基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法及系统

技术领域

本发明涉及缺陷检测技术领域，特别涉及一种基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法及系统。

背景技术

相关的可实现碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件(CFRP-混凝土组合构件)中界面剥离缺陷的成熟的技术主要包括波动法、阻抗法、电磁波法、敲击法等。波动法主要分为体波法和表面波法，其中体波法的检测范围小，一般需要预埋传感器以弥补应力波在混凝土中迅速衰减的弊端。表面波法虽然解决了体波法中传感器预埋的难题，但是其检测精度较低，检测范围相对较小。电磁波法检测精度较高，但检测费用昂贵。敲击法的检测成本较低，但是检测结果对检测人员的经验依赖性较强，一般仅作为辅助检测手段。CFRP-混凝土组合构件中界面的粘结状况是保证CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，碳纤维增强复合材料)和混凝土协同受力的关键，对保证结构安全具有重要意义，因此需要开发一套检测效率高、成本低廉且便于在实际工程中推广应用的无损监测系统。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法，该方法检测成本低，对界面剥离缺陷的识别精度高，便于在工程实际中推广应用。

本发明的另一个目的在于提出一种基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测系统。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法，包括：控制信号发生器生成正弦脉冲电压信号，并通过电压放大器对所述正弦脉冲电压信号进行放大；

将放大后的所述正弦脉冲电压信号接入粘贴于碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件表面的压电陶瓷片驱动端，压电陶瓷片在逆压电效应下产生超声振动，并以压电应力波的形式在所述碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中传播，接收端的压电陶瓷片功能元阵列在压电陶瓷正压电效应的作用下产生不同峰值的时域电压信号；

通过多通道数据采集设备对不同通道的所述时域电压信号进行采集，根据多道面波分析方法对采集的所述时域电压信号进行数据分析以完成损伤检测。

本发明实施例的基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法，通过在CFRP外侧粘贴压电陶瓷片PZT(piezoelectric ceramic，压电陶瓷片)，通过32组PZT智能材料的阵列形成多道面波分析的数据采集模式。通过对PZT功能元阵列输出时程信号的特征参数分析可判断CFRP-混凝土界面剥离缺陷的位置，结合对时程信号的正演分析判别应力波属性，从而实现对界面剥离缺陷的双重识别，检测成本低，对界面剥离缺陷的识别精度高。

另外，根据本发明上述实施例的基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：

将放大后的所述正弦脉冲电压信号通过同轴屏蔽导线输出至示波器，检测放大后的所述正弦脉冲电压信号的波形；

将所述压电陶瓷片功能元阵列中第一个功能单元的波形通过同轴屏蔽导线输出至示波器以检测线路连接是否异常。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据多道面波分析方法对采集的所述时域电压信号进行数据分析以完成损伤检测，具体包括：

通过对所述压电陶瓷片功能元阵列输出的所述不同峰值的时域电压信号的数据进行F-K正演分析，识别在所述碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中传播的表面波的属性，通过与理论Lamb波和Rayleigh波的对比，实现损伤识别。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据多道面波分析方法对采集的所述时域电压信号进行数据分析以完成损伤检测，具体包括：

通过所述压电陶瓷片功能元阵列输出的所述不同峰值的时域电压信号的幅值同轴特性的变化，判别所述碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中界面剥离缺陷的起点和终点，实现损伤定位。

进一步地，在本发明的一个实施例中，将放大后的所述正弦脉冲电压信号通过同轴屏蔽导线输入所述压电陶瓷片驱动端，由于所述压电陶瓷片驱动端中压电材料的正压电效应，所述压电陶瓷片驱动端在高频脉冲电压信号的作用下产生高频振动，高频振动以压电应力波的形式在所述碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中传播，使所述压电陶瓷片功能元阵列在压电陶瓷正压电效应的作用下产生所述不同峰值的时域电压信号。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测系统，包括：

放大模块，用于控制信号发生器生成正弦脉冲电压信号，并通过电压放大器对所述正弦脉冲电压信号进行放大；

生成模块，用于将放大后的所述正弦脉冲电压信号接入粘贴于碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件表面的压电陶瓷片驱动端，压电陶瓷片在逆压电效应下产生超声振动，并以压电应力波的形式在所述碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中传播，接收端的压电陶瓷片功能元阵列在压电陶瓷正压电效应的作用下产生不同峰值的时域电压信号；

检测模块，用于通过多通道数据采集设备对不同通道的所述时域电压信号进行采集，根据多道面波分析方法对采集的所述时域电压信号进行数据分析以完成损伤检测。

本发明实施例的基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测系统，通过在CFRP外侧粘贴压电陶瓷片PZT(piezoelectric ceramic，压电陶瓷片)，通过32组PZT智能材料的阵列形成多道面波分析的数据采集模式。通过对PZT功能元阵列输出时程信号的特征参数分析可判断CFRP-混凝土界面剥离缺陷的位置，结合对时程信号的正演分析判别应力波属性，从而实现对界面剥离缺陷的双重识别，检测成本低，对界面剥离缺陷的识别精度高。

另外，根据本发明上述实施例的基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：输出模块，

所述输出模块，用于将放大后的所述正弦脉冲电压信号通过同轴屏蔽导线输出至示波器，检测放大后的所述正弦脉冲电压信号的波形；

所述输出模块，还用于将所述压电陶瓷片功能元阵列中第一个功能单元的波形通过同轴屏蔽导线输出至示波器以检测线路连接是否异常。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述检测模块，具体用于，

通过对所述压电陶瓷片功能元阵列输出的所述不同峰值的时域电压信号的数据进行F-K正演分析，识别在所述碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中传播的表面波的属性，通过与理论Lamb波和Rayleigh波的对比，实现损伤识别。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述检测模块，具体用于，

通过所述压电陶瓷片功能元阵列输出的所述不同峰值的时域电压信号的幅值同轴特性的变化，判别所述碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中界面剥离缺陷的起点和终点，实现损伤定位。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述生成模块，具体用于，

将放大后的所述正弦脉冲电压信号通过同轴屏蔽导线输入所述压电陶瓷片驱动端，由于所述压电陶瓷片驱动端中压电材料的正压电效应，所述压电陶瓷片驱动端在高频脉冲电压信号的作用下产生高频振动，高频振动以压电应力波的形式在所述碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中传播，使所述压电陶瓷片功能元阵列在压电陶瓷正压电效应的作用下产生所述不同峰值的时域电压信号。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法流程图；

图2为根据本发明一个实施例的CFRP-混凝土组合构件的几何构造与界面剥离缺陷；

图3为根据本发明一个实施例的应力波在CFRP-混凝土组合构件中的传播示意图；

图4为根据本发明一个实施例的压电陶瓷片驱动端和压电陶瓷片功能元阵列的布置方案；

图5为根据本发明一个实施例的采用的PZT功能元组装详图；

图6为根据本发明一个实施例的CFRP-混凝土组合构件无损监测流程图；

图7为根据本发明一个实施例的数据采集分析和处理流程图；

图8为根据本发明一个实施例的基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测系统结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法及系统。

首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法。

图1为根据本发明一个实施例的基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法流程图。

如图1所示，该基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法包括以下步骤：

在步骤S101中，控制信号发生器生成正弦脉冲电压信号，并通过电压放大器对正弦脉冲电压信号进行放大。

具体地，该检测方法主要包括高性能计算机、信号发生器、电压放大器、示波器、压电功能元、数据采集设备和分析程序组成来实现缺陷检测。

首先，通过高性能的计算机发出控制信号来控制信号发生器产生正弦脉冲电压信号，再通过电压放大器对正弦脉冲电压信号的电压峰值进行放大。将放大后的正弦脉冲电压信号输入示波器中以检验放大后正弦脉冲电压信号的波形。

在步骤S102中，将放大后的正弦脉冲电压信号接入粘贴于碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件表面的压电陶瓷片驱动端，压电陶瓷片在逆压电效应下产生超声振动，并以压电应力波的形式在碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中传播，接收端的压电陶瓷片功能元阵列在压电陶瓷正压电效应的作用下产生不同峰值的时域电压信号。

具体地，压电陶瓷片驱动端由PZT(piezoelectric ceramic，压电陶瓷片)功能元组成，PZT压电功能元由BNC(Bayonet Nut Connector)接头、同轴屏蔽导线和压电陶瓷片组成。同轴屏蔽导线分别通过焊接与BNC接头和陶瓷片相连。PZT陶瓷片阵列，通过环氧树脂与CFRP外表面进行黏贴，阵列间距为恒定值，且应控制粘结层厚度的均匀性和压电陶瓷的平整度。

压电陶瓷片采用32组线性阵列的形式，并采用高精度多通道数据采集设备进行采集，圆形压电陶瓷片的振动方向为其厚度方向，在输入激励电压信号的作用下产生高频振动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，将放大后的正弦脉冲电压信号通过同轴屏蔽导线输入压电陶瓷片驱动端，由于压电陶瓷片驱动端中压电材料的正压电效应，压电陶瓷片驱动端在高频脉冲电压信号的作用下产生高频振动，高频振动以压电应力波的形式在碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中传播，使压电陶瓷片功能元阵列在压电陶瓷正压电效应的作用下产生不同峰值的时域电压信号。

具体地，将放大后的正弦脉冲电压信号通过同轴屏蔽导线输入PZT驱动端，由于压电材料的逆压电效应，PZT驱动端在高频激励信号的作用下，沿其厚度方向产生高频振动，高频振动以应力波的形式在CFRP-混凝土组合构件中传播。在压电应力波的作用下，接收端的32组PZT功能元阵列在压电陶瓷正压电效应的作用下将产生不同峰值的时域电压信号。

进一步地，将32组PZT功能元阵列中的第一个功能元的波形通过同轴屏蔽导线输入示波器中以检查设备连接是否异常。

在步骤S103中，通过多通道数据采集设备对不同通道的时域电压信号进行采集，根据多道面波分析方法对采集的时域电压信号进行数据分析以完成损伤检测。

具体地，通过高精度的多通道数据采集设备对不同峰值的时域电压信号的数据进行采集，通过同轴屏蔽导线将32组PZT功能元阵列全部连接至数据采集设备进行同步采集和记录，最后在计算机终端进行数据处理和分析。

其中，高精度数据采集设备必须满足对主频为500kHz电压信号的数据采集，并实现对32组PZT功能元阵列的同步采集。

可以理解的是，PZT驱动端在高频激励电压信号的作用下产生高频振动，压电应力波将激发PZT功能元阵列产生电压信号，结合高性能数据采集系统和多道面波分析实现对CFRP-混凝土界面剥离损伤的检测。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据多道面波分析方法对采集的所述时域电压信号进行数据分析以完成损伤检测，具体包括：

通过对压电陶瓷片功能元阵列输出的不同峰值的时域电压信号的数据进行F-K正演分析，识别在碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中传播的表面波的属性，通过与理论Lamb波和Rayleigh波的对比，实现损伤识别。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据多道面波分析方法对采集的时域电压信号进行数据分析以完成损伤检测，具体包括：

通过压电陶瓷片功能元阵列输出的不同峰值的时域电压信号的幅值同轴特性的变化，判别碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中界面剥离缺陷的起点和终点，实现损伤定位。

具体地，对比分析32通道采集设备的时域电压信号的幅值及其对应的声时的变化趋势，依据电压信号峰值同轴特性实现对剥离区域起点和终点的识别。通过对32组压电传感器输出信号的正演分析，得到其频散图像，并将其与Lamb波和Rayleigh波的理论频散曲线对比，识别CFRP中表面波的属性，进而实现对界面剥离缺陷的识别。

综上，通过高性能计算机控制信号发生装置产生电压信号，经过电压放大器放大后在示波器上显示放大后的波形，然后将脉冲电压信号输入PZT驱动端使其产生高频振动。压电应力波在CFRP-混凝土组合构件中传播，并引起压电传感器阵列的超声振动，进而产生电压信号。采用多通道高精度数据采集设备进行PZT传感器阵列输出的电压信号的同步采集，并存储于计算机中。通过对PZT功能元阵列输出时程信号的特征参数分析可判断CFRP-组合构件中界面损伤的位置，结合对时程信号的正演分析判别应力波属性，从而实现对界面剥离缺陷的双重识别。

下面结合具体实施例及附图对基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法进行详细说明，主要包括硬件采集设备和多道面波分析两部分，解决了CFRP-混凝土界面剥离缺陷的高效识别，并可以降低监测成本。

如图2所示，CFRP-混凝土组合构件一般由CFRP布或板材1、粘结材料2和混凝土3组成，由于粘结层加工误差或长期往复荷载作用，极易形成界面剥离缺陷4。

如图3所示，在外界脉冲激励P(高频振动信号)的作用下，高频振动将以应力波的形式在CRRP-混凝土中传播。应力波以透射波a的形式进入CFRP材料，并CFRP和粘结层界面间i形成反射波b，一部分透射波c经传播至粘结层，并在粘结层和混凝土的界面j形成反射波d，部分应力波以透射波e的形式在混凝土中传播。高频振动以Rayleigh波f和CFRP中传播的应力波g和粘结层中传播的应力波h的形式在构件中继续传播。

如图4所示，为了实现对CFRP1、粘结层2和混凝土3之间的界面剥离缺陷4的高效识别，基于多道面波分析多通道数据采集方法，由PZT驱动端○a和32通道PZT功能元阵列b○组成，通过同轴屏蔽导线5连接于多通道数据采集系统6。

如图5所示，PZT驱动端○a和32通道PZT功能元b○，主要由BNC接头、同轴屏蔽导线和圆形压电陶瓷片组成，屏蔽导线的零线和火线分别与压电陶瓷片的正极和负极进行焊接。

如图6所示，基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法的系统主要包括高性能计算机①、信号发生器②、电压放大器③、示波器④、CFRP-混凝土组合构件⑤、数据采集系统⑥组成。

工作流程为：高性能计算机①通过导线I控制信号发生器②激发特定频率的脉冲电压信号，经过导线II输入电压放大器③将信号幅值进行放大，经过导线III连接示波器④以检查电压波形。经放大后的电压信号，通过同轴屏蔽导线IV与PZT驱动端相连使其激发高频振动信号，在高频应力波的作用下，32通道PZT功能元产生的电压信号通过同轴屏蔽导线V连接至数据采集系统⑥,最终通过导线VI将采集到的电压信号输入高性能计算机中存储并进行数据分析。

上述的仪器设备组成简单，PZT功能元加工和制作方便且成本低，便于工厂批量生产，由于采用了多通道传感器阵列的方式，可结合多道面波分析方法实现对界面剥离缺陷的识别精度，由于不需要在CFRP-混凝土组合构件中预埋传感器，可便于在大型实际工程结构中的应用。

如图7所示，对采集到的不同峰值的时域电压信号的数据处理主要包括以下步骤：

1)步骤1：PZT功能元阵列各通道数据采集；

2)步骤2：将原始数据转化为SG2格式并检查波形；

3)步骤3：分析SG2格式时程曲线特征参数，依据幅值同轴特性识别界面剥离缺陷的起点和终点；

4)步骤4：基于F-K变换的正演分析；

5)步骤5：提取基础模态M0；

6)步骤6：对比正演分析M0和理论Rayleigh波与Lamb波频散曲线、识别应力波属性，识别界面剥离损伤。

上述数据分析方法可以避免对检测结果的误判，不仅可以通过功能元阵列输出的时域电压信号波形判别截面剥离缺陷的具体位置，还可以通过对时域信号的正演分析对应力波的属性进行识别，实现对界面剥离缺陷的双层识别。

根据本发明实施例提出的基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法，通过在CFRP外侧粘贴压电陶瓷片PZT，通过32组PZT智能材料的阵列形成多道面波分析的数据采集模式。通过对PZT功能元阵列输出时程信号的特征参数分析可判断CFRP-混凝土界面剥离缺陷的位置，结合对时程信号的正演分析判别应力波属性，从而实现对界面剥离缺陷的双重识别，检测成本低，对界面剥离缺陷的识别精度高。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测系统。

图8为根据本发明一个实施例的基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测系统结构示意图。

如图8所示，该基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测系统包括：放大模块100、生成模块200和检测模块300。

其中，放大模块100用于控制信号发生器生成正弦脉冲电压信号，并通过电压放大器对正弦脉冲电压信号进行放大。

生成模块200用于将放大后的正弦脉冲电压信号接入粘贴于碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件表面的压电陶瓷片驱动端，压电陶瓷片在逆压电效应下产生超声振动，并以压电应力波的形式在碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中传播，接收端的压电陶瓷片功能元阵列在压电陶瓷正压电效应的作用下产生不同峰值的时域电压信号。

检测模块300用于通过多通道数据采集设备对不同通道的时域电压信号进行采集，根据多道面波分析方法对采集的时域电压信号进行数据分析以完成损伤检测。

该检测系统10仪器安装方便，检测精度高，且可实现对CFRP-混凝土组合构件界面剥离缺陷的识别与定位。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：输出模块，

输出模块，用于将放大后的正弦脉冲电压信号通过同轴屏蔽导线输出至示波器，检测放大后的正弦脉冲电压信号的波形；

输出模块，还用于将压电陶瓷片功能元阵列中第一个功能单元的波形通过同轴屏蔽导线输出至示波器以检测线路连接是否异常。

进一步地，在本发明的一个实施例中，检测模块，具体用于，

通过对压电陶瓷片功能元阵列输出的不同峰值的时域电压信号的数据进行F-K正演分析，识别在碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中传播的表面波的属性，通过与理论Lamb波和Rayleigh波的对比，实现损伤识别。

进一步地，在本发明的一个实施例中，检测模块，具体用于，

通过压电陶瓷片功能元阵列输出的不同峰值的时域电压信号的幅值同轴特性的变化，判别碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中界面剥离缺陷的起点和终点，实现损伤定位。

进一步地，在本发明的一个实施例中，生成模块，具体用于，

将放大后的正弦脉冲电压信号通过同轴屏蔽导线输入压电陶瓷片驱动端，由于压电陶瓷片驱动端中压电材料的正压电效应，压电陶瓷片驱动端在高频脉冲电压信号的作用下产生高频振动，高频振动以压电应力波的形式在碳纤维增强复合材料-混凝土组合构件中传播，使压电陶瓷片功能元阵列在压电陶瓷正压电效应的作用下产生不同峰值的时域电压信号。

需要说明的是，前述对基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测方法实施例的解释说明也适用于该实施例的系统，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于压电陶瓷的多道面波分析的无损检测系统，通过在CFRP外侧粘贴压电陶瓷片PZT，通过32组PZT智能材料的阵列形成多道面波分析的数据采集模式。通过对PZT功能元阵列输出时程信号的特征参数分析可判断CFRP-混凝土界面剥离缺陷的位置，结合对时程信号的正演分析判别应力波属性，从而实现对界面剥离缺陷的双重识别，检测成本低，对界面剥离缺陷的识别精度高。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。