新型水泥基壓電傳感器的基本性能研究*

楊曉明，李宗津

(1.遼寧工程技術大學建筑工程學院，遼寧阜新 123000；2.香港科技大學土木及環境工程學系，香港九龍清水灣)

隨著社會經濟的發展，土木工程結構的安全使用愈來愈受到重視。在各類土木工程結構的長期使用過程中，環境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應、疲勞效應與突變效應等災害因素的耦合作用將不可避免地導致結構材料性能的不斷退化，以至于系統的損傷積累和抗力衰減，從而抵抗自然災害、甚至正常環境作用的能力下降，極端情況下引發災難性的突發事故［1］。雖然土木工程結構在事故發生前，結構中均出現裂縫、不均勻沉降、局部開裂、撓度過大、鋼筋銹蝕等癥狀，但由于缺乏可靠有效的預警和監測系統，無法在事故發生前發出警報，來避免事故的發生。有鑒于此，對于已建成使用的超高層建筑、大跨度空間結構、大跨度橋梁等重要建筑需要布置有效的監測系統，對其關鍵部位應力、位移以及整個結構的動態特性進行實時監測，隨時評定其安全狀況，在出現危險信號時候及時發出預警，避免災難發生［2－3］；對于擬建和在建的大型土木工程結構，在吸取以往的經驗和教訓基礎上，在施工過程中就埋入各類傳感器［4－5］，從施工期開始監測結構各項參數，實時地把握結構的全壽命質量和安全狀況，分析傳感器獲得的各項參數的變化，判斷結構中可能出現的損傷，及時采取適當的修補措施，以確保工程結構在生命期內的安全性、完整性、可靠性、適用性和耐久性。

從上述分析可知確保結構安全的關鍵是傳感器。目前用于結構性能監測的傳統傳感器包括力傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、電阻應變片等，除此之外還有利用各種智能材料包括光導纖維［6－7］、壓電材料［8－10］等制作的新型傳感器。然而目前常用的傳感器在土木工程結構中的應用都存在若干問題，如埋入式傳感器會改變結構內應力分布；傳感器壽命小于結構壽命；傳感器在結構施工中易被破壞等等［11－12］。Li等［13－14］于 2001 年提出一種新型壓電復合材料，包括水泥相和壓電陶瓷相，簡稱水泥基壓電復合材料，這種材料具有傳感性能及驅動性能，而且非常適合用于混凝土結構中。如果將這種水泥基壓電復合材料作為傳感元件并且用水泥進行封裝制成傳感器，將其應用到土木工程結構中，尤其是埋入到混凝土結構中，這種水泥基壓電傳感器會像骨料一樣埋入混凝土結構中而不改變結構的特性，在傳感器與周圍混凝土間也不存在不連續的界面問題，不會出現應力突變顯現，而這一點是傳統傳感器應用中難以避免的。

本文基于上述思路開發了一種新型水泥基壓電傳感器并對其基本性能進行測試。首先在壓電材料理論的基礎上，研究了電荷放大器在水泥基壓電傳感系統中的應用，之后確定了水泥基壓電傳感器的制作過程，并通過試驗檢測了傳感器的頻率獨立性、線性度等基本性能。最后通過試驗結果確定這種新型水泥基壓電傳感器在土木工程結構監測中應用的可行性。

1 壓電材料基本理論

1.1 壓電效應

1880年Curie Pierr和Curie Jacques兄弟發現，當在某些特定方向上對某石英晶體加力(拉或壓)時，在與力方向垂直的平面內出現正、負束縛電荷，這種現象后來被稱為壓電性，如圖1所示，所產生電荷為:

其中ΔQ為壓電材料表面產生電荷的變化量，ΔF為壓電材料表面所施加荷載的變化量，k為比例系數。

圖1 壓電效應示意圖

1.2 電荷放大器

通常壓電材料的輸出為電荷信號，而壓電材料本身電阻不可能無窮大，因此電荷會慢慢跑掉，只能在其上加變化力，電荷才能不斷得到補充，故利用壓電材料傳感效應的傳感器只宜做動態測量。壓電材料的輸出信號非常微弱，需要使用電荷放大器將其放大并進行阻抗變換，之后才可進行一般測量。

電荷放大器的工作原理如圖2所示。其中，ΔQ為壓電傳感元件受到外力后產生的電荷量；Cinp為放大器輸入電容，Cf為放大器反饋電容；Rf為放大器反饋電阻；Uout為電荷放大器輸出電壓，Amp為運算放大器。通常情況，電荷放大器的輸出電壓為

由式(1)和式(2)可得

從式(3)中可以看出，由于對于給定的電荷放大器，其反饋電容是固定的，故采用電荷放大器的測試系統的輸出電壓與壓電傳感元件產生的電荷量成正比關系，不會出現衰減和滯后的現象。而壓電傳感元件所產生的電荷量是與其所受到的外力成正比的，因此電荷放大器測試系統的輸出電壓與壓電元件所受到的外力成正比，這正是傳感器所需要的基本特性。

圖2 電荷放大器工作原理

圖3所示為無電荷放大器的測試系統測得的水泥基壓電材料在受到往復荷載時的電壓輸出。從圖3可以看出，壓電材料的輸出幅值隨著輸入荷載的頻率降低而降低，并且輸入信號和輸出信號之間存在一定的相位差。

圖3 無電荷放大器的測試系統的電壓輸出

圖4所示為帶電荷放大器的測試系統測得的水泥基壓電材料在受到往復荷載時的電壓輸出。從圖4可以看出，壓電材料的輸出幅值不隨著輸入荷載的頻率變化而變化，并且輸入信號和輸出信號之間基本不存在相位差。由此可見，使用電荷放大器可以保證水泥基壓電材料在一定范圍內的頻率獨立性，而且可以基本消除相位差，這為水泥基壓電材料傳感器準確測量復雜荷載提供有力保證。

圖4 有電荷放大器的測試系統的電壓輸出

1.3 壓電復合材料

壓電復合材料是一種多相材料，它是由壓電陶瓷和高分子聚合物通過復合工藝構成的一種新型材料。這種材料不僅能保持原組分的特色，通過復合效應還能使其具有原組分材料所不具備的性能。Li等提出一種新型壓電復合材料，包括水泥相和壓電陶瓷相，簡稱水泥基壓電復合材料，這種水泥基壓電復合材料采用兩種連通方式進行設計和制作，分別為0－3型和2－2型，其中2－2型水泥基壓電復合材料為相互平行的壓電陶瓷片等間距地被埋入水泥基材料中。這種水泥基壓電復合材料非常適合用于混凝土結構中，其傳感性能等具體細節可以參考有關文獻。本文利用這種水泥基壓電復合材料制作成傳感器以用于混凝土結構的性能監測。

2 水泥基壓電傳感器的制作

本文所開發的水泥基壓電傳感器主要用于土木工程結構中，因此水泥基壓電復合材料中功能相(壓電陶瓷)的選擇需要考慮土木工程測量的要求。一般土木工程動態測試的常用頻率范圍為0.01 Hz～40 Hz，所選的壓電陶瓷需要在此范圍內滿足頻率獨立性。除了頻率獨立性，還要考慮壓電陶瓷的強度、壓電常數、機電耦合系數和相對介電常數等等。本研究中選取香港功能陶瓷有限公司出品的P85和P43系列壓電陶瓷作為水泥基壓電復合材料的功能相。P85和P43系列壓電陶瓷具有較高的介電常數和機電耦合系數。為了簡化制作過程，本文開發的水泥基壓電傳感器為僅將一片壓電陶瓷封入水泥基中。具體做法是將壓電陶瓷片粘結在兩個水泥立方體間，如圖5所示。

圖5 水泥基壓電傳感器制作過程

為制作水泥基壓電傳感器特地開發了一種新的封裝材料來粘結水泥塊和壓電陶瓷片。這種封裝材料由干水泥粉和環氧樹脂混合而成，它具有高強度、高電阻率和高防水性。這種材料硬化以后，其強度遠高于環氧樹脂硬化后的強度，接近于水泥硬化的強度。封裝材料與水泥塊間的力學性能匹配更有利于從水泥塊到壓電陶瓷間的應力傳遞，確保壓電陶瓷上獲得真實應力。同時這種封裝材料還具有同環氧樹脂一樣高的電阻率，可以保證傳感器的電學穩定性。另外，這種封裝材料還具有很高的防水性，可以保證壓電陶瓷不受水汽的影響。制成后的水泥基壓電傳感器的樣品尺寸為20 mm×20 mm×40 mm，故此在其軸心方向上施加400 N的力，其內部應力為1 MPa。

3 水泥基壓電傳感器的基本性能測試

水泥基壓電傳感器制作完成之后，在電液自動侍服實驗機(MTS)上進行性能測試，測試內容包括頻率獨立性、線性度和復雜荷載測試。

3.1 試驗裝置

水泥基壓電傳感器性能測試試驗裝置如圖6所示。MTS的函數發生器控制加壓板產生正弦波荷載、隨機荷載和方波荷載施加給水泥基壓電傳感器。在MTS的產生的荷載下，傳感器產生高阻抗的電荷型信號，由電荷放大器(B＆K，2635)轉換為低阻抗的電壓型信號。最后，電壓型傳感器輸出信號和力傳感器獲得的MTS產生的實際荷載信號由電腦采集并存儲。

圖6 水泥基壓電傳感器性能測試試驗裝置

3.2 頻率獨立性

傳感器的頻率獨立性是測量動態響應傳感器的重要性能之一。因此首先檢測水泥基壓電傳感器的頻率獨立性。為此，設計了一種專門的加載制度，稱為頻率掃描加載，如圖7所示。在頻率掃描加載中，保持輸入正弦荷載的幅值不變，改變輸入荷載的頻率，從0.01 Hz～40 Hz。此頻率范圍是土木工程常見的頻率范圍。頻率掃描荷載的平衡位置為3 000 N，以此來模擬傳感器在實際結構中所受到的預壓情況。

圖7 頻率掃描加載制度示意圖

圖8所示為采用P85系列壓電陶瓷作為功能相的水泥基壓電傳感器在頻率掃描荷載下的頻率響應。從圖8可以看出，在整個頻率范圍內傳感器輸出電壓的幅值幾乎是固定的。也就是說，傳感器輸出電壓的幅值同輸入荷載的頻率間的擬合曲線在整個頻率范圍內是一條水平直線，即傳感器輸出電壓的幅值不隨輸入荷載頻率的變化而變化。

圖8 水泥基壓電傳感器在頻率掃描荷載下頻率響應

圖9 水泥基壓電傳感器在頻率掃描荷載下相位差變化

圖9所示為采用P85系列壓電陶瓷作為功能相的水泥基壓電傳感器在頻率掃描荷載下的相位差變化。從圖9可以看出，傳感器輸出同輸入荷載間的相位差非常接近于零，也就是說，傳感器的響應同輸入荷載基本同步，不存在滯后現象。上述兩點可以保證傳感器在承受由不同頻率和幅值的正弦荷載組合而成的復雜荷載時，其輸出波形不會發生變形和扭曲。采用P43系列壓電陶瓷作為功能相的水泥基壓電傳感器在頻率掃描荷載下的頻率響應和相位差同P85系列基本類似，本文就不一一贅述。

3.3 線性測試

傳感器的線性度是保證傳感器準確測量的重要性能。為了檢測水泥基壓電傳感器的線性性能，專門設計一種加載制度，稱為幅值掃描加載，如圖10所示。在幅值掃描加載中，保持輸入正弦荷載的頻率為固定值1 Hz，改變輸入荷載的幅值(峰到峰)，從200 N～3 800 N，對應于傳感器內部的軸向壓應力為0.5 MPa～9.5 MPa。幅值掃描荷載的平衡位置為3 000 N，以此來模擬傳感器在實際結構中所受到的預壓狀態。

圖10 頻率掃描加載制度示意圖

圖11所示為P85系列水泥基壓電傳感器在幅值掃描荷載下傳感器輸出電壓幅值同輸入荷載幅值間的關系。從圖11可以看出，在傳感器輸出電壓幅值和輸入荷載幅值間存在明顯的線性關系。盡管不同傳感器樣品的試驗擬合直線的斜率稍有不同，這是由于在傳感器制作過程中，壓電陶瓷片的尺寸略有不同，從而導致在同樣外力的情況下產生的電荷有所不同，傳感器輸出的電壓也有所不同，所以擬合直線的斜率有所差異。這種傳感器輸入輸出間的簡單線性關系，是傳感器應用的基本要求。圖12所示為P85系列水泥基壓電傳感器在幅值掃描荷載下傳感器輸入輸出信號間相位差同輸入荷載幅值間的關系。從圖12可以看出，在整個輸入荷載幅值范圍內傳感器輸入輸出信號間相位差基本接近于零。上述兩點特性使水泥基壓電傳感器用于結構性能監測成為可能。

圖11 幅值掃描荷載下水泥基壓電傳感器輸出電壓幅值同輸入荷載幅值間的關系

圖12 幅值掃描荷載下水泥基壓電傳感器輸入輸出信號相位差同輸入荷載幅值間的關系

3.4 復雜荷載

為了進一步評估水泥基壓電傳感器的性能，設計各種復雜荷載，包括正弦組合荷載、隨機荷載和方波荷載。將這些荷載施加到水泥基壓電傳感器上，以觀察其響應。

正弦組合荷載由五種不同頻率和幅值的正弦荷載組合而成，如表1所示。五種正弦荷載的頻率基本覆蓋該水泥基壓電傳感器的頻率范圍，組合而成的荷載幅值達到該傳感器線性測試試驗的最大值。圖13所示為正弦組合荷載及對應的傳感器輸出。圖14所示為正弦組合荷載的細節及對應的傳感器輸出的細節。從圖中可以看出，傳感器的輸出同正弦組合荷載對應的很好，不論從整體上觀察還是細節波形的對應都非常一致。

表1 正弦組合荷載分量

圖13 正弦組合荷載及對應的傳感器輸出

圖14 正弦組合荷載細節及對應的傳感器輸出細節

隨機荷載可以更真實地反映水泥基傳感器在實際應用中所遇到的真實荷載環境。圖15所示為本文采用的隨機荷載及對應的傳感器的響應。從圖15可以看出，傳感器輸出的波形幾乎和隨機荷載的波形相一致。這表明該水泥基壓電傳感器可以正確反映所受到的隨機荷載。

圖15 隨機荷載及對應的傳感器的響應

本文中采用的方波荷載為平衡位置3 000 N，頻率0.1 Hz，幅值(峰值到平衡位置)400 N。圖16所示為本文采用的方波荷載及對應的傳感器輸出。從圖16可以看出，在傳感器輸出響應中，無論在荷載上升或下降中都沒有震蕩現象出現，這一點對于結構動態測試是十分重要的。

圖16 方波荷載及對應的傳感器的響應

4 結論

本文開發一種用于土木工程結構性能監測的新型水泥基壓電傳感器。試驗檢測了傳感器的頻率獨立性、線性度等基本性能。由研究結果可以得出以下結論:

(1)試驗結果顯示采用同一系列水泥基壓電材料制成的傳感器性能一致，表明本文開發的水泥基壓電傳感器的制作方法是可行而且可靠的。在制作水泥基壓電傳感器過程中開發的專門粘結材料具有高強度、高電阻和高防水性，適合用于壓電材料傳感單元的封裝。

(2)在土木工程結構常用的自振頻率范圍內，水泥基壓電傳感器具有良好的頻率獨立性，同時其輸出輸入信號間的相位差基本接近于零，不存在滯后現象，這保證傳感器在承受復雜荷載時，其輸出波形不會發生變形和扭曲。

(3)水泥基壓電傳感器的輸出電壓幅值與輸入荷載幅值間存在明顯的線性關系。這一點在后續的組合荷載、隨機荷載和方波荷載試驗中得以驗證。同時在承受方波荷載時，無論在荷載上升或下降中都不會出現震蕩現象。

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