壓電機敏混凝土原理

摘　要：將壓電元件埋入混凝土構(gòu)件中，形成敏感網(wǎng)絡(luò)，可以無源、主動、不間斷在線監(jiān)測混凝土工程結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。為了同時實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)靜特性的監(jiān)測，用相同的壓電元在電激勵下產(chǎn)生聲振動，聲波在結(jié)構(gòu)中傳播，結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性都將調(diào)制聲傳播，其他的壓電元將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。壓電機敏混凝土技術(shù)，充分利用了壓電特性，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的在線、不間斷、主動及無源監(jiān)測，解決了土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測中空間大范圍分布、時效性、能耗的要求。

關(guān)鍵詞: 智能結(jié)構(gòu)；壓電換能器；檢測；混凝土　

1　引言

混凝土構(gòu)件是現(xiàn)代土木結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成單元，在混凝土中植入敏感元件，就相當(dāng)于為土木工程結(jié)構(gòu)造就了敏感神經(jīng)，可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)長期不間斷的在線和主動監(jiān)測。文獻[1，2 ]中提出，將具有壓電特性的元件埋入混凝土中，可用文獻[3 ]中的方式構(gòu)成陣列網(wǎng)絡(luò)，由于壓電效應(yīng)，敏感元件可以無源、不間斷地工作，直接將結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電信號輸出。這種無源敏感網(wǎng)絡(luò)為大型工程結(jié)構(gòu)的主動監(jiān)測提供了一種新的方法。

但是無源工作的壓電敏感元件只能傳感結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。土木工程結(jié)構(gòu)的變化往往是十分緩慢的，結(jié)構(gòu)自身的缺陷在載荷的作用下，逐漸發(fā)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效或損毀。因此通常對土木結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，更主要的是對其靜態(tài)(或準(zhǔn)靜態(tài)) 情況的評估、監(jiān)測。

為了用埋入混凝土中的無源壓電敏感陣列網(wǎng)絡(luò)，同時對結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)監(jiān)測，在文獻[1，2 ]還提出，在結(jié)構(gòu)中用一個或多個和用作敏感元件的相同壓電元作為聲源，在交變電壓激勵下，由于逆壓電效應(yīng)，壓電元產(chǎn)生聲振動，聲波在結(jié)構(gòu)中傳播，結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性將對聲波產(chǎn)生調(diào)制，陣列網(wǎng)絡(luò)中的壓電元作為敏感元件，將聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號。最終實現(xiàn)靜、動態(tài)參數(shù)的監(jiān)測。

壓電換能器埋入混凝土后，壓電特性保持不變。和在力學(xué)中自由邊界比較，在混凝土的約束條件下，壓電元件的電－聲轉(zhuǎn)換及聲－電轉(zhuǎn)換特性受結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)特性影響較小。壓電換能器能夠直接傳感結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，而結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性決定聲傳播特性，這樣，壓電機敏土木結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)都有敏感輸出。

2　機敏原理

混凝土固化后，埋入的壓電元件和混凝土構(gòu)件成為一個整體。由于壓電效應(yīng)的雙向換能特性，其中的壓電元件，可以作為機－電轉(zhuǎn)換換能器，工程結(jié)構(gòu)自身或者載荷引起的混凝土內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變的變化就能使壓電換能器產(chǎn)生電信號輸出；也可以作為電－機轉(zhuǎn)換換能器在交變電場的激勵下，產(chǎn)生聲振動輸出。埋入混凝土中的壓電換能器的機電換能特性可表示為圖1 的機電等效電路[ 4，5 ]。圖中F1 和F2 分別是壓電元件兩個作用端面上的合力。U 是元件兩端的電壓。電容C0 是壓電元的等效電容；阻抗Zp1、Zp2 和Z 0，完全由壓電元件的機電參數(shù)根據(jù)壓電方程和波動方程決定。變壓比A表征了元件的機電耦合性能。而阻抗Z 1 和Z 2 實際上等效的是壓電元件的機械載荷條件：在兩個作用端面上的力阻抗。這個三端口網(wǎng)絡(luò)描述了壓電元件的機電雙向換能特性。當(dāng)電－機換能時,U 是輸入，F(xiàn)1 和F2 是輸出。當(dāng)機－電換能時，則F1 和F2 是輸入，U 是輸出。輸出(輸入) 阻抗Z 1 和Z 2，隨著實際的力學(xué)邊界條件而定。例如，當(dāng)壓電元件完全處于自由邊界時，Z 1= Z 2= 0。

對于埋入混凝土中的壓電換能器，Z 1，Z 2≠0，它由混凝土的力學(xué)參數(shù)如密度、預(yù)應(yīng)力和壓電元件與混凝土的實際結(jié)合狀態(tài)決定。所以無論是壓電換能器的機輸出，還是電輸出，都能反應(yīng)混凝土在埋入位置處的力學(xué)狀態(tài)。但是，埋入的壓電元件的數(shù)量相對于混凝土結(jié)構(gòu)的工程尺寸是相當(dāng)有限的。為實現(xiàn)整個混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測，對在混凝土結(jié)構(gòu)中的聲振動信號進行探測。聲振動在混凝土結(jié)構(gòu)中從發(fā)射換能器發(fā)出傳輸?shù)浇邮諌弘娫捎趬弘娦?yīng)，產(chǎn)生電荷，得到電壓信號。根據(jù)波在固體介質(zhì)中的傳播理論，波的傳播速度

式中T 是固體中的應(yīng)力； Q是密度。聲波在有損耗介質(zhì)中傳播時，能量被介質(zhì)不斷耗散或吸收，其振幅不斷衰減，則其波動的質(zhì)點位移場式中　R 為傳播衰減因子；

k 為介質(zhì)彈性常熟； r 為質(zhì)點的空間坐標(biāo)； X 為波動頻率；t 為時間。衰減因子依賴于固體材料性質(zhì)。同時，固體材料對波的傳播還有頻散效應(yīng)，即不同材料特性的固體對傳播的波動信號頻率有選通作用[ 6 ]。

混凝土是非常不均勻介質(zhì)。在工程制作時，很容易產(chǎn)生空洞、裂縫等現(xiàn)象，這樣在其內(nèi)部可能有非常多的波反射界面?；炷两Y(jié)構(gòu)本身狀態(tài)的變化，如載荷、老化、破損等都將引起結(jié)構(gòu)反射界面的改變，以至產(chǎn)生新的反射界面，所以波在混凝土中的傳播是比較復(fù)雜的，不太可能用檢測某一個傳播參數(shù)來分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)部狀態(tài)。接收換能器拾取的波動信號的時間－頻率結(jié)構(gòu)，是波動在混凝土中傳播的綜合結(jié)果。因此通過檢測從接收元得到的輸出波形，分析其相對于激勵波形的頻率、相位以及能量變化，來識別混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力及載荷的靜態(tài)狀況。在同樣的聲源激勵條件下，如果混凝土結(jié)構(gòu)的狀態(tài)發(fā)生變化，接收敏感元的輸出信號將發(fā)生相應(yīng)變化，這個變化主要反應(yīng)了從激勵元到接收元之間結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化。

3　機敏系統(tǒng)設(shè)計和信號采集

根據(jù)監(jiān)測原理，將壓電元件埋入混凝土構(gòu)件。由于土木工程結(jié)構(gòu)的特點，構(gòu)件的尺寸較大，為了得到混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)力場的分布狀況，而不是僅僅得到某點應(yīng)力的大小，在試件中埋置了多個壓電敏感元件，實現(xiàn)空間分布的測量。圖2 為梁式試件，從左到右壓電敏感元件分別編號為1～ 5# 。為了能夠分析應(yīng)力場的分布，在埋置壓電敏感元件時，考慮了壓電敏感元件的放置方向，以對各個不同方向的聲波進行敏感接收。

機敏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖3 所示。其中信號源僅當(dāng)需要檢測結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性時，提供激勵信號，激勵結(jié)構(gòu)中的壓電元產(chǎn)生聲振動用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)的靜態(tài)參數(shù)。如果只需要監(jiān)測結(jié)構(gòu)動態(tài)特性，所有埋入的壓電換能器全部作為接收換能器。

4　原理實驗研究

圖4 (a) 是梁式構(gòu)件中的2# 壓電元對動態(tài)載荷的時域響應(yīng)，圖4 (b) 是對應(yīng)的頻譜。機械沖擊載荷自左而右加載在圖2 中的1～ 5# 壓電元所在的位置，對應(yīng)的機敏輸出信號和頻譜，從上至下，排列在圖4 中。從頻譜可以明顯判斷出沖擊載荷作用的位置。其他位置作用的沖擊，通過沖擊振動波傳遞到2# 換能器，信號的能量明顯減弱，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，有相當(dāng)部分的頻率成分被傳播抑制。

在上述梁式構(gòu)件中，用1# 壓電元作為電－機換能器，在諧波電壓激勵下產(chǎn)生聲振動輸出，其余壓電元作為接收換能器。在梁上不同位置施加10 kg 靜載荷。觀察到，隨著載荷的大小和位置的變化，輸出換能器輸出信號的幅值和相位均有變化。表1 列出了在相同載荷但施于不同位置時各輸出換能器輸出信號的幅值。由于采用的是梁式試件，在不同位置施加載荷時，其內(nèi)部由于載荷造成的應(yīng)力傳遞和分布關(guān)系較為復(fù)雜，從表1 所列的輸出信號的幅值變化，還不能直接反映出變化的規(guī)律。但由前述的機敏原理分析知，結(jié)構(gòu)對波動傳播調(diào)制，包括多個振動參數(shù)，同時反映在輸出信號的幅值、相位和頻率變化上。

為了研究靜態(tài)載荷對輸出信號頻率響應(yīng)的影響，用1# 壓電元作激勵，同時使激勵電壓信號從低頻到高頻變化，頻率范圍為100 Hz～20 kHz，變化步長10 Hz。此時在不同位置的載荷下每個接收敏感元的響應(yīng)曲線有所不同，不僅產(chǎn)生極值的頻率點不同，而且極值本身的量值也不同。觀察記錄2# 壓電元具有響應(yīng)極大值(幅值) 點的頻率見表2。

5　結(jié)束語

本文提出了壓電機敏混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)原理和系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)。實驗結(jié)果表明，混凝土結(jié)構(gòu)中的壓電元可以直接將結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化傳感為電信號輸出。而且由于在混凝土中傳播的聲波的幅值、頻率、相位都將受到混凝土狀態(tài)的調(diào)制，所以利用埋入的壓電元產(chǎn)生聲激勵，其他的壓電元仍然作為傳感器可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性的監(jiān)測。由于整個監(jiān)測的激勵元和傳感元都已經(jīng)和被監(jiān)測的結(jié)構(gòu)形成了一個整體，所以監(jiān)測中的不確定性相對減少，而監(jiān)測輸出信號的變化則應(yīng)是由結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化引起的。

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