要利用壓電智能骨料對混凝土材料進行健康監(jiān)測，首先要研究基于埋入式壓電智能骨料下聲波在混凝土中的傳播規(guī)律。由于混凝土材料的組分較為復雜，包括水泥、細骨料和粗骨料，因此應力波在其中的傳播具有衰減大、傳播方向性差、傳播路徑復雜的特點，在混凝土材料中應用聲波進行健康監(jiān)測要比金屬等均質(zhì)材料復雜得多，所以需要對應力波在混凝土中的傳播規(guī)律作研究。目前對于超聲衰減的研究大多基于外貼式傳感器，但是不可控的耦合界面質(zhì)量會在超聲衰減測量中引起很大的誤差，且超聲聲場特性與傳感器的形狀也有關(guān)系，因此，需要對基于埋入式壓電智能骨料的應用下聲波在混凝土材料中的衰減規(guī)律做研究。

測試設(shè)備：ATA-2041高壓放大器、波形發(fā)生器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、筆記本電腦。

實驗過程：

先制作一根混凝土梁試件，其尺寸為2000mm×250mm×250mm，同時為了承受移動時產(chǎn)生的荷載及自身重力，設(shè)置了縱向鋼筋。壓電智能骨料（SA）陣列布置在梁截面的中心位置，與四周的距離均為125mm，并按順序從1到7進行編號。SA1與SA2是一對緊貼的傳感裝置，兩個傳感器通過膠粘結(jié)在一起，主要作為衰減信號的分析基準。SA2~SA7方面的換能器的縱向間距是400mm、400mm、400mm、200mm和200mm。試件的具體尺寸及傳感器的位置參考圖如下圖。

圖：試件規(guī)格

實驗所使用的超聲脈沖中心頻率f取為30kHz，50kHz，70kHz，90kHz，100kHz，110kHz，130kHz，170kHz，190kHz九個值。由于混凝土梁中埋有6個接收傳感器，而試驗使用的為窄帶脈沖，因此，整個試驗過程中需要調(diào)整9次不同的激勵頻率，每次激勵可以獲得不同距離處傳感器的6組數(shù)據(jù)。就不同的頻率點而言，激勵SA1，每次處理獲取8列數(shù)據(jù)信息。對于每一次采集的數(shù)據(jù)，共包括8列2×106行。第一列為時間序列，其他7列均為采集信號數(shù)據(jù)，其中包括第一列的原始激勵信號直接采集的數(shù)據(jù)，及其他6個通道經(jīng)過混凝土內(nèi)部的收發(fā)接收的數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)量可以通過數(shù)據(jù)采集卡、Labview程序及Matlab進行快速采集和處理。

以100kHz激勵頻率為例詳細描述試驗的過程。首先按照下圖所示的線路連接好各個SA及其他儀器，其中，功率放大器與SA1進行連接，而SA2-SA7則連接到電荷放大器的不同通道，同時，電荷放大器不同輸出通道又分別連接數(shù)據(jù)采集卡的不同輸入通道中，各個通道數(shù)據(jù)分別獨立。

圖：試驗系統(tǒng)圖

調(diào)節(jié)任意波形發(fā)生器按鈕，讀取高斯脈沖，由于該任意波形發(fā)生器沒有內(nèi)置的高斯脈沖信號，所以需要通過Matlab函數(shù)進行編寫，并以tfw文件的格式輸入到任意波形發(fā)生器中。讀取寫入的高斯脈沖信號，調(diào)整波形頻率為100kHz，并以單脈沖的形式輸出。調(diào)整輸出電壓至最大值±5v。

隨后調(diào)節(jié)功率放大器，由于功率放大器輸出電壓和功率較大，若直接連接數(shù)據(jù)采集卡則容易造成損壞，因此必須保證功率放大器的輸出端只與壓電智能骨料連接。首先調(diào)節(jié)電阻匹配，再對電壓增益倍數(shù)進行調(diào)節(jié)，本研究將增益倍數(shù)調(diào)至40倍，即輸出電壓為±200v。

檢查電荷放大器的端口連接，SA作為電荷放大器的輸入端，輸出端則通過BNC線一一連接到數(shù)據(jù)采集卡上。電路觸發(fā)能更精確地控制信號發(fā)射的時機，有利于節(jié)省計算空間，因此需要在數(shù)據(jù)采集卡PFI0端子處引出一線與任意波形發(fā)生器連接，以便于通過Labview程序進行觸發(fā)控制。數(shù)據(jù)采集卡通過USB線與電腦連接，通過自編寫的Labview程序可實現(xiàn)信號的收發(fā)控制。

以上連接配置好后即可開始進行信號采集。通過Labview程序控制信號的觸發(fā)，任意波形發(fā)生器隨即發(fā)射100kHz的高斯脈沖。將采樣率設(shè)置到最大2M/s，采樣數(shù)設(shè)置為1200，則每個通道可以獲得600μs時間長度的信號。Labview程序自動保存時間，單次采集即可獲得如下圖所示的6通道數(shù)據(jù)。

圖：100kHz激勵信號下各個距離位置處傳感器的接收信號

實驗結(jié)果：

制作了1個混凝土梁試件，在試件中埋入了7個壓電傳感器。因為要研究不同距離位置處的衰減系數(shù)及衰減率情況，傳感器的布置需要滿足位置精確及方向性。采用的激勵方案為：通過SA1進行信號激勵，SA2-SA7進行接收，激勵頻率在30kHz-190kHz之間選取了9個頻率，使用的波形為高斯窄帶脈沖。通過6個位置與9個頻率可得到54個頻率-位置組合的數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)，可以得到如下結(jié)論：

（1）在30kHz至190kHz頻率區(qū)間中，整體衰減率和激勵頻率滿足二次多項式的關(guān)系。同時在100kHz頻率位置處存在局部衰減最小值。衰減與頻率關(guān)系的研究，對于監(jiān)測頻率的選取具有指導意義。信號的分辨率在100kHz附近達到最佳，這為后續(xù)激勵頻率的選取提供了參考依據(jù)。

（2）衰減系數(shù)隨著距離的增大而增大，衰減率隨著距離的增大而減小。在某一距離位置處，總衰減率隨著頻率的改變而改變，總衰減率只與擴散衰減有關(guān)，而與材料衰減無關(guān)。

（3）在30kHz至190kHz的頻率范圍內(nèi)，波形的相關(guān)性系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在100kHz附近存在著局部相關(guān)系數(shù)的最大值，用100kHz的信號進行激勵波形相關(guān)性最好。

ATA-2041 高壓放大器簡介：

ATA-2041是一款理想的可放大交直流信號的單通道高壓放大器。最大輸出400Vp-p (±200V)高壓，可以驅(qū)動高壓型負載。電壓增益數(shù)控可調(diào)，一鍵保存常用設(shè)置，提供了方便簡潔的操作選擇，可與主流的信號發(fā)生器配套使用，實現(xiàn)信號的完美放大。

審核編輯：湯梓紅