新型水泥基壓電傳感器的基本性能研究*

楊曉明，李宗津

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧阜新 123000；2.香港科技大學(xué)土木及環(huán)境工程學(xué)系，香港九龍清水灣)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土木工程結(jié)構(gòu)的安全使用愈來愈受到重視。在各類土木工程結(jié)構(gòu)的長期使用過程中，環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等災(zāi)害因素的耦合作用將不可避免地導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料性能的不斷退化，以至于系統(tǒng)的損傷積累和抗力衰減，從而抵抗自然災(zāi)害、甚至正常環(huán)境作用的能力下降，極端情況下引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故［1］。雖然土木工程結(jié)構(gòu)在事故發(fā)生前，結(jié)構(gòu)中均出現(xiàn)裂縫、不均勻沉降、局部開裂、撓度過大、鋼筋銹蝕等癥狀，但由于缺乏可靠有效的預(yù)警和監(jiān)測系統(tǒng)，無法在事故發(fā)生前發(fā)出警報，來避免事故的發(fā)生。有鑒于此，對于已建成使用的超高層建筑、大跨度空間結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁等重要建筑需要布置有效的監(jiān)測系統(tǒng)，對其關(guān)鍵部位應(yīng)力、位移以及整個結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進(jìn)行實時監(jiān)測，隨時評定其安全狀況，在出現(xiàn)危險信號時候及時發(fā)出預(yù)警，避免災(zāi)難發(fā)生［2－3］；對于擬建和在建的大型土木工程結(jié)構(gòu)，在吸取以往的經(jīng)驗和教訓(xùn)基礎(chǔ)上，在施工過程中就埋入各類傳感器［4－5］，從施工期開始監(jiān)測結(jié)構(gòu)各項參數(shù)，實時地把握結(jié)構(gòu)的全壽命質(zhì)量和安全狀況，分析傳感器獲得的各項參數(shù)的變化，判斷結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的損傷，及時采取適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)措施，以確保工程結(jié)構(gòu)在生命期內(nèi)的安全性、完整性、可靠性、適用性和耐久性。

從上述分析可知確保結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵是傳感器。目前用于結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測的傳統(tǒng)傳感器包括力傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、電阻應(yīng)變片等，除此之外還有利用各種智能材料包括光導(dǎo)纖維［6－7］、壓電材料［8－10］等制作的新型傳感器。然而目前常用的傳感器在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用都存在若干問題，如埋入式傳感器會改變結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力分布；傳感器壽命小于結(jié)構(gòu)壽命；傳感器在結(jié)構(gòu)施工中易被破壞等等［11－12］。Li等［13－14］于 2001 年提出一種新型壓電復(fù)合材料，包括水泥相和壓電陶瓷相，簡稱水泥基壓電復(fù)合材料，這種材料具有傳感性能及驅(qū)動性能，而且非常適合用于混凝土結(jié)構(gòu)中。如果將這種水泥基壓電復(fù)合材料作為傳感元件并且用水泥進(jìn)行封裝制成傳感器，將其應(yīng)用到土木工程結(jié)構(gòu)中，尤其是埋入到混凝土結(jié)構(gòu)中，這種水泥基壓電傳感器會像骨料一樣埋入混凝土結(jié)構(gòu)中而不改變結(jié)構(gòu)的特性，在傳感器與周圍混凝土間也不存在不連續(xù)的界面問題，不會出現(xiàn)應(yīng)力突變顯現(xiàn)，而這一點是傳統(tǒng)傳感器應(yīng)用中難以避免的。

本文基于上述思路開發(fā)了一種新型水泥基壓電傳感器并對其基本性能進(jìn)行測試。首先在壓電材料理論的基礎(chǔ)上，研究了電荷放大器在水泥基壓電傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用，之后確定了水泥基壓電傳感器的制作過程，并通過試驗檢測了傳感器的頻率獨立性、線性度等基本性能。最后通過試驗結(jié)果確定這種新型水泥基壓電傳感器在土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測中應(yīng)用的可行性。

1 壓電材料基本理論

1.1 壓電效應(yīng)

1880年Curie Pierr和Curie Jacques兄弟發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在某些特定方向上對某石英晶體加力(拉或壓)時，在與力方向垂直的平面內(nèi)出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，這種現(xiàn)象后來被稱為壓電性，如圖1所示，所產(chǎn)生電荷為:

其中ΔQ為壓電材料表面產(chǎn)生電荷的變化量，ΔF為壓電材料表面所施加荷載的變化量，k為比例系數(shù)。

圖1 壓電效應(yīng)示意圖

1.2 電荷放大器

通常壓電材料的輸出為電荷信號，而壓電材料本身電阻不可能無窮大，因此電荷會慢慢跑掉，只能在其上加變化力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，故利用壓電材料傳感效應(yīng)的傳感器只宜做動態(tài)測量。壓電材料的輸出信號非常微弱，需要使用電荷放大器將其放大并進(jìn)行阻抗變換，之后才可進(jìn)行一般測量。

電荷放大器的工作原理如圖2所示。其中，ΔQ為壓電傳感元件受到外力后產(chǎn)生的電荷量；Cinp為放大器輸入電容，Cf為放大器反饋電容；Rf為放大器反饋電阻；Uout為電荷放大器輸出電壓，Amp為運(yùn)算放大器。通常情況，電荷放大器的輸出電壓為

由式(1)和式(2)可得

從式(3)中可以看出，由于對于給定的電荷放大器，其反饋電容是固定的，故采用電荷放大器的測試系統(tǒng)的輸出電壓與壓電傳感元件產(chǎn)生的電荷量成正比關(guān)系，不會出現(xiàn)衰減和滯后的現(xiàn)象。而壓電傳感元件所產(chǎn)生的電荷量是與其所受到的外力成正比的，因此電荷放大器測試系統(tǒng)的輸出電壓與壓電元件所受到的外力成正比，這正是傳感器所需要的基本特性。

圖2 電荷放大器工作原理

圖3所示為無電荷放大器的測試系統(tǒng)測得的水泥基壓電材料在受到往復(fù)荷載時的電壓輸出。從圖3可以看出，壓電材料的輸出幅值隨著輸入荷載的頻率降低而降低，并且輸入信號和輸出信號之間存在一定的相位差。

圖3 無電荷放大器的測試系統(tǒng)的電壓輸出

圖4所示為帶電荷放大器的測試系統(tǒng)測得的水泥基壓電材料在受到往復(fù)荷載時的電壓輸出。從圖4可以看出，壓電材料的輸出幅值不隨著輸入荷載的頻率變化而變化，并且輸入信號和輸出信號之間基本不存在相位差。由此可見，使用電荷放大器可以保證水泥基壓電材料在一定范圍內(nèi)的頻率獨立性，而且可以基本消除相位差，這為水泥基壓電材料傳感器準(zhǔn)確測量復(fù)雜荷載提供有力保證。

圖4 有電荷放大器的測試系統(tǒng)的電壓輸出

1.3 壓電復(fù)合材料

壓電復(fù)合材料是一種多相材料，它是由壓電陶瓷和高分子聚合物通過復(fù)合工藝構(gòu)成的一種新型材料。這種材料不僅能保持原組分的特色，通過復(fù)合效應(yīng)還能使其具有原組分材料所不具備的性能。Li等提出一種新型壓電復(fù)合材料，包括水泥相和壓電陶瓷相，簡稱水泥基壓電復(fù)合材料，這種水泥基壓電復(fù)合材料采用兩種連通方式進(jìn)行設(shè)計和制作，分別為0－3型和2－2型，其中2－2型水泥基壓電復(fù)合材料為相互平行的壓電陶瓷片等間距地被埋入水泥基材料中。這種水泥基壓電復(fù)合材料非常適合用于混凝土結(jié)構(gòu)中，其傳感性能等具體細(xì)節(jié)可以參考有關(guān)文獻(xiàn)。本文利用這種水泥基壓電復(fù)合材料制作成傳感器以用于混凝土結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測。

2 水泥基壓電傳感器的制作

本文所開發(fā)的水泥基壓電傳感器主要用于土木工程結(jié)構(gòu)中，因此水泥基壓電復(fù)合材料中功能相(壓電陶瓷)的選擇需要考慮土木工程測量的要求。一般土木工程動態(tài)測試的常用頻率范圍為0.01 Hz～40 Hz，所選的壓電陶瓷需要在此范圍內(nèi)滿足頻率獨立性。除了頻率獨立性，還要考慮壓電陶瓷的強(qiáng)度、壓電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)和相對介電常數(shù)等等。本研究中選取香港功能陶瓷有限公司出品的P85和P43系列壓電陶瓷作為水泥基壓電復(fù)合材料的功能相。P85和P43系列壓電陶瓷具有較高的介電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)。為了簡化制作過程，本文開發(fā)的水泥基壓電傳感器為僅將一片壓電陶瓷封入水泥基中。具體做法是將壓電陶瓷片粘結(jié)在兩個水泥立方體間，如圖5所示。

圖5 水泥基壓電傳感器制作過程

為制作水泥基壓電傳感器特地開發(fā)了一種新的封裝材料來粘結(jié)水泥塊和壓電陶瓷片。這種封裝材料由干水泥粉和環(huán)氧樹脂混合而成，它具有高強(qiáng)度、高電阻率和高防水性。這種材料硬化以后，其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于環(huán)氧樹脂硬化后的強(qiáng)度，接近于水泥硬化的強(qiáng)度。封裝材料與水泥塊間的力學(xué)性能匹配更有利于從水泥塊到壓電陶瓷間的應(yīng)力傳遞，確保壓電陶瓷上獲得真實應(yīng)力。同時這種封裝材料還具有同環(huán)氧樹脂一樣高的電阻率，可以保證傳感器的電學(xué)穩(wěn)定性。另外，這種封裝材料還具有很高的防水性，可以保證壓電陶瓷不受水汽的影響。制成后的水泥基壓電傳感器的樣品尺寸為20 mm×20 mm×40 mm，故此在其軸心方向上施加400 N的力，其內(nèi)部應(yīng)力為1 MPa。

3 水泥基壓電傳感器的基本性能測試

水泥基壓電傳感器制作完成之后，在電液自動侍服實驗機(jī)(MTS)上進(jìn)行性能測試，測試內(nèi)容包括頻率獨立性、線性度和復(fù)雜荷載測試。

3.1 試驗裝置

水泥基壓電傳感器性能測試試驗裝置如圖6所示。MTS的函數(shù)發(fā)生器控制加壓板產(chǎn)生正弦波荷載、隨機(jī)荷載和方波荷載施加給水泥基壓電傳感器。在MTS的產(chǎn)生的荷載下，傳感器產(chǎn)生高阻抗的電荷型信號，由電荷放大器(B＆K，2635)轉(zhuǎn)換為低阻抗的電壓型信號。最后，電壓型傳感器輸出信號和力傳感器獲得的MTS產(chǎn)生的實際荷載信號由電腦采集并存儲。

圖6 水泥基壓電傳感器性能測試試驗裝置

3.2 頻率獨立性

傳感器的頻率獨立性是測量動態(tài)響應(yīng)傳感器的重要性能之一。因此首先檢測水泥基壓電傳感器的頻率獨立性。為此，設(shè)計了一種專門的加載制度，稱為頻率掃描加載，如圖7所示。在頻率掃描加載中，保持輸入正弦荷載的幅值不變，改變輸入荷載的頻率，從0.01 Hz～40 Hz。此頻率范圍是土木工程常見的頻率范圍。頻率掃描荷載的平衡位置為3 000 N，以此來模擬傳感器在實際結(jié)構(gòu)中所受到的預(yù)壓情況。

圖7 頻率掃描加載制度示意圖

圖8所示為采用P85系列壓電陶瓷作為功能相的水泥基壓電傳感器在頻率掃描荷載下的頻率響應(yīng)。從圖8可以看出，在整個頻率范圍內(nèi)傳感器輸出電壓的幅值幾乎是固定的。也就是說，傳感器輸出電壓的幅值同輸入荷載的頻率間的擬合曲線在整個頻率范圍內(nèi)是一條水平直線，即傳感器輸出電壓的幅值不隨輸入荷載頻率的變化而變化。

圖8 水泥基壓電傳感器在頻率掃描荷載下頻率響應(yīng)

圖9 水泥基壓電傳感器在頻率掃描荷載下相位差變化

圖9所示為采用P85系列壓電陶瓷作為功能相的水泥基壓電傳感器在頻率掃描荷載下的相位差變化。從圖9可以看出，傳感器輸出同輸入荷載間的相位差非常接近于零，也就是說，傳感器的響應(yīng)同輸入荷載基本同步，不存在滯后現(xiàn)象。上述兩點可以保證傳感器在承受由不同頻率和幅值的正弦荷載組合而成的復(fù)雜荷載時，其輸出波形不會發(fā)生變形和扭曲。采用P43系列壓電陶瓷作為功能相的水泥基壓電傳感器在頻率掃描荷載下的頻率響應(yīng)和相位差同P85系列基本類似，本文就不一一贅述。

3.3 線性測試

傳感器的線性度是保證傳感器準(zhǔn)確測量的重要性能。為了檢測水泥基壓電傳感器的線性性能，專門設(shè)計一種加載制度，稱為幅值掃描加載，如圖10所示。在幅值掃描加載中，保持輸入正弦荷載的頻率為固定值1 Hz，改變輸入荷載的幅值(峰到峰)，從200 N～3 800 N，對應(yīng)于傳感器內(nèi)部的軸向壓應(yīng)力為0.5 MPa～9.5 MPa。幅值掃描荷載的平衡位置為3 000 N，以此來模擬傳感器在實際結(jié)構(gòu)中所受到的預(yù)壓狀態(tài)。

圖10 頻率掃描加載制度示意圖

圖11所示為P85系列水泥基壓電傳感器在幅值掃描荷載下傳感器輸出電壓幅值同輸入荷載幅值間的關(guān)系。從圖11可以看出，在傳感器輸出電壓幅值和輸入荷載幅值間存在明顯的線性關(guān)系。盡管不同傳感器樣品的試驗擬合直線的斜率稍有不同，這是由于在傳感器制作過程中，壓電陶瓷片的尺寸略有不同，從而導(dǎo)致在同樣外力的情況下產(chǎn)生的電荷有所不同，傳感器輸出的電壓也有所不同，所以擬合直線的斜率有所差異。這種傳感器輸入輸出間的簡單線性關(guān)系，是傳感器應(yīng)用的基本要求。圖12所示為P85系列水泥基壓電傳感器在幅值掃描荷載下傳感器輸入輸出信號間相位差同輸入荷載幅值間的關(guān)系。從圖12可以看出，在整個輸入荷載幅值范圍內(nèi)傳感器輸入輸出信號間相位差基本接近于零。上述兩點特性使水泥基壓電傳感器用于結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測成為可能。

圖11 幅值掃描荷載下水泥基壓電傳感器輸出電壓幅值同輸入荷載幅值間的關(guān)系

圖12 幅值掃描荷載下水泥基壓電傳感器輸入輸出信號相位差同輸入荷載幅值間的關(guān)系

3.4 復(fù)雜荷載

為了進(jìn)一步評估水泥基壓電傳感器的性能，設(shè)計各種復(fù)雜荷載，包括正弦組合荷載、隨機(jī)荷載和方波荷載。將這些荷載施加到水泥基壓電傳感器上，以觀察其響應(yīng)。

正弦組合荷載由五種不同頻率和幅值的正弦荷載組合而成，如表1所示。五種正弦荷載的頻率基本覆蓋該水泥基壓電傳感器的頻率范圍，組合而成的荷載幅值達(dá)到該傳感器線性測試試驗的最大值。圖13所示為正弦組合荷載及對應(yīng)的傳感器輸出。圖14所示為正弦組合荷載的細(xì)節(jié)及對應(yīng)的傳感器輸出的細(xì)節(jié)。從圖中可以看出，傳感器的輸出同正弦組合荷載對應(yīng)的很好，不論從整體上觀察還是細(xì)節(jié)波形的對應(yīng)都非常一致。

表1 正弦組合荷載分量

圖13 正弦組合荷載及對應(yīng)的傳感器輸出

圖14 正弦組合荷載細(xì)節(jié)及對應(yīng)的傳感器輸出細(xì)節(jié)

隨機(jī)荷載可以更真實地反映水泥基傳感器在實際應(yīng)用中所遇到的真實荷載環(huán)境。圖15所示為本文采用的隨機(jī)荷載及對應(yīng)的傳感器的響應(yīng)。從圖15可以看出，傳感器輸出的波形幾乎和隨機(jī)荷載的波形相一致。這表明該水泥基壓電傳感器可以正確反映所受到的隨機(jī)荷載。

圖15 隨機(jī)荷載及對應(yīng)的傳感器的響應(yīng)

本文中采用的方波荷載為平衡位置3 000 N，頻率0.1 Hz，幅值(峰值到平衡位置)400 N。圖16所示為本文采用的方波荷載及對應(yīng)的傳感器輸出。從圖16可以看出，在傳感器輸出響應(yīng)中，無論在荷載上升或下降中都沒有震蕩現(xiàn)象出現(xiàn)，這一點對于結(jié)構(gòu)動態(tài)測試是十分重要的。

圖16 方波荷載及對應(yīng)的傳感器的響應(yīng)

4 結(jié)論

本文開發(fā)一種用于土木工程結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測的新型水泥基壓電傳感器。試驗檢測了傳感器的頻率獨立性、線性度等基本性能。由研究結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

(1)試驗結(jié)果顯示采用同一系列水泥基壓電材料制成的傳感器性能一致，表明本文開發(fā)的水泥基壓電傳感器的制作方法是可行而且可靠的。在制作水泥基壓電傳感器過程中開發(fā)的專門粘結(jié)材料具有高強(qiáng)度、高電阻和高防水性，適合用于壓電材料傳感單元的封裝。

(2)在土木工程結(jié)構(gòu)常用的自振頻率范圍內(nèi)，水泥基壓電傳感器具有良好的頻率獨立性，同時其輸出輸入信號間的相位差基本接近于零，不存在滯后現(xiàn)象，這保證傳感器在承受復(fù)雜荷載時，其輸出波形不會發(fā)生變形和扭曲。

(3)水泥基壓電傳感器的輸出電壓幅值與輸入荷載幅值間存在明顯的線性關(guān)系。這一點在后續(xù)的組合荷載、隨機(jī)荷載和方波荷載試驗中得以驗證。同時在承受方波荷載時，無論在荷載上升或下降中都不會出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。

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