土木工程結構健康監測中的壓電傳感技術研究

孫艾薇,郭少華

(中南大學土木建筑學院,湖南長沙 410083)

土木工程結構健康監測中的壓電傳感技術研究

孫艾薇,郭少華

(中南大學土木建筑學院,湖南長沙 410083)

從壓電方程入手,分析了采用壓電陶瓷傳感器進行動態應變傳感的原理和計算公式。通過實驗研究了不同激振頻率下壓電傳感器的動態響應,其電壓特性曲線表明該傳感器靈敏度高,且輸入輸出具有較好的線性關系。另外,輸出電壓與傳感元件的厚度有一定關系,靈敏度隨著厚度的增大而增大。此項研究結果為結構健康監測工程應用奠定了理論基礎。

壓電陶瓷傳感器; 動態應變; 結構健康監測

1 結構健康監測

近年來,隨著科技的日新月異以及人類對生活質量需求的不斷增強,土木工程結構逐漸趨向復雜化和多樣化。大型復雜的土木工程結構的使用期往往長達幾十年甚至數百年,其在長期自然環境荷載以及地震、臺風和爆炸等突發性荷載作用下的損壞是一個不可逆轉的過程[1]。因此,對重大工程結構進行實時在線健康監測與損傷診斷顯得極為重要。結構健康監測也已成為世界范圍內土木工程領域的前沿研究方向[2]。

從目前國內外結構監測的研究現狀可看出,智能材料的應用是一個共同的發展趨勢,其中具有代表性的就是壓電材料。其在傳感方面具有響應快,頻響范圍寬,易剪裁,價格低廉等特點,因此在結構健康監測方面有著巨大的應用潛力。本文采用PZT壓電陶瓷傳感器對結構動態應變進行傳感,它一方面拾取力信號;另一方面把拾取的力信號進行變換,變換成一種與被測量有確定函數關系的且便于傳輸和處理的電信號[3,4]。基于壓電陶瓷的動態應變傳感技術相對于傳統方法有較大的優越性。傳統動態應變傳感一般采用應變片,但其穩定性差,零點飄移厲害,特別是應用于結構監測時,引線過長,會引起過大的干擾信號,造成信噪比下降。而壓電片輸出的是電荷信號,引線對信號影響較小,且不存在零點飄移。

2 壓電傳感特性研究

2.1 壓電陶瓷材料的選取

為了在結構健康監測中充分發揮其壓電特性,本文選用具有較好傳感、驅動功能的PZT-5H[5]壓電陶瓷對混凝土結構進行監測。這種壓電陶瓷具有高機電耦合系數,高介電常數、高柔順性的特點,因而在驅動和傳感方面均具有良好的表現。表 1為實驗中采用的壓電陶瓷材料各項參數。

2.2 電荷放大器

由于壓電陶瓷為高阻抗元件,其輸出電流信號很微弱,因此需經過前置放大才能采集信號。由于電壓放大器所配接的引線電纜將影響傳感器的輸出和靈敏度,對測量帶來不便,而電荷放大器可以克服這一缺點,因此實際應用中應選用電荷放大器。

實際應用中,壓電傳感器測量電路的組成如圖 1所示。

圖 1 壓電傳感器測量電路

2.3 壓電傳感計算式的建立

壓電傳感機理是壓電材料的正壓電效應[6],這里選用第一類壓電方程的機電耦合方程來計算傳感器的輸出電壓。

如圖2,電極沿 3方向布置,則PZT壓電陶瓷的壓電常數矩陣為[7]:

圖2 壓電材料的計算方向

若不考慮其它兩個方向的變形,則在上圖作用力下壓電傳感器表面產生的單位電荷量為

式(1)中,T3為壓電陶瓷在z方向所受應力,d33為壓電應變常數。對單位電荷量在壓電陶瓷受力面積Ae上進行積分,可得到壓電陶瓷表面產生的電量為

由放大器原理可知,當壓電陶瓷傳感器的測量電路中接入電荷放大器之后,傳感器的輸出電壓僅與放大器的反饋電容有關,即

2.4 實驗研究及輸出電壓特性分析

由于壓電陶瓷是一種電荷源器件,不能采用靜態力來對其進行加載測試,此外,對壓電傳感器進行動態標定的方法較為復雜,因此本文參照文獻[8]的實驗方法,采用動態加載的測試方法研究壓電應變傳感的動態響應特性。

實驗中將信號源產生的正弦信號通過激振器作用到等強度梁上。針對土木工程中低頻振動測量,激振頻率從0.1Hz變化到40 Hz,測試不同激振頻率下壓電應變傳感器的動態響應。在正弦信號頻率已設定的情況下,對傳感器在測量范圍內采用步長為 100 N的變幅加載,預加載為1.2 kN,用正弦信號的幅值來控制激振力的大小,得到壓電陶瓷傳感器的輸出電壓與荷載的關系曲線。

由圖 3曲線可以看出,對應各級荷載的加載曲線,壓電陶瓷傳感器的輸出呈現良好的線性增長關系。由表 2傳感器靈敏度的測試結果可以看出,對于面積相同,厚度不同的壓電陶瓷傳感器來說,其靈敏度有隨著厚度的增大而增大的趨勢。

圖3 兩種壓電陶瓷傳感器所受應力與對應的輸出

3 結 論

本文首先論述了結構健康監測的重大意義和實用價值,繼而從壓電方程入手,分析了采用壓電陶瓷片進行動態應變傳感的原理和計算公式。從傳感器動態力學性能測試實驗結果可以看出,每只傳感器的輸出均呈現較好的線性關系,其電壓輸出與傳感元件的厚度有一定關系,靈敏度隨著厚度的增大而增大。文中論證了基于壓電傳感技術進行結構健康監測方法的可行性,為實際工程應用奠定了理論基礎,應用前景廣闊。

[1] Kiremidjian A S,Straser EG,Meng T et al.StructuralDamagemonitoring for Civil Structures[M].In:Proceedings of the InternationalWorkshop of Structural Health Monitoring.Technomic Publishing Company,1997:371-382

[2] 謝強,薛松濤.土木工程健康監測的研究狀況與進展[J].中國科學基金,2001(5):285-288

[3] 丁鎮生.傳感器及傳感技術應用[M].北京:電子工業出版社,1998

[4] 吳興惠,全彩君.傳感器與信號處理[M].北京:電子工業出版社,1998

[5] 欒桂東,張金鐸,王仁乾.壓電換能器和換能器陣[M].北京:北京大學出版社,2005

[6] 孫慷,張福學.壓電學[M].北京:國防工業出版社,1984

[7] 王昌明,孔德明,何云峰.傳感與測試技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005

[8] 萬建國,朱紀軍,石立華,等.PVDF壓電薄膜在結構監測中的初探[J].傳感技術學報,1998(1):18-24

TU317+.9

A

2010-01-18

[國家自然科學基金項目]集壓電驅動/傳感一體化技術的結構在線健康監測的研究(50778179)

孫艾薇(1985～),女,工學碩士,研究方向:壓電智能結構;郭少華(1960～),男,工學博士,教授,博士生導師。