傳感器在結構中布置的數量有關。

5 結 論

針對以往方法對混凝土結構缺陷監測的不足，本文探索一種基于應力波理論的壓電傳感器主動監測技術，對混凝土內部缺陷程度進行判定和損傷區域確定的方法。主要的結論如下：

(1)混凝土內部缺陷監測試驗結果表明，基于掃頻信號和五峰值脈沖信號建立的能量指數EIK與損傷指數RA對混凝土內部缺陷程度變化敏感。當缺陷程度增加時，EIK值較小并趨近于0，RA值越大并趨近于1。因此，可通過EIK、RA判定內部缺陷程度。且當傳感器位置固定、缺陷程度相同時，缺陷位置的變化不會影響EIK和RA值。

(2)采用壓電傳感器陣列的方式對混凝土結構不同區域進行監測，由于內部缺陷的存在，應力波在該區域傳播過程中幅值衰減，能量降低，通過EIK值和RA值的變化定位其缺陷區域。