基于新型压电材料对结构健康监测技术的综述

刘 闯，高宇甲，王鹏举，谢景洲，师营营

（1 华北水利水电大学土木与交通学院 河南 郑州 450000）

（2 中建七局第四建筑有限公司 陕西 西安 710000）

0 引言

近年来，我国土木工程事故频发，如房屋的突然倒塌、道路的坍塌与下陷、桥梁的断裂等，关于建筑结构健康监测的问题愈发引起全社会的重视[1-2]。结构的健康监测（structural health monitoring，SHM）是指针对结构参数变化的监测、识别、分析、诊断的综合过程[3]，对建筑的健康进行实时监测、检测，通过监测数据并分析、发出预警对降低财产损失、保障人民群众的生命安全、降低施工及后期维护成本具有重大意义。结构健康监测技术既包含传统无损监测技术，又融入智能材料的概念，具有对结构连续监测（如龄期强度监测、结构自振频率监测等）以及损伤识别（如裂缝、空洞识别等）技术等。

本文结合国内外基于新型压电材料的结构健康监测技术的研究成果，旨在对该项技术在土木工程中的应用进行研究与总结，并通过上述分析，在总结现有技术的不足之处的同时，展望了压电传感器的应用前景和发展方向。

1 压电材料与压电效应

压电材料通常包括压电陶瓷（PZT）、压电薄膜、压电聚合物、压电晶体和压电复合材料。自1880年居里兄弟（雅克·居里和皮埃尔·居里）首次发现石英晶体中的压电效应以来，压电材料经历了一个世纪的发展，应用于建筑、军事、航天、医学等[4-5]众多领域。

压电效应[6]（piezoelectric effect）是压电材料得以应用于结构的健康监测技术的重要原因之一，压电效应包括正压电效应和逆压电效应，所有压电材料都具有压电效应，其工作原理如图1所示。正压电效应是指将压电材料将机械能转化为电能的过程，利用压电材料的正压电效应，它们通常被用作感测结构环境变化（如温度、荷载、湿度等）的传感器。反之，逆电效应是指压电材料将电能转化为机械能的过程，利用这一特性，通常将压电材料制作为驱动器，以使结构变形或改变应力状态。

图1 压电效应示意图

如图2所示，压电陶瓷（PZT）具有响应速度快、体积小、造价低、可靠性好等的特点，而且自身特性更兼有传感和激励的双重效应的特点。基于以上特点，近年来，压电陶瓷（PZT）作为智能材料被应用于结构健康监测技术，进而被广泛应用于建筑、桥梁、水利等施工过程中。综上所述，基于压电陶瓷智能材料的结构状态监测技术具有广阔的应用前景。

图2 PZT与硬币对比

2 压电阻抗法

2.1 压电阻抗法原理

压电阻抗法（electro-mechanical impedance，EMI），是基于PZT片，利用PZT片与结构机电耦合性能的典型应用。

其基本原理是：当结构产生损伤或混凝土在硬化过程中，其自身机械阻抗将发生变化，但是阻抗通常情况下难以直接测出。此时，研究人员基于压电阻抗法使用图3所示精密仪器阻抗分析仪对预先粘贴或埋设的PZT片施加一定频率范围的交流电，由上文所介绍的正压电效应，基于PZT本身快速响应的优点，阻抗信息的变化可以被研究人员快速捕捉到，测试界面如图4所示。通过对这些信息进行分析，进而实现对结构健康监测及损伤诊断。

图3 阻抗分析仪

图4 阻抗测试界面

2.2 压电阻抗法与结构的作用模型

目前，基于国内外的研究压电阻抗法可根据不同的假定或精度要求的不同分为三种阻抗模型，分别为一维阻抗模型、考虑黏结层的一维阻抗模型和二维阻抗模型[6]。由Liang等[7]提出的不考虑黏结层影响的一维阻抗模型在后来的实践中被验证可成功应用于各种结构健康监测中，下面将对此模型进行介绍。

式（1）中，将PZT视为一个被固定一端与简化为单自由度系统的基本结构相连的狭长杆件。其中：

Y（ω）－PZT的电导纳；

jω－所施加的激励角频率；

ba、la、－分别代表PZT片的宽度、长度和厚度；

－零应力时的介电常数，决定PZT本身电容的大小，与介电损耗有关；

Za－PZT的机械阻抗；

Zs－所监测结构的机械阻抗；

d31－压电常数，是衡量压电效应强弱的指标，关系到输出灵敏度；

从上式研究人员可以清晰地看出，PZT片的电导纳由两部分构成。第一部分是自由状态下PZT的电导纳，其只与外部激励频率相关，而与结构的状态无关；第二部分包括了PZT自身的阻抗信息与结构的阻抗信息，当基体结构出现损伤缺陷、刚度增减、材料特性发生变化等，PZT自身的阻抗Za不发生变化，结构的机械阻抗作为唯一变量决定了第二项电导纳的变化，这与上文所述压电阻抗法的原理如出一辙。

3 压电阻抗法在结构健康监测中的应用

压电阻抗法最早由弗吉尼亚理工大学Chaudhry等[8]应用于航空结构的检测。不同于传统模态分析法，使用高频率激励信号（大于50 kHz），对于微小损伤、状态变化信息、阻抗信息也能被快速捕捉到，同时对远场边界条件、质量负载等航空设备正常使用状态下质量和刚度变化不敏感。结果表明，基于PZT用于航空设备检测具有较高的敏感性与实用性。随后，Giurgiutiu等[9]将PZT传感器用于老化的飞机结构，以监测结构损坏（如疲劳裂纹和腐蚀）的发生和进展，实验结果表明压电阻抗法，尤其是300 kHz～450 kHz激励信号对近场损伤具有较高敏感性。

继航空航天方面的应用外，压电阻抗法在土木工程中也同样屡见不鲜。弗吉尼亚理工大学Sun等[10]提出一种基于频域阻抗特征的技术，用于对桁架结构进行健康检测，其将PZT片贴置桁架节点上，通过PZT导纳数据用以反映桁架的机械阻抗的变化，并与原始健康桁架导纳数据进行比较，然后应用统计算法根据特征模式差异提取桁架的损伤指数用以评估损伤程度，但PZT传感器检测范围仅限于邻域，Sun的桁架实验开启了EMI技术在土木工程中应用的先河；韩国仁川国立大学安全工程系Tae-Keun Oh等[11]提出了一种基于人工神经网络（ANN）的强度预测技术，认为混凝土强度主要受水灰比、养护时间、温度、成熟度以及基于EMI的阻抗信号这些因素影响，其使用了一种半球形中空聚苯乙烯泡沫塑料外壳制造新型嵌入式压电传感器用以提高信号质量，可同时用于阻抗测量与谐波传播，并通过定义互相关系数（CC）用于量化由于强度变化引起的EMI变化，结果表明人工神经网络模型通过强化训练基于五种强度变量可以预测不同配合比的混凝土试件的强度，且误差率小。

除强度监测外，压电阻抗法在土木工程结构的健康监测中还有许多其他的应用。Talakokula等[12]将PZT片粘贴至钢筋表面后一同嵌入混凝土试块中，并将试块浸入人工海水中加以电流模拟钢筋锈蚀过程，从PZT贴片的导纳特征中提取的等效结构参数根据腐蚀水平进行校准，在此基础上提出了新的腐蚀评估模型。实验结果表明，等效参数可有效地检测和量化腐蚀。

在国内压电阻抗法的应用研究起源于20世纪90年代后期，虽较国外研究起步较晚但相关研究仍取得不少成果。华中科技大学鲁晶晶等[13]以在混凝土试块表面粘贴PZT片的方式分别选取低、中、高三种频段作为激励频率对C20、C30、C40混凝土导纳随龄期变化进行监测，辅助以龄期抗压强度数据对比，并以均方差根作为量化评价指标对导纳数据进行分析，实验结果表明导纳数据峰值偏移规律符合强度变化规律，导纳实部相较于虚部对强度变化更敏感，高频段激励导纳变化较低频段更明显；浙江大学蔡金标等[14]分别采取表面粘贴与嵌入式的方式对试块导纳－强度关系进行监测，结果表明对表面压电片，得到了其共振频率的变化量与标准试块抗压强度之间的定量对应关系；对内置压电片，通过引入指标建立了电导频谱与标准试块抗压强度的定量关系，两种方式都表明导纳－强度变化规律具有一致性，导纳的变化归结为混凝土刚度的变化对PZT的束缚作用；胡显燕[15]分别在铝板、钢筋混凝土板及混凝土管表面粘贴PZT，基于压电阻抗法进行损伤测试，并成功利用损伤指数RMSD、CC对损伤做出定量与定位，同时还考虑温度变量对阻抗数据做出温度修正，但在大型结构中PZT如何布置及针对海量检测数据如何智能分析仍是未来需要解决的问题；此外，武汉科技大学韩芳等[16]针对国内常见的木结构利用压电阻抗法进行损伤检测，结果表明压电阻抗对木梁局部损伤识别敏感，可为工程实际提供参考；大连理工大学Wei等[17]针对碳纤维聚合物增强钢筋混凝土进行拔出实验，应用PZT贴片对脱粘损伤进行检测，实验表明了EMI技术在钢筋混凝土的脱粘损伤监测方面的可行性。

4 结论与展望

综上所述，基于新型压电材料的结构健康监测技术有着广阔的应用前景，正在接受着越来越多的重视，也取得了大量的研究成果。同时还应该看到，目前压电智能结构在工程上的应用范围较广，该技术主要应用于损伤监测，在结构强度及其他方面研究较少且尚未形成统一指导规范；压电材料受温度影响明显，关于温度对其的影响机理及修正方式尚未明确；关于压电智能材料结构健康监测设备的研究仍然很少。