基于新型壓電材料對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的綜述

劉 闖，高宇甲，王鵬舉，謝景洲，師營(yíng)營(yíng)

（1 華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院 河南 鄭州 450000）

（2 中建七局第四建筑有限公司 陜西 西安 710000）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)土木工程事故頻發(fā)，如房屋的突然倒塌、道路的坍塌與下陷、橋梁的斷裂等，關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的問(wèn)題愈發(fā)引起全社會(huì)的重視[1-2]。結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)（structural health monitoring，SHM）是指針對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的監(jiān)測(cè)、識(shí)別、分析、診斷的綜合過(guò)程[3]，對(duì)建筑的健康進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并分析、發(fā)出預(yù)警對(duì)降低財(cái)產(chǎn)損失、保障人民群眾的生命安全、降低施工及后期維護(hù)成本具有重大意義。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)既包含傳統(tǒng)無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)，又融入智能材料的概念，具有對(duì)結(jié)構(gòu)連續(xù)監(jiān)測(cè)（如齡期強(qiáng)度監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)自振頻率監(jiān)測(cè)等）以及損傷識(shí)別（如裂縫、空洞識(shí)別等）技術(shù)等。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外基于新型壓電材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究成果，旨在對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究與總結(jié)，并通過(guò)上述分析，在總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處的同時(shí)，展望了壓電傳感器的應(yīng)用前景和發(fā)展方向。

1 壓電材料與壓電效應(yīng)

壓電材料通常包括壓電陶瓷（PZT）、壓電薄膜、壓電聚合物、壓電晶體和壓電復(fù)合材料。自1880年居里兄弟（雅克·居里和皮埃爾·居里）首次發(fā)現(xiàn)石英晶體中的壓電效應(yīng)以來(lái)，壓電材料經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，應(yīng)用于建筑、軍事、航天、醫(yī)學(xué)等[4-5]眾多領(lǐng)域。

壓電效應(yīng)[6]（piezoelectric effect）是壓電材料得以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要原因之一，壓電效應(yīng)包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，所有壓電材料都具有壓電效應(yīng)，其工作原理如圖1所示。正壓電效應(yīng)是指將壓電材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，它們通常被用作感測(cè)結(jié)構(gòu)環(huán)境變化（如溫度、荷載、濕度等）的傳感器。反之，逆電效應(yīng)是指壓電材料將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程，利用這一特性，通常將壓電材料制作為驅(qū)動(dòng)器，以使結(jié)構(gòu)變形或改變應(yīng)力狀態(tài)。

圖1 壓電效應(yīng)示意圖

如圖2所示，壓電陶瓷（PZT）具有響應(yīng)速度快、體積小、造價(jià)低、可靠性好等的特點(diǎn)，而且自身特性更兼有傳感和激勵(lì)的雙重效應(yīng)的特點(diǎn)?；谝陨咸攸c(diǎn)，近年來(lái)，壓電陶瓷（PZT）作為智能材料被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，進(jìn)而被廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、水利等施工過(guò)程中。綜上所述，基于壓電陶瓷智能材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖2 PZT與硬幣對(duì)比

2 壓電阻抗法

2.1 壓電阻抗法原理

壓電阻抗法（electro-mechanical impedance，EMI），是基于PZT片，利用PZT片與結(jié)構(gòu)機(jī)電耦合性能的典型應(yīng)用。

其基本原理是：當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷或混凝土在硬化過(guò)程中，其自身機(jī)械阻抗將發(fā)生變化，但是阻抗通常情況下難以直接測(cè)出。此時(shí)，研究人員基于壓電阻抗法使用圖3所示精密儀器阻抗分析儀對(duì)預(yù)先粘貼或埋設(shè)的PZT片施加一定頻率范圍的交流電，由上文所介紹的正壓電效應(yīng)，基于PZT本身快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，阻抗信息的變化可以被研究人員快速捕捉到，測(cè)試界面如圖4所示。通過(guò)對(duì)這些信息進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)及損傷診斷。

圖3 阻抗分析儀

圖4 阻抗測(cè)試界面

2.2 壓電阻抗法與結(jié)構(gòu)的作用模型

目前，基于國(guó)內(nèi)外的研究壓電阻抗法可根據(jù)不同的假定或精度要求的不同分為三種阻抗模型，分別為一維阻抗模型、考慮黏結(jié)層的一維阻抗模型和二維阻抗模型[6]。由Liang等[7]提出的不考慮黏結(jié)層影響的一維阻抗模型在后來(lái)的實(shí)踐中被驗(yàn)證可成功應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，下面將對(duì)此模型進(jìn)行介紹。

式（1）中，將PZT視為一個(gè)被固定一端與簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)相連的狹長(zhǎng)桿件。其中：

Y（ω）－PZT的電導(dǎo)納；

jω－所施加的激勵(lì)角頻率；

ba、la、－分別代表PZT片的寬度、長(zhǎng)度和厚度；

－零應(yīng)力時(shí)的介電常數(shù)，決定PZT本身電容的大小，與介電損耗有關(guān)；

Za－PZT的機(jī)械阻抗；

Zs－所監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗；

d31－壓電常數(shù)，是衡量壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的指標(biāo)，關(guān)系到輸出靈敏度；

從上式研究人員可以清晰地看出，PZT片的電導(dǎo)納由兩部分構(gòu)成。第一部分是自由狀態(tài)下PZT的電導(dǎo)納，其只與外部激勵(lì)頻率相關(guān)，而與結(jié)構(gòu)的狀態(tài)無(wú)關(guān)；第二部分包括了PZT自身的阻抗信息與結(jié)構(gòu)的阻抗信息，當(dāng)基體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷缺陷、剛度增減、材料特性發(fā)生變化等，PZT自身的阻抗Za不發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗作為唯一變量決定了第二項(xiàng)電導(dǎo)納的變化，這與上文所述壓電阻抗法的原理如出一轍。

3 壓電阻抗法在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

壓電阻抗法最早由弗吉尼亞理工大學(xué)Chaudhry等[8]應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。不同于傳統(tǒng)模態(tài)分析法，使用高頻率激勵(lì)信號(hào)（大于50 kHz），對(duì)于微小損傷、狀態(tài)變化信息、阻抗信息也能被快速捕捉到，同時(shí)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件、質(zhì)量負(fù)載等航空設(shè)備正常使用狀態(tài)下質(zhì)量和剛度變化不敏感。結(jié)果表明，基于PZT用于航空設(shè)備檢測(cè)具有較高的敏感性與實(shí)用性。隨后，Giurgiutiu等[9]將PZT傳感器用于老化的飛機(jī)結(jié)構(gòu)，以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損壞（如疲勞裂紋和腐蝕）的發(fā)生和進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明壓電阻抗法，尤其是300 kHz～450 kHz激勵(lì)信號(hào)對(duì)近場(chǎng)損傷具有較高敏感性。

繼航空航天方面的應(yīng)用外，壓電阻抗法在土木工程中也同樣屢見(jiàn)不鮮。弗吉尼亞理工大學(xué)Sun等[10]提出一種基于頻域阻抗特征的技術(shù)，用于對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康檢測(cè)，其將PZT片貼置桁架節(jié)點(diǎn)上，通過(guò)PZT導(dǎo)納數(shù)據(jù)用以反映桁架的機(jī)械阻抗的變化，并與原始健康桁架導(dǎo)納數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后應(yīng)用統(tǒng)計(jì)算法根據(jù)特征模式差異提取桁架的損傷指數(shù)用以評(píng)估損傷程度，但PZT傳感器檢測(cè)范圍僅限于鄰域，Sun的桁架實(shí)驗(yàn)開(kāi)啟了EMI技術(shù)在土木工程中應(yīng)用的先河；韓國(guó)仁川國(guó)立大學(xué)安全工程系Tae-Keun Oh等[11]提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的強(qiáng)度預(yù)測(cè)技術(shù)，認(rèn)為混凝土強(qiáng)度主要受水灰比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、溫度、成熟度以及基于EMI的阻抗信號(hào)這些因素影響，其使用了一種半球形中空聚苯乙烯泡沫塑料外殼制造新型嵌入式壓電傳感器用以提高信號(hào)質(zhì)量，可同時(shí)用于阻抗測(cè)量與諧波傳播，并通過(guò)定義互相關(guān)系數(shù)（CC）用于量化由于強(qiáng)度變化引起的EMI變化，結(jié)果表明人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通過(guò)強(qiáng)化訓(xùn)練基于五種強(qiáng)度變量可以預(yù)測(cè)不同配合比的混凝土試件的強(qiáng)度，且誤差率小。

除強(qiáng)度監(jiān)測(cè)外，壓電阻抗法在土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中還有許多其他的應(yīng)用。Talakokula等[12]將PZT片粘貼至鋼筋表面后一同嵌入混凝土試塊中，并將試塊浸入人工海水中加以電流模擬鋼筋銹蝕過(guò)程，從PZT貼片的導(dǎo)納特征中提取的等效結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)腐蝕水平進(jìn)行校準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上提出了新的腐蝕評(píng)估模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，等效參數(shù)可有效地檢測(cè)和量化腐蝕。

在國(guó)內(nèi)壓電阻抗法的應(yīng)用研究起源于20世紀(jì)90年代后期，雖較國(guó)外研究起步較晚但相關(guān)研究仍取得不少成果。華中科技大學(xué)魯晶晶等[13]以在混凝土試塊表面粘貼PZT片的方式分別選取低、中、高三種頻段作為激勵(lì)頻率對(duì)C20、C30、C40混凝土導(dǎo)納隨齡期變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，輔助以齡期抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比，并以均方差根作為量化評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)導(dǎo)納數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明導(dǎo)納數(shù)據(jù)峰值偏移規(guī)律符合強(qiáng)度變化規(guī)律，導(dǎo)納實(shí)部相較于虛部對(duì)強(qiáng)度變化更敏感，高頻段激勵(lì)導(dǎo)納變化較低頻段更明顯；浙江大學(xué)蔡金標(biāo)等[14]分別采取表面粘貼與嵌入式的方式對(duì)試塊導(dǎo)納－強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明對(duì)表面壓電片，得到了其共振頻率的變化量與標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度之間的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系；對(duì)內(nèi)置壓電片，通過(guò)引入指標(biāo)建立了電導(dǎo)頻譜與標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度的定量關(guān)系，兩種方式都表明導(dǎo)納－強(qiáng)度變化規(guī)律具有一致性，導(dǎo)納的變化歸結(jié)為混凝土剛度的變化對(duì)PZT的束縛作用；胡顯燕[15]分別在鋁板、鋼筋混凝土板及混凝土管表面粘貼PZT，基于壓電阻抗法進(jìn)行損傷測(cè)試，并成功利用損傷指數(shù)RMSD、CC對(duì)損傷做出定量與定位，同時(shí)還考慮溫度變量對(duì)阻抗數(shù)據(jù)做出溫度修正，但在大型結(jié)構(gòu)中PZT如何布置及針對(duì)海量檢測(cè)數(shù)據(jù)如何智能分析仍是未來(lái)需要解決的問(wèn)題；此外，武漢科技大學(xué)韓芳等[16]針對(duì)國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的木結(jié)構(gòu)利用壓電阻抗法進(jìn)行損傷檢測(cè)，結(jié)果表明壓電阻抗對(duì)木梁局部損傷識(shí)別敏感，可為工程實(shí)際提供參考；大連理工大學(xué)Wei等[17]針對(duì)碳纖維聚合物增強(qiáng)鋼筋混凝土進(jìn)行拔出實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用PZT貼片對(duì)脫粘損傷進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)表明了EMI技術(shù)在鋼筋混凝土的脫粘損傷監(jiān)測(cè)方面的可行性。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，基于新型壓電材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，正在接受著越來(lái)越多的重視，也取得了大量的研究成果。同時(shí)還應(yīng)該看到，目前壓電智能結(jié)構(gòu)在工程上的應(yīng)用范圍較廣，該技術(shù)主要應(yīng)用于損傷監(jiān)測(cè)，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其他方面研究較少且尚未形成統(tǒng)一指導(dǎo)規(guī)范；壓電材料受溫度影響明顯，關(guān)于溫度對(duì)其的影響機(jī)理及修正方式尚未明確；關(guān)于壓電智能材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究仍然很少。