土木工程结构健康监测中的压电传感技术研究

孙艾薇,郭少华

(中南大学土木建筑学院,湖南长沙 410083)

土木工程结构健康监测中的压电传感技术研究

孙艾薇,郭少华

(中南大学土木建筑学院,湖南长沙 410083)

从压电方程入手,分析了采用压电陶瓷传感器进行动态应变传感的原理和计算公式。通过实验研究了不同激振频率下压电传感器的动态响应,其电压特性曲线表明该传感器灵敏度高,且输入输出具有较好的线性关系。另外,输出电压与传感元件的厚度有一定关系,灵敏度随着厚度的增大而增大。此项研究结果为结构健康监测工程应用奠定了理论基础。

压电陶瓷传感器; 动态应变; 结构健康监测

1 结构健康监测

近年来,随着科技的日新月异以及人类对生活质量需求的不断增强,土木工程结构逐渐趋向复杂化和多样化。大型复杂的土木工程结构的使用期往往长达几十年甚至数百年,其在长期自然环境荷载以及地震、台风和爆炸等突发性荷载作用下的损坏是一个不可逆转的过程[1]。因此,对重大工程结构进行实时在线健康监测与损伤诊断显得极为重要。结构健康监测也已成为世界范围内土木工程领域的前沿研究方向[2]。

从目前国内外结构监测的研究现状可看出,智能材料的应用是一个共同的发展趋势,其中具有代表性的就是压电材料。其在传感方面具有响应快,频响范围宽,易剪裁,价格低廉等特点,因此在结构健康监测方面有着巨大的应用潜力。本文采用PZT压电陶瓷传感器对结构动态应变进行传感,它一方面拾取力信号;另一方面把拾取的力信号进行变换,变换成一种与被测量有确定函数关系的且便于传输和处理的电信号[3,4]。基于压电陶瓷的动态应变传感技术相对于传统方法有较大的优越性。传统动态应变传感一般采用应变片,但其稳定性差,零点飘移厉害,特别是应用于结构监测时,引线过长,会引起过大的干扰信号,造成信噪比下降。而压电片输出的是电荷信号,引线对信号影响较小,且不存在零点飘移。

2 压电传感特性研究

2.1 压电陶瓷材料的选取

为了在结构健康监测中充分发挥其压电特性,本文选用具有较好传感、驱动功能的PZT-5H[5]压电陶瓷对混凝土结构进行监测。这种压电陶瓷具有高机电耦合系数,高介电常数、高柔顺性的特点,因而在驱动和传感方面均具有良好的表现。表 1为实验中采用的压电陶瓷材料各项参数。

2.2 电荷放大器

由于压电陶瓷为高阻抗元件,其输出电流信号很微弱,因此需经过前置放大才能采集信号。由于电压放大器所配接的引线电缆将影响传感器的输出和灵敏度,对测量带来不便,而电荷放大器可以克服这一缺点,因此实际应用中应选用电荷放大器。

实际应用中,压电传感器测量电路的组成如图 1所示。

图 1 压电传感器测量电路

2.3 压电传感计算式的建立

压电传感机理是压电材料的正压电效应[6],这里选用第一类压电方程的机电耦合方程来计算传感器的输出电压。

如图2,电极沿 3方向布置,则PZT压电陶瓷的压电常数矩阵为[7]:

图2 压电材料的计算方向

若不考虑其它两个方向的变形,则在上图作用力下压电传感器表面产生的单位电荷量为

式(1)中,T3为压电陶瓷在z方向所受应力,d33为压电应变常数。对单位电荷量在压电陶瓷受力面积Ae上进行积分,可得到压电陶瓷表面产生的电量为

由放大器原理可知,当压电陶瓷传感器的测量电路中接入电荷放大器之后,传感器的输出电压仅与放大器的反馈电容有关,即

2.4 实验研究及输出电压特性分析

由于压电陶瓷是一种电荷源器件,不能采用静态力来对其进行加载测试,此外,对压电传感器进行动态标定的方法较为复杂,因此本文参照文献[8]的实验方法,采用动态加载的测试方法研究压电应变传感的动态响应特性。

实验中将信号源产生的正弦信号通过激振器作用到等强度梁上。针对土木工程中低频振动测量,激振频率从0.1Hz变化到40 Hz,测试不同激振频率下压电应变传感器的动态响应。在正弦信号频率已设定的情况下,对传感器在测量范围内采用步长为 100 N的变幅加载,预加载为1.2 kN,用正弦信号的幅值来控制激振力的大小,得到压电陶瓷传感器的输出电压与荷载的关系曲线。

由图 3曲线可以看出,对应各级荷载的加载曲线,压电陶瓷传感器的输出呈现良好的线性增长关系。由表 2传感器灵敏度的测试结果可以看出,对于面积相同,厚度不同的压电陶瓷传感器来说,其灵敏度有随着厚度的增大而增大的趋势。

图3 两种压电陶瓷传感器所受应力与对应的输出

3 结 论

本文首先论述了结构健康监测的重大意义和实用价值,继而从压电方程入手,分析了采用压电陶瓷片进行动态应变传感的原理和计算公式。从传感器动态力学性能测试实验结果可以看出,每只传感器的输出均呈现较好的线性关系,其电压输出与传感元件的厚度有一定关系,灵敏度随着厚度的增大而增大。文中论证了基于压电传感技术进行结构健康监测方法的可行性,为实际工程应用奠定了理论基础,应用前景广阔。

[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

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[3] 丁镇生.传感器及传感技术应用[M].北京:电子工业出版社,1998

[4] 吴兴惠,全彩君.传感器与信号处理[M].北京:电子工业出版社,1998

[5] 栾桂东,张金铎,王仁乾.压电换能器和换能器阵[M].北京:北京大学出版社,2005

[6] 孙慷,张福学.压电学[M].北京:国防工业出版社,1984

[7] 王昌明,孔德明,何云峰.传感与测试技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005

[8] 万建国,朱纪军,石立华,等.PVDF压电薄膜在结构监测中的初探[J].传感技术学报,1998(1):18-24

TU317+.9

A

2010-01-18

[国家自然科学基金项目]集压电驱动/传感一体化技术的结构在线健康监测的研究(50778179)

孙艾薇(1985～),女,工学硕士,研究方向:压电智能结构;郭少华(1960～),男,工学博士,教授,博士生导师。