利用壓電陶瓷材料的結構監測研究

謝景洲，高宇甲，師營營，劉 闖，王鵬舉

（1 華北水利水電大學土木與交通學院 河南 鄭州 450000）

（2 中建七局第四建筑有限公司 陜西 西安 710000）

0 引言

隨著時代發展，土木工程結構越來越多地出現在人們生活中，保障結構的質量安全是對人民生命財產的負責。然而處在自然環境中的結構會不可避免地遭受使用荷載和自然災害的影響，造成結構內部損傷，強度剛度降低等問題。因此對于工程結構實時健康檢測、損傷監測是非常重要的一項工作。如超聲檢測法、X射線等的檢測方法，僅是在事故后期對結構損傷進行查驗，而且檢測儀器貴重不便攜帶，很難實時監測結構的損傷發展過程。所以出現一種能夠實時監測結構損傷發展過程且操作簡便的方法，是保障土木工程結構安全的必然趨勢。

智能材料的提出為土木工程建設的研究開辟了新的世界，其本身的自感知、診斷修復等功能[1]，能夠感知外部刺激從而判斷出結構內部狀況。

1 壓電智能材料敘述

壓電材料是智能材料的一種，其又分為無機壓電材料（壓電晶體和壓電陶瓷）、有機壓電材料（壓電聚合物，如聚偏氟乙烯）以及復合壓電材料。如今壓電材料的制備與應用有了很大的發展，其具有頻率響應寬、較好的線性關系、使用電信號輸入輸出便于測量和控制的優點。在各種壓電材料中，由于鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷壓電性強、介電常數高、可以加工成任意形狀、不受外界環境影響、成本低等特點而在實際應用中最為廣泛。壓電陶瓷片如圖1所示。

圖1 壓電陶瓷片

1880年法國的居里兄弟發現在一些晶體受到壓力時，其表面會產生電荷，且電荷量與壓力成正比，他們稱這種現象為壓電效應。壓電效應是壓電材料的一個重要特征，其可以分為正壓電效應和逆壓電效應[2]。根據壓電材料的正逆壓電效應可以將材料制成傳感器和驅動器。而壓電陶瓷具有傳感與驅動雙重功能，利用其制成能夠接收和傳輸信號的裝置，并用一定的方式將其黏結在結構表面或埋入結構內部，連接設備對其施加電信號，根據壓電效應原理，利用機械波在不同介質中傳播的形式不同，其傳輸出的電信號趨勢不同，以電信號的變化來對結構健康進行檢測和評估。壓電智能結構系統的研究對于大型結構的檢測有著很大的幫助，能夠實時在線監測結構的健康狀態，及時修復，對經濟和生命安全有著重要的保障作用。PZT壓電效應如圖2所示

圖2 PZT壓電效應

2 智能骨料的研究應用

對于壓電陶瓷貼片在結構中的放置有兩種方式：粘貼于結構表面或者埋置結構內部。粘貼結構表面操作簡便，但易受環境噪聲的影響，增加監測結果的誤差。相較于此，埋入內部的貼片受環境的影響較小，但是壓電陶瓷材質較脆，直接埋入內部極易損壞。因此杜國鋒等[3]提出將PZT貼片嵌入保護層中保障其安全，由此出現了新的壓電陶瓷傳感器—智能骨料。如圖3所示。

圖3 智能骨料

基于第一代的智能骨料其保護層在固化時易產生裂紋，對其信號穩定產生影響，所以Wang等[4]研發出了利用大理石做為保護層的二代智能骨料。大理石保護層相較于一代智能骨料而言，其對壓電陶瓷的電阻值沒有影響，構成的監測系統靈敏度高，使得壓電陶瓷的機電轉換效率得到充分利用[5]。此外，將多個壓電陶瓷疊加分析其對智能骨料輸出電壓、諧振頻率和機電耦合系數的影響[6]，也是對提高智能骨料靈敏度能夠實時準確監測結構的創新研究。張娟等[7]也對智能骨料的靈敏度進行了研究，得出靈敏度不會隨加載力改變而改變。Narayanan等[8]研究了襯底尺寸對附著在結構襯底上的PZT貼片耦合動態機電響應的影響以及響應隨尺寸的縮放。根據現有研究在相同條件下，面積較大、較厚的PZT貼片，智能骨料信號靈敏度越好。

智能骨料地提出在結構中執行著三個主要的任務：沖擊檢測、健康監測和強度監測。在對結構沖擊損傷演化特性的研究中，結果表明根據在不同沖擊次數下電導信號的變化，在沖擊損傷累積過程中，裂縫初始萌生及發展階段壓電信號變化相對平穩。損傷達到一定程度后，持續沖擊，電信號峰值會突降[9]。在健康監測方面，對結構損傷監測上，首先確定智能骨料對結構損傷的敏感范圍，來確定結構的損傷程度及結構健康狀態的發展趨勢[10]。因為強度是土木工程結構的一個重要性能指標，其可以直接影響結構的安全，所以對于結構強度的要求也是非常嚴格的。但由于現澆結構早期固化不夠，傳統的抗壓試驗不能夠檢測其強度，因此利用壓電陶瓷材料制成的智能傳感器這種方便快捷的方法得到廣泛應用。對埋入結構的智能材料傳感器施加電荷載，其引起結構內部振動又通過智能骨料傳輸出電信號，根據其早期諧波響應幅值的發展來監測結構早期強度的發展，強度越大，諧波響應幅值相對減小[11]。

3 壓電陶瓷材料監測技術

利用壓電陶瓷對結構健康監測和損傷檢測的方法主要有主動監測法和被動監測法。主動監測法是給安裝在結構中的驅動器發射激勵信號，引起結構振動通過結構中的傳感器使其轉變成電信號發射出來，分析電信號圖像變化來對結構狀態進行評估；而被動監測法，結構中只存在傳感器，利用壓電陶瓷材料的高阻抗性，對結構的動力響應進行測量。

3.1 結構健康主動監測技術

結構健康監測的主動監測技術包含了壓電波動法和阻抗分析法。在壓電波動法方面，斯坦福大學的學者利用壓電陶瓷應力波的散射對板塊內部的異常進行診斷，從而提出了對結構進行檢測的壓電波動法。國內外研究中，熊飛[12]基于壓電波動法的監測理論，采用數值模擬與實驗方法對壓電陶瓷智能骨料性能、裂縫缺陷進行研究，研究表明主頻的對應振幅降至最低時裂縫出現；杜永峰[13]利用壓電波動法進行了套筒灌漿料早期強度監測試驗，研究表明監測信號幅值的變化趨勢能很好地反映灌漿材料強度的發展趨勢。Lim等[14]建立了表面黏結壓電陶瓷波動法技術的半解析模型，用于評價不同摻量砂漿在養護過程中的強度。

基于壓電陶瓷智能材料利用壓電阻抗法監測結構健康狀態時；Ahmadi等[15]利用壓電阻抗法監測結構健康和無損腐蝕診斷，根據腐蝕過程中阻抗曲線的變化，提出了一種檢測腐蝕速率、腐蝕方向和腐蝕起始時間的方法；Fan等[16]采用一種新型嵌入式球形智能骨料（SSA）利用壓電阻抗技術對混凝土早期養護進行監測，驗證了SSA監測水化過程的可行性，在結構變形和剛度變化的監測方面SSA更加敏感；石耀坤[17]利用阻抗分析儀監測預埋壓電陶瓷片的信號變化，驗證壓電阻抗法在螺栓松緊監測中的可行性，通過分析不同位置螺栓的阻抗曲線變化，尋找螺栓松動情況的變化規律，結果表明，阻抗儀所采集的阻抗曲線可以定性地判斷螺栓損傷狀態；劉金城等[18]在結構裂縫寬度識別的研究中，區別于傳統結構裂縫監測提出了基于壓電陶瓷傳感器的裂縫識別方法，通過對含有裂縫的構件進行阻抗分析，得出阻抗損傷指標隨裂縫增加而增加，證明了阻抗法監測結構裂縫寬度的有效性。

3.2 結構健康被動監測技術

利用壓電陶瓷對結構的健康監測的被動監測，不需要對壓電陶瓷施加驅動，在結構承受荷載時就可以測出結構的位移、速度和加速度。根據壓電陶瓷材料高阻抗的特性，壓電陶瓷傳感器僅僅適用于動態力學的測量，不適用頻率慢以及靜態的力學測量。由于壓電陶瓷的高敏感性，基于壓電陶瓷的被動監測主要集中在對結構系統的動態監測和沖擊荷載的識別上。

在結構系統的動態監測的研究中，杜國鋒等[19]研究了壓電陶瓷智能骨料在單向動力荷載作用下的工作機理和性能，對壓電陶瓷片建立電壓與電荷量數學關系來推導電壓與應力的數學模型，結果表明數值模擬結果與理論分析結果相似性較高，說明智能骨料可以較好地用于監測結構內部動應力。

4 總結與展望

本研究敘述了壓電陶瓷材料在智能結構中的應用，論述了其在智能結構健康監測和損傷檢測方面開展進行的大量研究，驗證了壓電陶瓷傳感器在結構監測方面的可行性和有效性，這種新型的智能材料無損檢測技術為工程結構質量監測的未來指引了新方向。現有研究大多基于實驗室條件下利用壓電傳感器對結構進行監測，為工程應用奠定理論基礎。同時，在未來對工程應用的探索研究中應加強利用智能材料對常見工程結構的研究，進一步開發智能材料在結構中的可利用性，進行在線實時監測，能更加快捷的使智能材料無損監測技術應用到工程實際中。