基于壓電陶瓷的不同服役年限木構(gòu)件損傷監(jiān)測*

蒙卉恩楊 霞李順濤楊文偉*

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川750021；2.寧夏土木工程防震減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川750021；

3.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙410082)

木結(jié)構(gòu)建筑具有韌性好、抗震性強、施工周期短和節(jié)能低碳等優(yōu)點，因此在全球有著悠久的使用歷史，同時在現(xiàn)代建筑中仍占有較重的使用比例。 但木結(jié)構(gòu)建筑在建設(shè)或使用過程中會因自然或人為因素產(chǎn)生腐朽、蟲蛀、裂縫、拔榫等問題，因此，對已有或正在建設(shè)中的木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行健康監(jiān)測與損傷診斷，或在災(zāi)害發(fā)生后對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷評估及剩余壽命預(yù)測具有重要意義。

隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)和損傷診斷技術(shù)的快速發(fā)展，一些常規(guī)的損傷監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)在木材和木結(jié)構(gòu)上得到了應(yīng)用，如超聲波[1-2]、模態(tài)參數(shù)[3-5]、軟電容[6]和電阻法[7-8]等監(jiān)測技術(shù)。 但這些方法在木結(jié)構(gòu)的健康檢測中仍存在著諸多不足和使用限制。 本文所采用的壓電陶瓷，因其反應(yīng)速度快，頻響范圍廣，易剪裁，成本低，在工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測方面有巨大的應(yīng)用潛力。 從20 世紀(jì)90 年代起，基于壓電陶瓷的損傷監(jiān)測技術(shù)在金屬和混凝土等材料的健康監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用[9-11]，近年來其技術(shù)也逐漸應(yīng)用在竹木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，如，Zhang 等[12-13]將壓電陶瓷片粘貼在木材表面，對木材人工模擬狀態(tài)下的損傷及含水率進(jìn)行了識別，試驗結(jié)果表明，基于壓電陶瓷的主動監(jiān)測方法可以較好的識別木材的損傷及含水率的變化。 同樣，Dansheng 等[14]基于機電阻抗技術(shù)監(jiān)測木材的損傷，提出基于均方根偏差(RMSD)的損傷指數(shù)來評價木材試件的損傷程度。 馬曉倩等[15]利用應(yīng)力波對竹梁界面剝離進(jìn)行監(jiān)測。 試驗結(jié)果表明，該方法可對竹梁試件在加載過程中界面剝離損傷狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測。 Han 等[16]和Zhao等[17]采用基于壓電陶瓷的主動監(jiān)測技術(shù)對木試件連接狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，試驗結(jié)果表明，隨著連接損壞程度的增加，接收到的信號能量隨之衰減。 王浩[18]和王清華[19]將壓電阻抗技術(shù)應(yīng)用于木試件損傷檢測及木梁損傷定位中，研究表明，該技術(shù)對木試件損傷監(jiān)測敏感，具有木梁損傷定位能力。劉孝禹等[20]基于壓電傳感器對木試件在軸壓作用下進(jìn)行損傷監(jiān)測，結(jié)果表明，信號的幅值能很好的反映木材的損傷程度。

雖已有許多學(xué)者開展了基于壓電陶瓷的竹木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及損傷識別研究，但是對不同服役年限木材的損傷識別研究還鮮有報道。 基于此，本文利用基于壓電陶瓷的主動傳感方法對不同服役年限的木材進(jìn)行試驗研究，將服役年限不同的木材制作成尺寸相同的試件，在試件的六個面上分別粘貼壓電陶瓷片，作為驅(qū)動器及接受器用于信號的發(fā)射及接收。 通過對比三個試件相應(yīng)監(jiān)測方向上信號的幅值、小波包能量及功率譜密度的差異，驗證了該方法的有效性，以及信號幅值對不同服役年限木材損傷監(jiān)測敏感，可為實際工程中不同服役年限木結(jié)構(gòu)建筑的監(jiān)測識別提供一種新的思路。

1 基本原理

1.1 壓電效應(yīng)

壓電材料具有壓電效應(yīng)這一項重要特性[21]，當(dāng)對壓電材料進(jìn)行擠壓或拉伸時，材料兩端產(chǎn)生符號相反的電荷，這種將機械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，反之，當(dāng)對壓電材料施加激勵電場時，材料產(chǎn)生機械變形，這種將電能轉(zhuǎn)化為機械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

壓電陶瓷用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中時可采取表面粘貼式和內(nèi)部嵌入式兩種，為了減少對木結(jié)構(gòu)本身的破壞，本文利用AB 膠將壓電陶瓷片粘貼在試件表面，對木結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行健康監(jiān)測。 本試驗選用深圳市芙蓉電聲科技有限公司生產(chǎn)的型號為FR 15 mm TL-10.5K 型壓電陶瓷傳感器元件作為驅(qū)動器和傳感器，如圖1 所示，元件尺寸為直徑15 mm。

圖1 傳感器元件

圖2 基于波傳播法的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測原理

1.2 波傳播分析法

基于壓電陶瓷的主動傳感技術(shù)主要包括波傳播分析法和機械阻抗法兩種[22]。 本文運用波傳播分析法，其監(jiān)測原理是將壓電驅(qū)動器、壓電傳感器及木試件組成一個智能監(jiān)測系統(tǒng)如圖2 所示。 文中首先將粘貼在試件表面一端的PZT 作為驅(qū)動器，當(dāng)外部電場激勵作用時，驅(qū)動器發(fā)射掃頻電信號，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，被激勵的壓電驅(qū)動器產(chǎn)生高頻應(yīng)力波以木結(jié)構(gòu)試件為介質(zhì)進(jìn)行傳播，位于試件另一端的PZT 將接收高頻應(yīng)力波并轉(zhuǎn)化為電信號輸出。 應(yīng)力波在傳播過程中受結(jié)構(gòu)含水率、裂縫、孔洞等因素影響發(fā)生反射、衍射及透射等現(xiàn)象，引起壓電傳感器接收到的信號的幅值衰減、能量減弱及傳播時間延遲等。 通過分析不同服役年限木試件所接收信號的差異來識別結(jié)構(gòu)存在的損傷及缺陷。

1.3 小波包分析法

小波包分析在信號處理、圖像處理、量子力學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 在傅里葉分析及小波分解基礎(chǔ)上小波包變換[23]得到了發(fā)展，它克服了傅里葉分析處理非平穩(wěn)信號時的局限性，解決了短傅里葉變換窗口大小恒定、分辨率固定的問題，優(yōu)化了小波分解只對低頻信號進(jìn)行再分解的缺點。 小波包分解將信號分成不同頻段，根據(jù)被分析信號的特性，選擇合適的頻帶，對高頻信號及低頻信號均進(jìn)行分解，這種分解無疏漏、無冗余，達(dá)到細(xì)化信號的效果，因此在工程損傷監(jiān)測中具有廣泛的應(yīng)用價值。 小波包分解示意圖如圖3 所示，具體分解步驟如下。

圖3 三層小波包分解

使用小波包分析將原始監(jiān)測信號S分解為由多個尺度相同的頻帶組成的信號。 原始監(jiān)測信號經(jīng)過N層小波包分解且重構(gòu)后可得到2N個子信號Si(i＝1，2，…，2N)，則:

將特征信號經(jīng)過小波包分解后所得末層信號中各頻帶子信號的能量向量定義為[24]:

式中:ei為末層的各頻帶子信號能量，且:

則信號S經(jīng)小波包分解重構(gòu)后所得的總能量為:

基于小波包分解重構(gòu)的小波包能量與原始監(jiān)測信號的能量等價，因此可利用小波包能量表征原始監(jiān)測信號的能量。 本文通過選取db3 小波函數(shù)，對原始信號進(jìn)行五層分解，得到不同服役年限木材中信號的小波包能量。

1.4 功率譜密度分析法

功率譜密度譜分析[25]是一種概率統(tǒng)計方法，實現(xiàn)了信號的時間域向頻率域的轉(zhuǎn)化，屬于結(jié)構(gòu)的頻域分析。 將有限長序列x(n)(0≤n≤Ns-1)按段長為M進(jìn)行分段，段與段之間的重疊量為M-K，經(jīng)加窗后第i個數(shù)據(jù)段表示為xi(n)＝G(n)x(n＋iK)(0≤i≤L-1，0≤n≤M-1)，K為整數(shù)，L為分段數(shù)，它們之間滿足關(guān)系(L-1)K＋M≤Ns，G(n)為窗口函數(shù)，可以得到該數(shù)據(jù)段的功率譜密度為

式中:U為歸一化系數(shù)，為了保證得到的功率譜是真正功率譜的漸近無偏估計而使用歸一化系數(shù)。 由此可得平均功率譜值為:

功率是信號的重要屬性，其功率譜圖直接反映信號在頻域中頻率所對應(yīng)的功率譜密度值，能很好體現(xiàn)信號變化的局部細(xì)節(jié)特征，可為結(jié)構(gòu)缺陷診斷提供量化指標(biāo)。

2 試驗研究

2.1 材料性能

試驗中的木材均為杉木，分別取服役年限為0年、3 年和40 年的杉木用于試驗研究，如圖4 所示。其中，使用服役為0 年的木材為新木材，還未被使用于結(jié)構(gòu)中，使用年限為3 年和40 年的木材均取自貴州東南部某一苗寨里居民們所居住過的吊腳樓枋穿柱部位。

圖4 不同服役年限木材

2.2 試件設(shè)計與制作

為研究不同服役年限木材的損傷程度，取服役年限分別為0 年、3 年、40 年的木材取心材部位制成3個試件，分別命名為試件1、試件2、試件3，3 個試件尺寸均為100 mm×50 mm×50 mm，對于每個試件，使用AB 膠將3 對壓電陶瓷片粘貼在預(yù)定位置，用于信號的發(fā)射與接收。 考慮木材含水率對信號的影響，本研究采用國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 1931—2009)，將試件置于烤箱中，在(103±2)℃的溫度下烘烤8 h，取出稱量，隨之每2 h 稱量試件一次，當(dāng)最后兩次稱量質(zhì)量之差不超過試件質(zhì)量的0.5%，則認(rèn)為試件已全干，按此方法將試件均烤至全干，試件實物圖如圖5 所示。

圖5 木結(jié)構(gòu)試件

文中將試件平面尺寸為100 mm×50 mm 且沿木材弦向生長的平面編號為A，平面尺寸為100 mm×50 mm 沿木材徑向生長的平面編號為B，平面尺寸為50 mm×50 mm 沿木材縱向生長的平面編號為C。試件1 粘貼的PZT 驅(qū)動器編號為P ＋平面編號＋1，此平面對應(yīng)的平面粘貼的PZT 傳感器編號為P＋平面編號＋2。 相應(yīng)的試件2 粘貼的PZT 壓電陶瓷片編號為S＋平面編號＋1(2)，試件3 粘貼的PZT 壓電陶瓷片編號為D＋平面編號＋1(2)，三個試件粘貼的壓電陶瓷片具體編號見表1。 試件1 粘貼的壓電陶瓷片預(yù)定位置如圖6 所示，試件2 與試件3 與其相同。 為保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，3 個試件除使用年限不同外均無孔洞、裂縫等明顯缺陷，信號采集在相同試驗條件下完成。

圖6 壓電陶瓷片粘貼位置

表1 PZT 壓電陶瓷片編號詳情

2.3 數(shù)據(jù)采集

試驗時，采用江蘇三川智能科技有限公司生產(chǎn)的多功能壓電信號監(jiān)測與分析系統(tǒng)，此系統(tǒng)集信號發(fā)生器和示波器于一身，可同時進(jìn)行信號生成與信號采集。 根據(jù)波傳播分析法的基本原理，木結(jié)構(gòu)試件上的驅(qū)動器與模擬信號通道口連接，傳感器連接到信號接收口，電腦終端連接到其他通道口，并通過與之配套的SCHYPZTV3 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲。 圖7 為監(jiān)測系統(tǒng)實物圖。

圖7 監(jiān)測系統(tǒng)實物圖

本次試驗均采用一次激勵一次接收的形式進(jìn)行，在每次測試中，執(zhí)行主動監(jiān)測方法，試件兩端的PZT 分別作為驅(qū)動器及傳感器用于信號的發(fā)射及接收。 監(jiān)測信號選取掃頻正弦波，由于每種材料對信號的頻響范圍不同，因此為了確定杉木結(jié)構(gòu)的頻響范圍，在正式試驗之前，需進(jìn)行多次預(yù)實驗，即通不斷調(diào)整掃頻范圍，觀察采集到的信號的時域波形，尋找信號幅值較大的時間段，根據(jù)掃頻時長推算出該時間段的大致掃頻范圍，最后依照推算出的掃頻范圍再次激勵試件。 該過程重復(fù)進(jìn)行，直到確定本試驗中所用試件的掃頻范圍。 按以上方法，確定其掃頻范圍為20 kHz ～270 kHz。 試驗中掃頻正弦波信號的掃頻時長為250.5 ms。

監(jiān)測系統(tǒng)在工作過程中，信號會受外部工作環(huán)境，如溫度濕度變化、電流電壓波動以及一些工作中的電子設(shè)備等因素影響。 為了減少這些外部因素的干擾，采集過程中均進(jìn)行了實時濾波，濾波拓樸結(jié)構(gòu)采用巴特沃斯、帶通、階數(shù)為5，濾波范圍為30 ～250 kHz。 同時，為了避免隨機誤差造成試驗結(jié)果具有不確定性，在每次測試中進(jìn)行多次激勵，直到信號波形平穩(wěn)再將數(shù)據(jù)保存并導(dǎo)出。 掃頻正弦波信號的試驗參數(shù)及濾波參數(shù)如表2 所示。

表2 試驗參數(shù)

3 試驗結(jié)果分析

3.1 基于信號幅值的結(jié)果分析

3 個試件在不同監(jiān)測方向上的時域信號分別如圖8 ～圖10 所示，從采集到的PZT 信號輸出波形來看，在木結(jié)構(gòu)試件A 面和B 面上(即試件的弦向和徑向)，均呈現(xiàn)出服役年限為0 年的試件的信號幅值最大，服役年限為3 年的次之，服役年限為40 年的信號幅值最小的變化規(guī)律。 由于木結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)老化，木材中纖維素、木質(zhì)素的改變使木材各項指標(biāo)有不同程度的變化進(jìn)而影響應(yīng)力波的傳播，因此信號幅值的這種衰減是可預(yù)測的。 一個有趣的發(fā)現(xiàn)是:在木結(jié)構(gòu)試件C 面上(即試件的縱向)，服役年限為40 年的試件的信號幅值最大，3 年的次之，服役年限為0 年的試件信號幅值最小，這與A 面及B 面上信號的變化規(guī)律完全相反，這是由于木材屬于各向異性材料，舊杉木相較于新杉木，其主要是表面和端部腐朽，內(nèi)部空隙少，且新杉木沿縱向的干裂縫隙較多，這直接影響了應(yīng)力波的傳播。 由各個面上信號幅值的變化規(guī)律可以初步說明該監(jiān)測方法可有效識別不同服役年限的木材。

圖8 A 面上PZT 傳感器接收信號的幅值

圖9 B 面上PZT 傳感器輸出的信號的幅值

圖10 C 面上PZT 傳感器輸出的信號的幅值

3.2 基于小波包能量的結(jié)果分析

為了進(jìn)一步驗證所提出方法的可靠性，運用小波包分析方法，計算不同服役年限木材不同監(jiān)測方向上信號的小波包能量如圖11～圖13 所示。

圖11 A 面小波能量對比

圖12 B 面小波能量對比

圖13 C 面小波能量對比

由圖11 和圖12 可以觀察到，在木結(jié)構(gòu)試件A面和B 面，服役年限為0 年的試件的小波包能量最大，服役年限為3 年的試件的小波包能量次之，服役年限為40 年的試件的小波包能量最小。 由圖13 可以看出，在木結(jié)構(gòu)試件C 面，相較于服役年限短的試件，長年限試件的小波包能量更大。 此外B 面和C 面能量值較大，A 面較小。

為了更加直觀的看到不同監(jiān)測方向上信號的小波包能量的變化規(guī)律，表3 給出了小波包能量的具體數(shù)值及同一監(jiān)測方向上其他服役年限的試件相較于服役年限為0 年的試件的能量值變化率。 由表3觀察到A 面和B 面上服役年限為3 年和40 年的試件的能量值變化率均為負(fù)值，C 面上的試件的能量值變化率為正值。 其中A 面上服役年限為3 年和40年的試件的能量值變化率分別為- 78.03% 和-81.84%，B 面上服役年限為3 年和40 年的試件的能量值變化率分別為-83.54%和-85.21%，A 面和B面上能量值變化率的數(shù)值較為接近，且隨木材服役年限的增加，能量值變化率小幅度增加。 C 面上服役年限為3 年和40 年的試件的能量值變化率分別為82.72%和517.81%，40 年的試件的能量值變化率是3 年的6.2 倍左右，其能量值變化率較A 面和B面增加幅度較大。

表3 信號的能量值及能量值變化率

3.3 基于功率譜密度的結(jié)果分析

筆者計算了3 個試件不同監(jiān)測方向上的功率譜密度，并繪制了功率譜密度隨頻率的變化曲線(見圖14)。

圖14 監(jiān)測信號的頻域圖

由圖14 可知，在試件A 面上及B 面上，隨木結(jié)構(gòu)試件服役年限的增加，采集信號功率譜的值隨之減小。 與A 面和B 面不同，在C 面上，隨木結(jié)構(gòu)試件服役年限的增加，采集信號功率譜的值隨之增大。此外，每個監(jiān)測方向上不同服役年限的木結(jié)構(gòu)試件的固有頻率不相同，隨著服役年限的變化也沒有明顯規(guī)律，這是因為樹木的生長是周期性的，有生長期和休眠期，所以木材是非均質(zhì)的，則采集信號的固有頻率也不相同。 同時同一塊試件不同監(jiān)測方向上的功率譜密度值相差較大，這是由于木材屬于各向異性材料，每個生長方向微觀結(jié)構(gòu)存在差異。 木結(jié)構(gòu)試件的A 面及B 面均屬于樹木的橫向，所以隨著試件服役年限的增加，采集信號功率譜的值的變化規(guī)律大致相同，而C 面屬于樹木的縱向，采集信號功率譜的值的變化規(guī)律則和A 面及B 面相反，三面的功率譜密度變化規(guī)律與信號的幅值變化規(guī)律相符。由此發(fā)現(xiàn)，信號的功率譜密度也可以作為識別木材的服役年限的一個指標(biāo)，通過與已知服役年限的木材對比判定未知服役年限的木材的大致服役年限。

4 結(jié)論

①本文提出的基于PZT 的監(jiān)測方法和基于小波包能量的損傷評估方法可以實現(xiàn)對不同服役年限的木結(jié)構(gòu)試件的監(jiān)測識別。 信號的幅值、小波包能量及功率譜密度這三個指標(biāo)對基于壓電陶瓷的不同服役年限的木結(jié)構(gòu)監(jiān)測識別表現(xiàn)出較好的敏感性。

②對試驗中PZT 傳感器輸出的信號幅值及小波包能量的分析結(jié)果表明，在木材徑向和弦向上隨著木材服役年限的增長，接收信號的幅值及小波包能量均隨之減小，而在木材縱向上隨著木材服役年限的增長，接收信號的幅值及小波包能量隨之增大。木材橫向和縱向采集信號的幅值及能量呈現(xiàn)出完全相反的變化規(guī)律，這主要與木材的各向異性有關(guān)。

③計算信號的功率譜密度，發(fā)現(xiàn)在木材的徑向和弦向上隨著木材服役年限的增加，采集信號的功率譜密度隨之減小，且變化明顯，在木材縱向上信號功率譜變化規(guī)律與橫向的變化規(guī)律相反，即隨著木材服役年限的增加，監(jiān)測信號的功率譜密度隨之增加，由此說明信號的功率譜密度也可以作為判定木材服役年限的一個指標(biāo)。