基于远-近场激励下的压电阻抗法结构损伤检测研究

摘要

近年来，伴随着结构健康监测技术的迅猛发展，许多智能材料被应用于无损检测领域，压电阻抗技术便是最具发展前景的方法之一，其主要通过损伤发生前后电阻抗谱的变化来判断损伤的存在与大小。但阻抗分析仪所提供的驱动电压低，传感器对处于远场的微小损伤不敏感，本文提出基于远-近场双传感器激励的方法来提高检测灵敏度，在原有的阻抗PZT远端增加一个PZT传感器，同时激励两个传感器来实现远-近场激励。运用有限元软件COMSOL对三种不同的损伤模型进行数值分析并通过实验验基于远-近场双传感器激励方法检测损伤的可行性。
　　本文推导了远-近场双传感器激励的耦合电导纳公式，发现该方法能增强某些频段的导纳峰值，可根据导纳图谱的变化程度来判断损伤的存在与大小，为了定量判断损伤，采用RMSD作为损伤指数进行分析。
　　利用COMSOL建立二维压电耦合钢梁模型，在不同频率段下对不同损伤工况分析，分别提取本文提出的远-近场双激励法与传统单激励法的导纳谱，经过对比发现：双激励法导纳峰值比单激励法大；随着损伤的扩展，导纳峰值频率向左偏移，RMSD值增加且双激励法增加值要大于单激励法；本方法能判断损伤的扩展，相对于传统方法，能够识别远端微损伤且提高了检测灵敏度。
　　针对于FRP与混凝土粘结界面的脱粘、钢筋混凝土梁锈蚀、钢板孔洞损伤分别进行三维数值分析，对损伤大小、检测频率段、损伤与压电传感器距离等因素进行了讨论。结果表明本方法能很好的识别以上三种损伤，随着损伤的扩展，导纳峰值频率发生偏移，RMSD值增加；低中频段对界面类损伤较敏感，高频段对孔洞及裂缝类损伤较敏感；离损伤近的PZT检测灵敏度高，离损伤远的PZT检测敏度低，相对于传统的单激励法，本文提出的方法可提高远距离PZT对于微损伤的识别能力，近距离PZT的检测灵敏度也有所提高。
　　搭建实验平台，制作钢板孔洞试件，探究检测频率段、约束条件对电导纳信号的影响，用两种方法测量不同损伤工况下离损伤不同距离的PZT的导纳谱，得到的实验结果和有限元结果基本一致，说明了采用远-近场双传感器激励法能克服传统方法对远端微损伤敏感度的不足，提高了损伤识别灵敏度，更有利于处于任意位置的微小损伤的识别。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的来源及研究的背景和意义

1.2 损伤检测的研究现状

1.3 压电阻抗法国内外研究现状及分析

1.4 课题主要研究内容

第2章 压电阻抗法损伤检测的理论分析

2.1 引言

2.2 压电材料理论基础

2.3压电阻抗法检测原理

2.4远-近场双传感器激励法的检测原理

2.5 阻抗谱损伤识别指数的提取

2.6本章小节

第3章 基于二维模型结构损伤可测性分析

3.1 引言

3.2 数值分析相关选项

3.3 压电传感器导纳谱

3.4 远-近场双传感器激励下的二维数值模型

3.5本章小结

第4章 不同结构类型损伤可测性三维分析

4.1 引言

4.2 FRP加固混凝土损伤检测

4.3 钢筋混凝土锈蚀检测

4.4 钢板孔洞损伤检测

4.5 本章小结

第5章 钢板孔洞检测实验研究

5.1 引言

5.2 实验器材及步骤

5.3 不同激励频率段对可测性的影响

5.4 不同边界条件对可测性的影响

5.5 不同PZT与损伤距离对可测性的影响

5.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢