利用压电陶瓷材料的结构监测研究

谢景洲，高宇甲，师营营，刘 闯，王鹏举

（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

随着时代发展，土木工程结构越来越多地出现在人们生活中，保障结构的质量安全是对人民生命财产的负责。然而处在自然环境中的结构会不可避免地遭受使用荷载和自然灾害的影响，造成结构内部损伤，强度刚度降低等问题。因此对于工程结构实时健康检测、损伤监测是非常重要的一项工作。如超声检测法、X射线等的检测方法，仅是在事故后期对结构损伤进行查验，而且检测仪器贵重不便携带，很难实时监测结构的损伤发展过程。所以出现一种能够实时监测结构损伤发展过程且操作简便的方法，是保障土木工程结构安全的必然趋势。

智能材料的提出为土木工程建设的研究开辟了新的世界，其本身的自感知、诊断修复等功能[1]，能够感知外部刺激从而判断出结构内部状况。

1 压电智能材料叙述

压电材料是智能材料的一种，其又分为无机压电材料（压电晶体和压电陶瓷）、有机压电材料（压电聚合物，如聚偏氟乙烯）以及复合压电材料。如今压电材料的制备与应用有了很大的发展，其具有频率响应宽、较好的线性关系、使用电信号输入输出便于测量和控制的优点。在各种压电材料中，由于锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状、不受外界环境影响、成本低等特点而在实际应用中最为广泛。压电陶瓷片如图1所示。

图1 压电陶瓷片

1880年法国的居里兄弟发现在一些晶体受到压力时，其表面会产生电荷，且电荷量与压力成正比，他们称这种现象为压电效应。压电效应是压电材料的一个重要特征，其可以分为正压电效应和逆压电效应[2]。根据压电材料的正逆压电效应可以将材料制成传感器和驱动器。而压电陶瓷具有传感与驱动双重功能，利用其制成能够接收和传输信号的装置，并用一定的方式将其黏结在结构表面或埋入结构内部，连接设备对其施加电信号，根据压电效应原理，利用机械波在不同介质中传播的形式不同，其传输出的电信号趋势不同，以电信号的变化来对结构健康进行检测和评估。压电智能结构系统的研究对于大型结构的检测有着很大的帮助，能够实时在线监测结构的健康状态，及时修复，对经济和生命安全有着重要的保障作用。PZT压电效应如图2所示

图2 PZT压电效应

2 智能骨料的研究应用

对于压电陶瓷贴片在结构中的放置有两种方式：粘贴于结构表面或者埋置结构内部。粘贴结构表面操作简便，但易受环境噪声的影响，增加监测结果的误差。相较于此，埋入内部的贴片受环境的影响较小，但是压电陶瓷材质较脆，直接埋入内部极易损坏。因此杜国锋等[3]提出将PZT贴片嵌入保护层中保障其安全，由此出现了新的压电陶瓷传感器—智能骨料。如图3所示。

图3 智能骨料

基于第一代的智能骨料其保护层在固化时易产生裂纹，对其信号稳定产生影响，所以Wang等[4]研发出了利用大理石做为保护层的二代智能骨料。大理石保护层相较于一代智能骨料而言，其对压电陶瓷的电阻值没有影响，构成的监测系统灵敏度高，使得压电陶瓷的机电转换效率得到充分利用[5]。此外，将多个压电陶瓷叠加分析其对智能骨料输出电压、谐振频率和机电耦合系数的影响[6]，也是对提高智能骨料灵敏度能够实时准确监测结构的创新研究。张娟等[7]也对智能骨料的灵敏度进行了研究，得出灵敏度不会随加载力改变而改变。Narayanan等[8]研究了衬底尺寸对附着在结构衬底上的PZT贴片耦合动态机电响应的影响以及响应随尺寸的缩放。根据现有研究在相同条件下，面积较大、较厚的PZT贴片，智能骨料信号灵敏度越好。

智能骨料地提出在结构中执行着三个主要的任务：冲击检测、健康监测和强度监测。在对结构冲击损伤演化特性的研究中，结果表明根据在不同冲击次数下电导信号的变化，在冲击损伤累积过程中，裂缝初始萌生及发展阶段压电信号变化相对平稳。损伤达到一定程度后，持续冲击，电信号峰值会突降[9]。在健康监测方面，对结构损伤监测上，首先确定智能骨料对结构损伤的敏感范围，来确定结构的损伤程度及结构健康状态的发展趋势[10]。因为强度是土木工程结构的一个重要性能指标，其可以直接影响结构的安全，所以对于结构强度的要求也是非常严格的。但由于现浇结构早期固化不够，传统的抗压试验不能够检测其强度，因此利用压电陶瓷材料制成的智能传感器这种方便快捷的方法得到广泛应用。对埋入结构的智能材料传感器施加电荷载，其引起结构内部振动又通过智能骨料传输出电信号，根据其早期谐波响应幅值的发展来监测结构早期强度的发展，强度越大，谐波响应幅值相对减小[11]。

3 压电陶瓷材料监测技术

利用压电陶瓷对结构健康监测和损伤检测的方法主要有主动监测法和被动监测法。主动监测法是给安装在结构中的驱动器发射激励信号，引起结构振动通过结构中的传感器使其转变成电信号发射出来，分析电信号图像变化来对结构状态进行评估；而被动监测法，结构中只存在传感器，利用压电陶瓷材料的高阻抗性，对结构的动力响应进行测量。

3.1 结构健康主动监测技术

结构健康监测的主动监测技术包含了压电波动法和阻抗分析法。在压电波动法方面，斯坦福大学的学者利用压电陶瓷应力波的散射对板块内部的异常进行诊断，从而提出了对结构进行检测的压电波动法。国内外研究中，熊飞[12]基于压电波动法的监测理论，采用数值模拟与实验方法对压电陶瓷智能骨料性能、裂缝缺陷进行研究，研究表明主频的对应振幅降至最低时裂缝出现；杜永峰[13]利用压电波动法进行了套筒灌浆料早期强度监测试验，研究表明监测信号幅值的变化趋势能很好地反映灌浆材料强度的发展趋势。Lim等[14]建立了表面黏结压电陶瓷波动法技术的半解析模型，用于评价不同掺量砂浆在养护过程中的强度。

基于压电陶瓷智能材料利用压电阻抗法监测结构健康状态时；Ahmadi等[15]利用压电阻抗法监测结构健康和无损腐蚀诊断，根据腐蚀过程中阻抗曲线的变化，提出了一种检测腐蚀速率、腐蚀方向和腐蚀起始时间的方法；Fan等[16]采用一种新型嵌入式球形智能骨料（SSA）利用压电阻抗技术对混凝土早期养护进行监测，验证了SSA监测水化过程的可行性，在结构变形和刚度变化的监测方面SSA更加敏感；石耀坤[17]利用阻抗分析仪监测预埋压电陶瓷片的信号变化，验证压电阻抗法在螺栓松紧监测中的可行性，通过分析不同位置螺栓的阻抗曲线变化，寻找螺栓松动情况的变化规律，结果表明，阻抗仪所采集的阻抗曲线可以定性地判断螺栓损伤状态；刘金城等[18]在结构裂缝宽度识别的研究中，区别于传统结构裂缝监测提出了基于压电陶瓷传感器的裂缝识别方法，通过对含有裂缝的构件进行阻抗分析，得出阻抗损伤指标随裂缝增加而增加，证明了阻抗法监测结构裂缝宽度的有效性。

3.2 结构健康被动监测技术

利用压电陶瓷对结构的健康监测的被动监测，不需要对压电陶瓷施加驱动，在结构承受荷载时就可以测出结构的位移、速度和加速度。根据压电陶瓷材料高阻抗的特性，压电陶瓷传感器仅仅适用于动态力学的测量，不适用频率慢以及静态的力学测量。由于压电陶瓷的高敏感性，基于压电陶瓷的被动监测主要集中在对结构系统的动态监测和冲击荷载的识别上。

在结构系统的动态监测的研究中，杜国锋等[19]研究了压电陶瓷智能骨料在单向动力荷载作用下的工作机理和性能，对压电陶瓷片建立电压与电荷量数学关系来推导电压与应力的数学模型，结果表明数值模拟结果与理论分析结果相似性较高，说明智能骨料可以较好地用于监测结构内部动应力。

4 总结与展望

本研究叙述了压电陶瓷材料在智能结构中的应用，论述了其在智能结构健康监测和损伤检测方面开展进行的大量研究，验证了压电陶瓷传感器在结构监测方面的可行性和有效性，这种新型的智能材料无损检测技术为工程结构质量监测的未来指引了新方向。现有研究大多基于实验室条件下利用压电传感器对结构进行监测，为工程应用奠定理论基础。同时，在未来对工程应用的探索研究中应加强利用智能材料对常见工程结构的研究，进一步开发智能材料在结构中的可利用性，进行在线实时监测，能更加快捷的使智能材料无损监测技术应用到工程实际中。