裂縫對(duì)埋入混凝土中壓電陶瓷電－聲特性的影響*

徐志龍，陳 雨，李鵬程，譚 斌，汪 琴

(四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都610064)

由于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中廣泛使用的混凝土具有復(fù)雜的組成結(jié)構(gòu)，所以在其凝固過程中可能出現(xiàn)各種缺陷，威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，必須對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行檢測[1－2]，常用的檢測方法有無損檢測和有損檢測。無損檢測相較于有損檢測能保證混凝土結(jié)構(gòu)的完整性，實(shí)際工程中往往采用無損檢測方法，如將應(yīng)變片或者光纖傳感器埋入混凝土結(jié)構(gòu)中[3]。但是這類方法會(huì)由于應(yīng)變片本身方向性差;光纖傳感器強(qiáng)度低、易于損壞等缺點(diǎn)[4]，造成檢測結(jié)果的不準(zhǔn)確，無法反映混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)健康狀況的真實(shí)情況。壓電陶瓷具有強(qiáng)度較高、密度大、成本低廉、與混凝土親和力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已被用于超聲檢測領(lǐng)域。文獻(xiàn)[5]提出，在混凝土模塊中埋入壓電陶瓷構(gòu)成的壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊，能實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測。這種方法利用垂直于混凝土結(jié)構(gòu)表面的壓電換能器接收內(nèi)部壓電陶瓷振動(dòng)產(chǎn)生的超聲波。由于該超聲波經(jīng)過混凝土傳播至接收換能器，攜帶有其傳播路徑上混凝土內(nèi)部缺陷的信息，因此，通過分析超聲信號(hào)就可以檢測出混凝土內(nèi)部的健康狀況[6]。但埋入混凝土模塊中的壓電陶瓷會(huì)受到混凝土內(nèi)部的干縮應(yīng)力作用、裂縫的阻礙，導(dǎo)致壓電陶瓷電－聲轉(zhuǎn)換效率降低，產(chǎn)生的超聲信號(hào)變?nèi)酰由显肼暤母蓴_，很容易使信號(hào)失真，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的檢測質(zhì)量造成影響。所以，提高混凝土模塊中的壓電陶瓷激勵(lì)信號(hào)的強(qiáng)度能改善超聲無損檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性?，F(xiàn)在使用最為廣泛的激勵(lì)信號(hào)有正弦脈沖信號(hào)和窄脈沖信號(hào)兩種，使用正弦脈沖信號(hào)可以激勵(lì)出能量較大的超聲信號(hào)，但正弦脈沖信號(hào)頻譜成分單一;窄脈沖信號(hào)的頻譜成分豐富但能量小。針對(duì)這個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)了一種高壓脈沖發(fā)生模塊，該模塊能夠產(chǎn)生高壓窄脈沖激勵(lì)壓電陶瓷，獲得頻譜成分豐富的的超聲波頻譜，進(jìn)而分析裂縫對(duì)壓電陶瓷電－聲特性的影響。文章對(duì)該模塊的高壓電源的選擇，模塊中元器件參數(shù)的界定以及電路原理圖作了較為詳細(xì)的介紹。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高壓脈沖作為激勵(lì)信號(hào)的條件下，接收信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨著裂縫與混泥土模塊中的壓電陶瓷圓片之間距離的增加而減小。同時(shí)，激勵(lì)信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)延會(huì)隨著裂縫與壓電陶瓷圓片之間距離的增加而增加。

1 壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊

壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊是一種用于超聲無損檢測的試模，其結(jié)構(gòu)示意圖與實(shí)物圖如圖1(a)、1(b)所示。將PZT－5H型壓電陶瓷圓片(半徑12 mm，厚2 mm)[7]的兩個(gè)電極層與同軸電纜一端焊接，在混凝土凝固之前將焊接好的壓電陶瓷圓片埋入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體混凝土塊中央，并將同軸電纜另一端引出。由于混凝土內(nèi)部干縮應(yīng)力等因素的影響，所以在壓電陶瓷圓片外部包裹一層硅橡膠，以免損壞壓電陶瓷圓片[8－9]。另外，此橡膠層還起到了聲阻抗匹配及絕緣的作用[10]。

圖1 壓電埋入式混凝土模塊示意圖及實(shí)物圖

2 高壓脈沖發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)

檢測信號(hào)的頻譜成分和能量關(guān)系著無損檢測的結(jié)果，因此，本文設(shè)計(jì)了高壓脈沖發(fā)生模塊產(chǎn)生頻譜成分豐富、能量較高的檢測信號(hào)，其實(shí)驗(yàn)原理圖與設(shè)備連接圖如圖2、3所示。信號(hào)發(fā)生器提供的周期矩形信號(hào)驅(qū)動(dòng)高壓脈沖發(fā)生電路。此驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過高壓脈沖發(fā)生模塊升壓以后，轉(zhuǎn)化為高壓窄脈沖。將此高壓窄脈沖信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)壓電陶瓷圓片，由于逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷圓片產(chǎn)生形變，從而發(fā)出超聲信號(hào)。利用壓電換能器采集此超聲信號(hào)[11－12]，并將信號(hào)傳入數(shù)字示波器，顯示信號(hào)的波形并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，進(jìn)行去噪、信號(hào)提取等操作，分析信號(hào)頻譜特性，就能夠得出混泥土結(jié)構(gòu)健康狀況，判斷該混泥土模塊中是否存在缺陷。

圖2 高壓脈沖發(fā)生模塊實(shí)驗(yàn)原理圖

圖3 高壓脈沖發(fā)生模塊與實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接圖

通常會(huì)在混凝土與壓電換能器的接觸面均勻涂抹一層3號(hào)鋰基脂作為聲耦合劑，一方面起到聲阻抗匹配的作用;另一方面可以減小混凝土與換能器之間的摩擦，使換能器能靈活的滑動(dòng)探查。

本文所設(shè)計(jì)的高壓脈沖發(fā)生模塊包含高壓電源和高壓脈沖發(fā)生電路兩部分。高壓電源用來提高信號(hào)的能量;高壓脈沖發(fā)生電路在高壓電源的作用下，將原來的周期脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)變成高壓窄脈沖，從而激勵(lì)壓電陶瓷圓片發(fā)出能量較強(qiáng)的超聲信號(hào)。

高壓脈沖發(fā)生電路是高壓脈沖發(fā)生模塊的關(guān)鍵部分，其原理圖如圖4所示。

圖4 高壓脈沖發(fā)生電路原理圖

原理圖中，Pulse_Signal為信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的周期矩形驅(qū)動(dòng)信號(hào)，周期為100 μm，占空比為10%，高電平為3.3 V，低電平為0 V。U1為MOSFET驅(qū)動(dòng)器，它將矩形信號(hào)高電平抬升至12 V以驅(qū)動(dòng)Q2。Q2為功率場效應(yīng)管，在電路中用作電子開關(guān)，它具有導(dǎo)通電阻低、負(fù)載電流大的優(yōu)點(diǎn)。圖中 R1、R2、R3、R4用作限流電阻，防止在Q2導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的電流過大，燒壞功率場效應(yīng)管。R5、R6與C5共同構(gòu)成RC微分電路。當(dāng)微分電路的時(shí)間常數(shù)小于輸入的矩形周期信號(hào)的脈沖寬度，該微分電路能夠取出矩形周期信號(hào)的突變成分。即在矩形周期信號(hào)的上升沿將信號(hào)波形變成正向窄脈沖，在矩形周期信號(hào)的下降沿將信號(hào)波形變成負(fù)向窄脈沖。Q1為整流二極管，利用其單向?qū)ㄌ匦?，只允許負(fù)窄脈沖通過。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形變化過程如圖5(a)、(b)、(c)所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，Q2截止，400 V的高壓電源對(duì)C5充電;當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通，由于電容電壓不能突變，從而在壓電機(jī)敏模塊中的壓電陶瓷圓片上產(chǎn)生了－400 V的高壓窄脈沖，激勵(lì)壓電陶瓷發(fā)射超聲脈沖。R7、R8用作阻尼電阻，以加快脈沖的衰減，避免回波的影響。

圖5 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形變化

高壓脈沖發(fā)生電路中主要元件的技術(shù)參數(shù)的確定如下:

(1)MOSFET驅(qū)動(dòng)器U1的技術(shù)參數(shù)的確定

由于功率場效應(yīng)管Q2的閾值電壓VGS(th)=5 V，只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓大于5 V時(shí)才開始導(dǎo)通。而實(shí)驗(yàn)中信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的矩形周期驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓最高僅3.3 V。因此，需要一個(gè)升壓元件將矩形周期信號(hào)的電壓抬升至Q2的閾值電壓以上。模塊中選用的MOSFET驅(qū)動(dòng)器U1為ADP3631。當(dāng)給U1供給12 V的外部電壓時(shí)，它可以將輸入的3.3 V矩形周期驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓提升至12 V，驅(qū)動(dòng)Q2。

(2)功率場效應(yīng)管Q2的技術(shù)參數(shù)的確定

由于高壓脈沖發(fā)生電路中的功率場效應(yīng)管Q2工作在頻率較高的開關(guān)狀態(tài)下，所以需要高耐壓，工作頻率高，開關(guān)性能好的元件。本電路中選用的功率場效應(yīng)管Q2為FQD2N80。它的耐壓值為800 V、峰值電流為1.8 A、開關(guān)時(shí)間僅95 ns。同時(shí)，它具有低導(dǎo)通電阻(RDS(on)=6.3 Ω)和低柵極電荷(12 nC)，因而產(chǎn)生較小的開關(guān)損耗，從而提高開關(guān)電源的效率，改善其性能。

(3)充電電容C5的技術(shù)參數(shù)的確定

為了使高壓脈沖發(fā)生模塊產(chǎn)生－400 V的高壓窄脈沖激勵(lì)壓電陶瓷圓片，那么在矩形周期信號(hào)的每一次高電平期間，必須完成對(duì)電容C5的充電。而電容兩端瞬時(shí)電壓的大小與時(shí)間常數(shù)τ有關(guān)，

式中，τ越小，RC微分電路輸出的脈沖寬度就越窄，反之就越寬。該數(shù)值由矩形周期信號(hào)的頻率決定。研究表明，在充電時(shí)間為(4～5)τ時(shí)，可以認(rèn)為電容充電完畢[13]。所以，本電路的工作特性應(yīng)滿足

式中，脈沖寬度 TW=10 μs。取 R5=R6=10 kΩ，則所以，電路中取C5=400 pF(400 V)。

(4)整流二極管Q1的技術(shù)參數(shù)的確定

因?yàn)檎鞫O管Q1在電路中起到整流的作用，隔離400 V的高壓正脈沖，而僅允許負(fù)脈沖通過，所以本設(shè)計(jì)中需要一高耐壓值的開關(guān)二極管作為整流管。本電路中選用的是IN4007，它具有正向?qū)娏鞲?、漏電流低的特點(diǎn)，能承受的電壓范圍為50～1 000 V，滿足電路要求。

(5)限流電阻 R1、R2、R3、R4的技術(shù)參數(shù)的確定

當(dāng)激勵(lì)脈沖的高電平通過功率場效應(yīng)管Q2時(shí)，Q2開啟。此時(shí)高壓電源、限流電阻、Q2以及地形成通路。根據(jù)高壓電源的技術(shù)指標(biāo)，I=5 mA，U=400 V，由歐姆定律

式中，U為負(fù)載兩端的電壓，I為通過負(fù)載的電流，R為負(fù)載，即限流電阻的總阻值。本模塊設(shè)計(jì)沒有直接用 80 kΩ的電阻，而是采用的 4個(gè) 100 kΩ(2.5 W)的等值電阻串并聯(lián)的方式，這是為了滿足所選電阻額定功率的要求，防止電阻損壞。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖6(a)、(b)分別為高壓脈沖信號(hào)激勵(lì)條件下的超聲無損檢測接收信號(hào)的歸一化時(shí)域圖和幅度譜。已有研究表明[14－15]，當(dāng)以壓電陶瓷圓片的諧振頻率為激勵(lì)頻率時(shí)，接收到的信號(hào)能量值是周期正弦脈沖信號(hào)激勵(lì)所能達(dá)到的最大值(本實(shí)驗(yàn)中為79 kHz，10 V正弦脈沖信號(hào))。因此，把79 kHz周期正弦脈沖信號(hào)激勵(lì)壓電陶瓷圓片產(chǎn)生的超聲信號(hào)設(shè)置為實(shí)驗(yàn)對(duì)照組。圖6(c)、(d)分別為79 kHz周期正弦脈沖信號(hào)激勵(lì)條件下的超聲無損檢測接收信號(hào)的歸一化時(shí)域圖和幅度譜。其中，用于頻譜分析的數(shù)據(jù)長度均為5 120點(diǎn)，高壓脈沖信號(hào)的采樣頻率為1 GHz，79 kHz周期脈沖信號(hào)的采樣頻率為50 MHz。

圖6 兩種信號(hào)激勵(lì)后接收到的信號(hào)時(shí)域與頻域波形

從圖6(a)、(c)可以看出:由高壓脈沖激勵(lì)產(chǎn)生的超聲信號(hào)幅值明顯大于79 kHz周期正弦脈沖激勵(lì)產(chǎn)生的超聲信號(hào)幅值。從圖6(b)、(d)可以看出:由高壓脈沖激勵(lì)壓電陶瓷圓片產(chǎn)生的超聲信號(hào)的頻譜范圍為0至50 MHz，包含明顯起伏信息，并且在35.7 MHz(除去0頻)時(shí)達(dá)到最大值。79 kHz周期正弦脈沖信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生的超聲信號(hào)僅在100 kHz內(nèi)具有頻譜成分，并且頻譜成分僅體現(xiàn)在主頻附近，在其諧振頻率79 kHz時(shí)達(dá)到峰值。由此可見，利用高壓脈沖作為激勵(lì)信號(hào)可以得到頻率成分更豐富的頻譜，為分析裂縫對(duì)埋入混凝土中壓電陶瓷電－聲特性的影響提供更多的數(shù)據(jù)。

設(shè)置4個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)K:不存在裂縫的壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊(100 mm×100 mm×100 mm)、裂縫距離壓電陶瓷圓片2.5 cm的壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊(100 mm×100 mm×100 mm)、裂縫距離壓電陶瓷圓片5 cm的壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊(200 mm×100 mm×100 mm)、裂縫距離壓電陶瓷圓片10 cm的壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊(200 mm×100 mm×100 mm)。實(shí)驗(yàn)中所設(shè)置的裂縫寬度均為5 cm。其示意圖與實(shí)物圖如圖7(a)、(b)所示。

圖7 各實(shí)驗(yàn)?zāi)K的示意圖及實(shí)物圖

高壓脈沖作為激勵(lì)信號(hào)，分別激勵(lì)上述四個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中的壓電陶瓷圓片(壓電陶瓷圓片即為振源)，利用雙蹤示波器捕捉激勵(lì)信號(hào)與接收到的超聲信號(hào)，以測得激勵(lì)信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)延。并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，以確定裂縫與壓電陶瓷圓片之間距離的變化對(duì)接收信號(hào)幅值的影響。實(shí)驗(yàn)中，模塊尺寸的不同僅是為了滿足裂縫與壓電陶瓷圓片之間的距離變化，數(shù)據(jù)均是從靠近裂縫一端測得(無裂縫模塊兩端均可以測量)，因此實(shí)驗(yàn)?zāi)K尺寸的不同不會(huì)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生影響。

從圖8中的(a)～(d)可以看出:對(duì)于相同的激勵(lì)頻率，各混凝土模塊有裂縫一側(cè)對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)的波形沒有發(fā)生畸變，但是接收信號(hào)的幅度有明顯的變化。其中無裂縫的混泥土模塊接收的信號(hào)幅值要比有裂縫的混凝土模塊的接收信號(hào)都大;對(duì)于有裂縫的混凝土模塊，隨著裂縫與振源距離從2.5 cm、5 cm、10 cm變化，其對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)的峰峰值依次減小，并且激勵(lì)信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)延依次增加。從圖(e)～(h)可以看出，高壓脈沖激勵(lì)產(chǎn)生的超聲信號(hào)的頻譜成分都分布在0～50 MHz之間，主頻均在24.6 MHz處。隨著裂縫與振源之間的距離的增加，其對(duì)應(yīng)的歸一化幅值依次減小。為確定時(shí)延以及信號(hào)幅值的具體變化情況，測量所得的時(shí)延值與峰峰值如表1所示。

圖8 激勵(lì)信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)延圖及接收信號(hào)的幅度譜

表1 壓電陶瓷圓片與裂縫之間距離不同的條件下接收信號(hào)峰峰值、時(shí)延、歸一化幅值

由上表可以看出，裂縫與壓電陶瓷圓片之間距離的不同，對(duì)無損檢測接收信號(hào)幅值造成的衰減程度有所差別。由四個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K接收信號(hào)的峰峰值和幅度譜歸一化峰值的變化可知，超聲信號(hào)傳播的能量隨著傳輸距離的增加而加速衰減。距離從2.5 cm變到5 cm，接收信號(hào)時(shí)域峰峰值衰減2.2%，歸一化幅度峰值衰減7.7%;距離從5 cm變到10 cm，接收信號(hào)時(shí)域峰峰值衰減46.6%，歸一化幅度峰值衰減46.7%。后者時(shí)域峰峰值與歸一化幅度峰值衰減程度分別為為前者的21.2倍和6.1倍。從理論上分析可知，當(dāng)混凝土模塊沒有裂縫時(shí)，超聲信號(hào)的傳播過程受到傳播路徑上的混凝土的阻礙作用，而當(dāng)混凝土模塊存在裂縫時(shí)，超聲信號(hào)的傳播過程，除了受到傳播路徑上的混凝土的阻礙作用以外，還受到裂縫的阻礙，在裂縫處進(jìn)行繞射，信號(hào)能量衰減更加劇烈。所以，所得結(jié)論與理論相符。此外，裂縫離壓電陶瓷圓片之間的距離每增加一倍，其時(shí)延增加7 ns左右，增幅基本保持不變。

經(jīng)過以上分析可知:①高壓脈沖作為激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)壓電埋入式混凝土模塊，能夠得到成分豐富的頻譜，為混凝土健康監(jiān)測提供更多的信息。②在高壓脈沖的激勵(lì)下，接收信號(hào)的幅度值會(huì)隨著裂縫與壓電陶瓷圓片之間距離的增加而減小，并且裂縫距離壓電陶瓷圓片越遠(yuǎn)，信號(hào)衰減越大。③從表1看出，激勵(lì)信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)延，隨著裂縫與壓電陶瓷圓片之間距離的增加而增加，并且時(shí)延隨裂縫與壓電陶瓷圓片間的距離變化近似呈線性關(guān)系。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種高壓脈沖發(fā)生模塊，將3.3 V的矩形脈沖電壓提升至近400 V，同時(shí)將矩形脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為窄脈沖信號(hào)激勵(lì)壓電埋入式混凝土模塊，得到的頻譜成分豐富，便于檢測混凝土的缺陷信息，適于在環(huán)境惡劣的條件下，為超聲無損檢測提供更多的分析依據(jù)，使檢測結(jié)果更準(zhǔn)確更可靠。通過對(duì)存在裂縫的壓電埋入式混凝土模塊的實(shí)驗(yàn)，得出裂縫與壓電陶瓷圓片之間距離變化對(duì)接收信號(hào)幅值以及時(shí)延的影響，這將有助于混凝土健康監(jiān)測時(shí)對(duì)混凝土中裂縫距離的理論分析與實(shí)際測定。

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