孫艾薇,郭少華

(中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南長沙 410083)

土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的壓電傳感技術(shù)研究

孫艾薇,郭少華

(中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南長沙 410083)

從壓電方程入手,分析了采用壓電陶瓷傳感器進行動態(tài)應(yīng)變傳感的原理和計算公式。通過實驗研究了不同激振頻率下壓電傳感器的動態(tài)響應(yīng),其電壓特性曲線表明該傳感器靈敏度高,且輸入輸出具有較好的線性關(guān)系。另外,輸出電壓與傳感元件的厚度有一定關(guān)系,靈敏度隨著厚度的增大而增大。此項研究結(jié)果為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

壓電陶瓷傳感器; 動態(tài)應(yīng)變; 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

近年來,隨著科技的日新月異以及人類對生活質(zhì)量需求的不斷增強,土木工程結(jié)構(gòu)逐漸趨向復(fù)雜化和多樣化。大型復(fù)雜的土木工程結(jié)構(gòu)的使用期往往長達幾十年甚至數(shù)百年,其在長期自然環(huán)境荷載以及地震、臺風(fēng)和爆炸等突發(fā)性荷載作用下的損壞是一個不可逆轉(zhuǎn)的過程[1]。因此,對重大工程結(jié)構(gòu)進行實時在線健康監(jiān)測與損傷診斷顯得極為重要。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測也已成為世界范圍內(nèi)土木工程領(lǐng)域的前沿研究方向[2]。

從目前國內(nèi)外結(jié)構(gòu)監(jiān)測的研究現(xiàn)狀可看出,智能材料的應(yīng)用是一個共同的發(fā)展趨勢,其中具有代表性的就是壓電材料。其在傳感方面具有響應(yīng)快,頻響范圍寬,易剪裁,價格低廉等特點,因此在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面有著巨大的應(yīng)用潛力。本文采用PZT壓電陶瓷傳感器對結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)變進行傳感,它一方面拾取力信號;另一方面把拾取的力信號進行變換,變換成一種與被測量有確定函數(shù)關(guān)系的且便于傳輸和處理的電信號[3,4]?；趬弘娞沾傻膭討B(tài)應(yīng)變傳感技術(shù)相對于傳統(tǒng)方法有較大的優(yōu)越性。傳統(tǒng)動態(tài)應(yīng)變傳感一般采用應(yīng)變片,但其穩(wěn)定性差,零點飄移厲害,特別是應(yīng)用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測時,引線過長,會引起過大的干擾信號,造成信噪比下降。而壓電片輸出的是電荷信號,引線對信號影響較小,且不存在零點飄移。

2 壓電傳感特性研究

2.1 壓電陶瓷材料的選取

為了在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中充分發(fā)揮其壓電特性,本文選用具有較好傳感、驅(qū)動功能的PZT-5H[5]壓電陶瓷對混凝土結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測。這種壓電陶瓷具有高機電耦合系數(shù),高介電常數(shù)、高柔順性的特點,因而在驅(qū)動和傳感方面均具有良好的表現(xiàn)。表 1為實驗中采用的壓電陶瓷材料各項參數(shù)。

2.2 電荷放大器

由于壓電陶瓷為高阻抗元件,其輸出電流信號很微弱,因此需經(jīng)過前置放大才能采集信號。由于電壓放大器所配接的引線電纜將影響傳感器的輸出和靈敏度,對測量帶來不便,而電荷放大器可以克服這一缺點,因此實際應(yīng)用中應(yīng)選用電荷放大器。

實際應(yīng)用中,壓電傳感器測量電路的組成如圖 1所示。

圖 1 壓電傳感器測量電路

2.3 壓電傳感計算式的建立

壓電傳感機理是壓電材料的正壓電效應(yīng)[6],這里選用第一類壓電方程的機電耦合方程來計算傳感器的輸出電壓。

如圖2,電極沿 3方向布置,則PZT壓電陶瓷的壓電常數(shù)矩陣為[7]:

圖2 壓電材料的計算方向

若不考慮其它兩個方向的變形,則在上圖作用力下壓電傳感器表面產(chǎn)生的單位電荷量為

式(1)中,T3為壓電陶瓷在z方向所受應(yīng)力,d33為壓電應(yīng)變常數(shù)。對單位電荷量在壓電陶瓷受力面積Ae上進行積分,可得到壓電陶瓷表面產(chǎn)生的電量為

由放大器原理可知,當(dāng)壓電陶瓷傳感器的測量電路中接入電荷放大器之后,傳感器的輸出電壓僅與放大器的反饋電容有關(guān),即

2.4 實驗研究及輸出電壓特性分析

由于壓電陶瓷是一種電荷源器件,不能采用靜態(tài)力來對其進行加載測試,此外,對壓電傳感器進行動態(tài)標(biāo)定的方法較為復(fù)雜,因此本文參照文獻[8]的實驗方法,采用動態(tài)加載的測試方法研究壓電應(yīng)變傳感的動態(tài)響應(yīng)特性。

實驗中將信號源產(chǎn)生的正弦信號通過激振器作用到等強度梁上。針對土木工程中低頻振動測量,激振頻率從0.1Hz變化到40 Hz,測試不同激振頻率下壓電應(yīng)變傳感器的動態(tài)響應(yīng)。在正弦信號頻率已設(shè)定的情況下,對傳感器在測量范圍內(nèi)采用步長為 100 N的變幅加載,預(yù)加載為1.2 kN,用正弦信號的幅值來控制激振力的大小,得到壓電陶瓷傳感器的輸出電壓與荷載的關(guān)系曲線。

由圖 3曲線可以看出,對應(yīng)各級荷載的加載曲線,壓電陶瓷傳感器的輸出呈現(xiàn)良好的線性增長關(guān)系。由表 2傳感器靈敏度的測試結(jié)果可以看出,對于面積相同,厚度不同的壓電陶瓷傳感器來說,其靈敏度有隨著厚度的增大而增大的趨勢。

圖3 兩種壓電陶瓷傳感器所受應(yīng)力與對應(yīng)的輸出

3 結(jié) 論

本文首先論述了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重大意義和實用價值,繼而從壓電方程入手,分析了采用壓電陶瓷片進行動態(tài)應(yīng)變傳感的原理和計算公式。從傳感器動態(tài)力學(xué)性能測試實驗結(jié)果可以看出,每只傳感器的輸出均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系,其電壓輸出與傳感元件的厚度有一定關(guān)系,靈敏度隨著厚度的增大而增大。文中論證了基于壓電傳感技術(shù)進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法的可行性,為實際工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ),應(yīng)用前景廣闊。

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TU317+.9

A

2010-01-18

[國家自然科學(xué)基金項目]集壓電驅(qū)動/傳感一體化技術(shù)的結(jié)構(gòu)在線健康監(jiān)測的研究(50778179)

孫艾薇(1985～),女,工學(xué)碩士,研究方向:壓電智能結(jié)構(gòu);郭少華(1960～),男,工學(xué)博士,教授,博士生導(dǎo)師。