實驗名稱：基于壓電智能傳感技術的鋼結構節點連接健康監測研究

　　研究方向：無損檢測

　　測試目的：

　　鋼結構在安裝和使用過程中，節點連接區較常見的兩類損傷：螺栓松動和裂紋擴展進行研究，提出了基于壓電智能傳感技術的鋼結構節點連接健康監測方法，以期爲鋼結構的安全運營提供一定保障。具體研究內容包括：基于時間反演技術的鋼塔筒法蘭節點螺栓松動監測研究；基于壓電阻抗和BP神經網絡的鋼網架節點連接區裂紋擴展監測研究。

　　測試設備：ATA-2022B高壓放大器、通道數獨立式數據采集卡、力矩扳手、壓電陶瓷片、筆記本電腦。

圖：基于時間反演技術的鋼塔筒法蘭節點螺栓松動監測流程圖

　　實驗過程：

圖：基于時間反演技術的鋼塔筒法蘭節點螺栓松動監測的試驗裝置圖

　　基于時間反演技術的鋼塔筒法蘭節點螺栓松動監測的試驗裝置，如上圖所示。以1號螺栓爲例，具體試驗過程如下：

　　1）設備連通與信號發射。根據上圖所示的試驗裝置，完成設備的連接，開啓電源進行儀器預熱並設置好相關參數，等待指示燈顯示各設備連接正常後，進行信號發射。

　　2）信號采集。對法蘭節點處的螺栓施加工況一即初擰，由電腦Labview程序控制數據采集卡發射高斯脈沖信號，信號通過連線到達功率放大器被放大50倍；放大後的信號通過連線到達螺栓帽上的PZT1，並産生一個應力波，該應力波穿過螺栓和法蘭盤連接表面，之後被PZT2接收；Labview程序利用時間反演技術將信號進行反轉並發射；最終，應力波信號在PZT1處形成信號的聚焦，PZT1通過逆壓電效應將信號轉化爲電信號，通過連線傳遞到信號采集卡中，信號采集卡將電信號轉化成數字信號，保存至電腦端。以同樣的方式，完成1號螺栓不同工況下的信號的采集。

　　本試驗選用PZT在100kHz附近的一個頻率峰值，即中心頻率設爲100kHz，試驗中采樣頻率爲1MHz，采樣時長爲1s。具體參數如表3.3所示。根據脈沖信號的相關參數，利用高斯型調制正弦模式生成的脈沖信號，如下圖所示。

圖：高斯脈沖信號圖

　　實驗結果：

　　鋼塔筒法蘭節點損傷機理：法蘭節點上的PZT片被高斯信號激勵後，産生應力波並沿著法蘭節點進行傳遞，當法蘭節點處的連接發生松動時，法蘭節點之間的接觸面積相對減少，引起應力波能量在傳感器之間的傳播和衰減，能量變化會引起聚焦峰值的不同，通過聚焦信號峰值的變化就可以判斷法蘭節點的松緊狀態。

　　鋼塔筒法蘭節點損傷識別結果：七種不同扭矩值作用下，鋼塔筒法蘭節點結構基于時間反演技術測得的聚焦信號峰值，如下圖所示，從圖像中可以得到，在不同的工況下即在不同的扭矩值作用下，應力波信號形成了不同程度的聚焦，驗證了時間反演技術的有效性。

圖：1號螺栓在不同扭矩值作用下的應力波聚焦信號圖

　　爲了更加直觀的反應不同工況下應力波聚焦信號的變化趨勢，提取1号螺栓每种工况下应力波的聚焦峰值，利用Origin软件绘制1号螺栓在不同扭矩值作用下，应力波信号的聚焦峰值和扭矩值之间变化的曲线图，如下圖所示，由曲线图可知：1）每一种工况下应力波的聚焦峰值各不相同，扭矩值和应力波的聚焦峰值存在非线性关系，且应力波信号聚焦峰值的大小随着扭矩值的增加而增大，这与之前的推导结果呈现一致性，即PZT片接收到的应力波信号的聚焦峰值越多，法兰节点有效接触面积越多，法兰节点连接就越紧密。进一步证明了基于时间反演技术所获得的应力波信号的聚焦峰值可以实现钢塔筒法兰节点连接状态的有效监测；2）在整个曲线图中，应力波的聚焦峰值在扭矩值为0-45N?m的范围内增速较快，后期增速趋于平稳，这是因为随着扭矩值的不断增加，越来越靠近健康状态，所以，图像变化较慢，增长速度较缓。

圖：1號螺栓不同扭矩值作用下聚焦信號峰值的變化圖

　　安泰ATA-2022B高壓放大器：

圖：ATA-2022B高壓放大器指标参数

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　　本文实验案例参考自知网论文《基于壓電智能傳感技術的鋼結構節點連接健康監測研究》