軸向壓電應(yīng)力傳感器的工作機(jī)理與性能分析*

吳 琛，項(xiàng) 洪，麻勝蘭，林國(guó)良,肖曉菲

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建工程學(xué)院)，福建 福州 350118)

0 引 言

以壓電陶瓷材料,比如鋯鈦酸鉛(Pb-based Lanthanum-doped Zirconate Titanate，PZT)為芯片主材的壓電應(yīng)力傳感器具有價(jià)格低廉、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定、與混凝土相容性好[1,2]等優(yōu)點(diǎn)，其性能優(yōu)于壓阻式傳感器、應(yīng)力計(jì)、光纖傳感器等傳統(tǒng)應(yīng)力傳感器，在混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究中發(fā)揮重要的作用[3,4]。

混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)主要包括缺陷損傷檢測(cè)與應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，其中通過(guò)壓電應(yīng)力傳感器研究混凝土內(nèi)部單軸應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系須具備兩個(gè)前提條件：一是監(jiān)測(cè)獲得的應(yīng)力為單軸受力；二是加載應(yīng)變率在10-5～10-1s-1范圍[5]的準(zhǔn)靜態(tài)加載。當(dāng)傳感器內(nèi)埋于構(gòu)件時(shí)，自身處于三向受力狀態(tài)，側(cè)向傳遞約束應(yīng)力，導(dǎo)致輸出的電荷反映的是三個(gè)方向應(yīng)力的矢量合[6]?，F(xiàn)關(guān)于壓電應(yīng)力傳感器的應(yīng)用研究主要集中于加載應(yīng)變率在102～104s-1范圍的沖擊加載與加載應(yīng)變率在10-1～101s-1范圍的動(dòng)態(tài)加載。在沖擊加載方面，采用壓電應(yīng)力傳感器完成了車橋碰撞[1]、構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力演化[7]、材料動(dòng)態(tài)應(yīng)力—應(yīng)變特征[3]等系列研究。在動(dòng)態(tài)加載方面，對(duì)壓電應(yīng)力傳感器進(jìn)行了外置標(biāo)定[8]，應(yīng)用于混凝土柱內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測(cè)[9～11]。以上研究成果為本文準(zhǔn)靜態(tài)加載下壓電應(yīng)力傳感器機(jī)理與性能的研究奠定基礎(chǔ)。

本文研發(fā)一種能隔離側(cè)向約束的單軸受壓應(yīng)力傳感器，解決傳感器受側(cè)向約束的影響，開(kāi)展適用于加載應(yīng)變率在10-5～10-1s-1范圍的準(zhǔn)靜態(tài)加載工況下壓電應(yīng)力傳感器的傳感性能研究，為混凝土內(nèi)力監(jiān)測(cè)研究和混凝土材料本構(gòu)研究提供可靠的傳感技術(shù)和監(jiān)測(cè)方法。

1 軸向壓電應(yīng)力傳感器的工作原理

壓電傳感器的敏感元件主要是PZT壓電材料，當(dāng)對(duì)壓電材料沿極化方向施加外力使其變形時(shí)，壓電材料的上下表面將產(chǎn)生極性相反的電荷。壓電應(yīng)力傳感器利用壓電材料的這種正壓電效應(yīng)，測(cè)量由埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓電材料輸出的電荷，獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力的信息。

壓電元件應(yīng)用的邊界條件為機(jī)械夾持，電學(xué)短路，即電位移向量Di可表達(dá)為

(1)

因壓電元件用做傳感器而非驅(qū)動(dòng)器，未對(duì)壓電元件施加外電場(chǎng)，因此上述壓電方程中的電場(chǎng)強(qiáng)度Ej為零。壓電方程簡(jiǎn)化為

(2)

壓電元件極化方向如圖1所示，一般為沿厚度方向的方向3，其他兩個(gè)方向無(wú)電極，因此，獲得的電荷信號(hào)只受電位移D3的影響，其他兩個(gè)方向的電極可不考慮。即式(2)進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

圖1 壓電元件的極化方向

(3)

其中，壓電常數(shù)d31,d32,d33分別為三個(gè)方向的單位應(yīng)力在方向3產(chǎn)生的電荷；d24,d15分別為2-3平面和1-3平面的單位剪應(yīng)力在方向1和方向2產(chǎn)生的電荷；σ1，σ2，σ3分別為三個(gè)方向的應(yīng)力；σ4，σ5，σ6分別為2-3平面、1-3平面及1-2平面內(nèi)的剪應(yīng)力。

式(3)表明，壓電元件直接用于測(cè)量介質(zhì)內(nèi)的應(yīng)力時(shí)，輸出的電荷反映的是三個(gè)方向應(yīng)力的矢量合[12，13]，而在混凝土單軸應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系中，測(cè)量目標(biāo)為混凝土內(nèi)軸向方向的應(yīng)力。為解決單軸受壓應(yīng)力與采集到的電荷無(wú)法對(duì)應(yīng)的問(wèn)題，需設(shè)計(jì)成軸向壓電應(yīng)力傳感器，隔離壓電元件1，2方向上的受力，形成如式(4)所示的應(yīng)力與電位移的線性關(guān)系，限制傳感器輸出的電荷僅在軸力方向，即方向3受力

D3=d33σ3

(4)

2 軸向壓電應(yīng)力傳感器的研發(fā)

由上述理論分析可知，壓電元件在單軸受壓時(shí)，電位移與應(yīng)力呈線性關(guān)系。因此，通過(guò)改進(jìn)傳感元件的封裝方式確保其僅受豎向荷載是研發(fā)新型軸向壓電應(yīng)力傳感器的關(guān)鍵。

2.1 傳統(tǒng)壓電應(yīng)力傳感器性能特征

傳統(tǒng)壓電應(yīng)力傳感器通常采用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)PZT進(jìn)行全面包裹，兩端用大理石固定[14,15]。封裝成型的應(yīng)力傳感器如圖2所示。其中壓電陶瓷選用具有良好傳感功能的PZT—5A型號(hào)，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 壓電陶瓷PZT—5A性能參數(shù)

圖2 傳統(tǒng)壓電應(yīng)力傳感器

采用ETM105D微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)傳統(tǒng)壓電應(yīng)力傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，由應(yīng)力控制加載，加載速率為0.5 MPa/s，其應(yīng)變速率在準(zhǔn)靜態(tài)范圍內(nèi)。圖3為試驗(yàn)設(shè)備連接示意圖。由于壓電應(yīng)力傳感器在外荷載作用下輸出的電荷信號(hào)非常微弱，且傳感元件PZT內(nèi)阻高，輸出功率小，因此,采用電荷放大器將壓電材料的高阻抗電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為低阻抗電荷信號(hào)并進(jìn)行放大、濾波處理。

圖3 壓電應(yīng)力傳感器連接線路示意

電荷信號(hào)由電荷放大器轉(zhuǎn)換并放大后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀上傳至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)結(jié)合接收到的電荷數(shù)據(jù)與荷載數(shù)據(jù)對(duì)壓電應(yīng)力傳感器進(jìn)行靈敏度分析，靈敏度定義為傳感器輸出電荷(電壓)變化量與輸入荷載(應(yīng)力)變化量的比值，即為電荷(電壓)與外荷載(應(yīng)力)擬合曲線的斜率[10]

K1=Q/σ1

(5)

式中K1為軸向壓電應(yīng)力傳感器外置標(biāo)定的靈敏度，Q為傳感器輸出的電荷，小于等于電荷放大器的最大量程，本文使用的Kistler5080電荷放大器的最大量程為2.0×106pC。σ1為施加在傳感器上的應(yīng)力。

傳統(tǒng)傳感器在準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下獲得的電壓—荷載雙縱軸曲線如圖4所示，由圖4可知，傳感器輸出的電荷曲線與荷載波形大致相同，且無(wú)相位差。圖5繪制了反復(fù)加載下電荷—應(yīng)力散點(diǎn)圖，由于傳感器中的PZT片受到側(cè)向約束，側(cè)向力產(chǎn)生電荷，導(dǎo)致采集到電荷由多方向受力共同產(chǎn)生，同時(shí)大理石與環(huán)氧樹(shù)脂的變形存在較大差異，因此電荷—應(yīng)力難呈線性關(guān)系。

圖4 應(yīng)力—電荷雙縱軸曲線

圖5 電荷—應(yīng)力散點(diǎn)圖

2.2 軸向壓電應(yīng)力傳感器的研制

為使傳感器僅受軸向力，現(xiàn)將傳感器中的壓電陶瓷片周邊置空以消除傳感元件的側(cè)向約束力，達(dá)到式(4)的線性關(guān)系，形成如圖6所示的軸向壓電應(yīng)力傳感器。

圖6 軸向壓電應(yīng)力傳感器

傳感器尺寸為20 mm×20 mm×20 mm，底座尺寸為28 mm×20 mm×5 mm，采用環(huán)氧樹(shù)脂與干水泥的混合物澆筑成型，使傳感器具有良好的協(xié)調(diào)變形。傳感元件PZT片采用表2所示壓電應(yīng)變常數(shù)較小的PZT—8型號(hào)，避免電荷放大器的量程超限并擴(kuò)大傳感器應(yīng)力監(jiān)測(cè)范圍。

表2 壓電陶瓷PZT—8參數(shù)

3 軸向壓電應(yīng)力傳感器的性能分析

軸向壓電應(yīng)力傳感器進(jìn)行表3所示三種不同荷載工況下的靈敏度標(biāo)定，荷載形式包括三角形反復(fù)、逐級(jí)反復(fù)，加載速率的影響限制在應(yīng)變率為10-5～10-1s-1的準(zhǔn)靜態(tài)加載范圍。

表3 不同加載工況

相同幅值不同加載速率作用下的電壓—荷載雙縱軸曲線如圖7(a)～(d)所示，傳感器輸出的電荷曲線與應(yīng)力波形在幅值、相位上均有較高的吻合度，二者的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.998。由式(5)與電荷放大器的最大量程2.0×106pC可知，軸向傳感器最大應(yīng)力量程可達(dá)30 MPa左右。因此，相同荷載幅值作用下，與傳統(tǒng)壓電應(yīng)力傳感器相比，軸向傳感器輸出具有更寬泛的量程范圍。

圖7 不同工況作用下應(yīng)力—電荷雙縱軸曲線與擬合曲線

不同加載類型的荷載—電壓雙曲線及擬合曲線如圖7(c)～(f)所示。工況一～三的靈敏度分別為5.79,6.00,5.99 pC/MPa，靈敏度最大誤差約4.0 %。分析表明，軸向應(yīng)力傳感器在不同的加載類型和速率下均具有穩(wěn)定的性能，靈敏度不受加載速率與加載類型的影響。

4 結(jié) 論

本文研發(fā)能夠隔離側(cè)向約束影響的軸向壓電應(yīng)力傳感器并進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)下(加載應(yīng)變率在10-5～10-1s-1范圍內(nèi))的工作性能分析，使其在準(zhǔn)靜態(tài)荷載下進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部單軸應(yīng)力監(jiān)測(cè)成為可能。研究表明：1)本文提出的傳感器能夠隔離側(cè)向約束的影響，對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)作用力響應(yīng)良好，具有量程大，輸入的應(yīng)力與輸出的電荷線性度高等優(yōu)點(diǎn)。2)傳感器在準(zhǔn)靜態(tài)加載下工作性能穩(wěn)定，其靈敏度不受加載速率與加載類型的影響。