壓電智能骨料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能試驗(yàn)研究

張曉悅　任曉丹　李杰

摘要：基于壓電陶瓷材料，設(shè)計(jì)制作了能夠埋入混凝土內(nèi)部的“智能骨料”，作為傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)量。根據(jù)壓電陶瓷片尺寸將傳感器分為A型和B型。采用電荷放大器和LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)力傳感器在動(dòng)力加載下的響應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)分析。研究發(fā)現(xiàn)，傳感器表面實(shí)測(cè)應(yīng)力與電荷放大器輸出電壓之間有良好的線性關(guān)系；在相同的加載速率下，B型應(yīng)力傳感器的靈敏度系數(shù)要高于A型應(yīng)力傳感器，量程小于A型應(yīng)力傳感器。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷；混凝土；應(yīng)力傳感器；動(dòng)態(tài)響應(yīng)

中圖分類號(hào)：TM282 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2016）01-0165-06

0 引言

正確測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布狀況，對(duì)結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測(cè)、健康診斷和災(zāi)害防御均有重要意義。傳統(tǒng)的應(yīng)力測(cè)量大都采用在構(gòu)件表面粘貼應(yīng)變片的方法，通過測(cè)量應(yīng)變、結(jié)合材料的彈性模量間接獲得應(yīng)力數(shù)據(jù)。這種方法雖然簡(jiǎn)單直觀、成本低廉，但并不能測(cè)定結(jié)構(gòu)在非線性受力階段的應(yīng)力，并且難以通過粘貼應(yīng)變片的方法獲得混凝土內(nèi)部的應(yīng)力數(shù)據(jù)。為測(cè)量混凝土內(nèi)部應(yīng)力，需要發(fā)展新的應(yīng)力傳感器。

1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)，在此后的100多年間，對(duì)壓電材料的研究受到越來越多的重視（張福學(xué)，2001）。壓電材料具有優(yōu)良的頻率特性和可集成特性，頻響范圍寬、敏感頻率高，在土木工程健康檢測(cè)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制及壓力與應(yīng)力測(cè)量方面有廣泛的應(yīng)用。壓電陶瓷（Pie-zoelectric Ceramics，PZT）作為壓電材料的一種，能夠有效實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與力信號(hào)的轉(zhuǎn)換，為應(yīng)力測(cè)量提供了可能。Tracy和Chang（1998a，b）率先將壓電陶瓷作為傳感器用以識(shí)別復(fù)合板受到的沖擊作用。陳雨等（2005）通過分級(jí)加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PZT元件參數(shù)（如壓電陶瓷在諧振點(diǎn)和反諧振點(diǎn)處的阻抗、靜態(tài)電容與動(dòng)態(tài)電容等）與應(yīng)力之間有著近乎線性的關(guān)系。Song等（2007a）將PZT傳感器埋入鋼筋混凝土梁，通過沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)力錘輸出的力信號(hào)峰值與PZT傳感器輸出的電壓信號(hào)峰值間有明顯的線性關(guān)系。湖南大學(xué)許斌團(tuán)隊(duì)（李立飛，2011；劉益明，2013）發(fā)明了基于壓電陶瓷的混凝土動(dòng)態(tài)應(yīng)力傳感器，并提出了相應(yīng)的標(biāo)定方法，對(duì)傳感器在沖擊荷載、簡(jiǎn)諧荷載及方波荷載作用下的靈敏度進(jìn)行了標(biāo)定。研究發(fā)現(xiàn)，由于壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)本身有一定的離散性，而壓電陶瓷片的焊接和封裝過程難免會(huì)有一定差異，因此制成的傳感器的靈敏度也會(huì)有一定的離散性。截至目前，對(duì)于在混凝土研究中應(yīng)用的壓電陶瓷應(yīng)力傳感器，大多數(shù)研究主要集中于沖擊荷載作用試驗(yàn)。本文在前人基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制作了一批壓電陶瓷應(yīng)力傳感器，通過系列動(dòng)力加載試驗(yàn)測(cè)量傳感器表面荷載與輸出電壓，建立應(yīng)力一電壓關(guān)系，為混凝土中的應(yīng)力測(cè)量提供新方法。

1 壓電常數(shù)測(cè)定

當(dāng)對(duì)壓電陶瓷施加機(jī)械變形時(shí)，就會(huì)引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)移動(dòng)而產(chǎn)生點(diǎn)的極化，從而導(dǎo)致元件兩個(gè)表面上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，電荷密度與單位面積上的外力成比例，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。壓電常數(shù)是表征壓電材料壓電性能的重要參數(shù)。一般認(rèn)為，壓電常數(shù)越高，壓電材料實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能間相互轉(zhuǎn)換的能力越強(qiáng)，材料的壓電性能越好（李春雷等，2009）。

本文試驗(yàn)采用上海聯(lián)能科技有限公司生產(chǎn)的PZT-5A型壓電陶瓷，如圖1所示，壓電陶瓷分為5mm×5mm×0.3mm（A型）和10mm×10mm×0.3mm（B型）兩種尺寸類型，生產(chǎn)廠商給出的壓電常數(shù)參考值為450×10^-12C·N^-1。選擇兩種規(guī)格尺寸的壓電陶瓷片各75片，采用該公司生產(chǎn)的YE2370A型d₃₃測(cè)量?jī)x進(jìn)行壓電常數(shù)測(cè)量，結(jié)果如表1所示。由表1可見，壓電陶瓷片的壓電常數(shù)具有一定離散性，且樣本均值與生產(chǎn)廠商給出的參考值之間有一定偏差。圖2為測(cè)得壓電常數(shù)分布情況及按照高斯分布擬合的結(jié)果，從圖中可知，對(duì)于同批次、同尺寸的壓電陶瓷，其壓電常數(shù)近似滿足正態(tài)分布。

2 應(yīng)力傳感器設(shè)計(jì)

壓電陶瓷片與結(jié)構(gòu)主體有粘貼式和埋入式這兩種結(jié)合方式（孫威，2009）。“智能骨料”即為埋人式的代表（Song et al，2007b；蒙彥宇等，2009）。本文試驗(yàn)所制作的應(yīng)力傳感器由基座、壓電陶瓷片、導(dǎo)線、環(huán)氧樹脂及蓋板組成，如圖3a所示。基座由水泥凈漿澆筑而成，澆筑時(shí)預(yù)留尺寸約為2.0mm×1.5mm的凹槽。制作應(yīng)力傳感器時(shí)，首先在導(dǎo)線一端焊接壓電陶瓷片并做防水絕緣處理，如圖3b所示，在導(dǎo)線另一端焊接BNC接頭。用502膠水把處理過的壓電陶瓷粘結(jié)在基座上，如圖4所示，并將導(dǎo)線及焊點(diǎn)置于凹槽內(nèi)，使得壓電陶瓷片與基座表面緊密結(jié)合。為滿足防水絕緣性能和一定的機(jī)械強(qiáng)度，在導(dǎo)線與凹槽之間填充環(huán)氧樹脂。最后在壓電陶瓷表面涂抹環(huán)氧樹脂膠，覆蓋鋼蓋板，保證傳感器受力面水平。

3 應(yīng)力傳感器的標(biāo)定試驗(yàn)

由于壓電陶瓷傳感器的輸出阻抗較高，輸出信號(hào)非常微弱，為保證一定的測(cè)量精度，必須使其接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器（趙燕，2010）。測(cè)量系統(tǒng)聯(lián)接如圖5所示。由于壓電傳感器既可以等效為一個(gè)與電容串聯(lián)的電壓源，又可以等效為與電容并聯(lián)的電荷源，因此對(duì)應(yīng)前置放大器也有兩種形式：電荷放大器與電壓放大器（周繼明等，2005）。本實(shí)驗(yàn)采用瑞士奇石樂（KISTLER）公司生產(chǎn)的ICAM5073A工業(yè)型電荷放大器。圖6所示為簡(jiǎn)化后的等效電路圖，圖中C。、C_c、C_i和C_f分別為壓電陶瓷的電容、電纜電容、放大器的輸入電容和反饋電容。當(dāng)放大器增益A足夠大、但傳感器工作頻率很低時(shí)，放大器輸出電壓的幅值為式（1）表明，電荷放大器的輸出電壓幅值U₀不僅與輸入電荷量Q有關(guān)，而且與反饋網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)C_f、R_f和傳感器信號(hào)頻率ω有關(guān)。若C_f、R_f與ω不變，則輸出電壓幅值與輸入電荷量成正比。

3.1 試驗(yàn)裝置

為滿足加載需求，試驗(yàn)使用圓鋼、鋼板與六角螺母制作了簡(jiǎn)易的反力架，其中圓鋼直徑為36.18mm，底鋼板厚度為40.03mm，上部鋼板厚度為30.27mm，如圖7a所示。試驗(yàn)選用安瑞（ANRUI）公司生產(chǎn)的KMB墊圈力傳感器（電阻式力傳感器），實(shí)際靈敏度校準(zhǔn)值為0.59676mV·N^-1。采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其配套裝置收集信號(hào)。圖7b所示為試驗(yàn)加載裝置，從上到下依次為壓電陶瓷應(yīng)力傳感器、剛性墊塊、KMB墊圈式力傳感器和分離式油壓千斤頂。應(yīng)力傳感器編號(hào)及加載速率設(shè)定如表2所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)定采樣頻率為16384Hz，空采4s噪聲，從第4s開始加載。每完成一次加載即可通過KMB傳感器得到一組力的時(shí)程曲線，如圖8a所示。將測(cè)量荷載除以應(yīng)力傳感器受荷面積即得到應(yīng)力時(shí)程曲線，通過壓電陶瓷應(yīng)力傳感器可以得到一組電壓時(shí)程曲線，如圖8b所示。將兩條曲線的初始時(shí)刻點(diǎn)與峰值點(diǎn)之間的部分進(jìn)行線性擬合，即得到應(yīng)力傳感器的靈敏度系數(shù)，如圖9所示。繪制所有樣本的應(yīng)力一電壓關(guān)系，并按所有有效樣本給出擬合曲線應(yīng)力一電壓關(guān)系，如圖10所示。

A型和B型應(yīng)力傳感器在動(dòng)載作用下的應(yīng)力與電壓線性相關(guān)系數(shù)及傳感器靈敏度系數(shù)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)如表3所示。由表3可見：電壓信號(hào)與應(yīng)力信號(hào)的線性相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，線性相關(guān)度較高，可以認(rèn)為壓電陶瓷應(yīng)力傳感器的測(cè)量結(jié)果能夠反映真實(shí)應(yīng)力水平。B型應(yīng)力傳感器的靈敏度系數(shù)均值要遠(yuǎn)大于A型應(yīng)力傳感器，根據(jù)式（1），在C_f、R_f與ω不變時(shí)，電荷放大器輸出電壓幅值與輸入電荷量成正比，而B型應(yīng)力傳感器的平面尺寸比A型應(yīng)力傳感器大，表面應(yīng)力相同時(shí)，B型應(yīng)力傳感器產(chǎn)生更多的電荷量，因此其靈敏度系數(shù)大。但由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電壓采集范圍一般在±10V范圍內(nèi)，B型應(yīng)力傳感器的靈敏度系數(shù)大，勢(shì)必造成其測(cè)量的應(yīng)力范圍小。表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，A型應(yīng)力傳感器靈敏度系數(shù)離散性要大于B型應(yīng)力傳感器，這是因?yàn)閴弘娞沾善诤附雍头庋b過程中難免存在差異，電荷在傳輸過程中也會(huì)受到一定干擾，產(chǎn)生電荷損耗，而壓電陶瓷材料的尺寸越小，同等應(yīng)力水平下產(chǎn)生的電荷量越少，這些誤差的相對(duì)影響就越明顯。因此，雖然A型壓電陶瓷片壓電常數(shù)的離散性小于B型，但A型應(yīng)力傳感器靈敏度系數(shù)的離散性卻大于B型。綜合考慮，筆者認(rèn)為A型應(yīng)力傳感器的性能優(yōu)于B型。

4 結(jié)論

本文基于壓電陶瓷材料設(shè)計(jì)制作了能夠埋入混凝土內(nèi)部的“智能骨料”，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)，通過分析得到以下結(jié)論：

（1）壓電陶瓷應(yīng)力傳感器在應(yīng)變率為10^-2s^-3、5×10^-3s^-1的動(dòng)荷載作用下，輸出的電壓信號(hào)與作用在傳感器上的荷載呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)在0.95以上。結(jié)果表明：應(yīng)變率不小于5×10^-3s^-1時(shí)，A、B型應(yīng)力傳感器均可以反映實(shí)際的應(yīng)力水平及其變化趨勢(shì)。

（2）在相同的加載速率下，B型應(yīng)力傳感器的靈敏度要遠(yuǎn)高于A型應(yīng)力傳感器，但其量程要遠(yuǎn)小于A型應(yīng)力傳感器。可通過減小面積等方法來突破量程方面的限制，以提高應(yīng)力傳感器的使用范圍。

（3）應(yīng)力傳感器的靈敏度系數(shù)具有一定的離散性，靈敏度系數(shù)的變異系數(shù)一般在20%左右，這會(huì)對(duì)實(shí)際測(cè)量造成一定影響。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過改進(jìn)焊接方法、嚴(yán)格控制封裝過程等手段，盡可能控制應(yīng)力傳感器靈敏度系數(shù)的離散性。