壓電機(jī)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(dòng)、不間斷在線監(jiān)測混凝土工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)靜特性的監(jiān)測，用相同的壓電元在電激勵(lì)下產(chǎn)生聲振動(dòng)，聲波在結(jié)構(gòu)中傳播，結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性都將調(diào)制聲傳播，其他的壓電元將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。壓電機(jī)敏混凝土技術(shù)，充分利用了壓電特性，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的在線、不間斷、主動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)長期不間斷的在線和主動(dòng)監(jiān)測。文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(hào)輸出。這種無源敏感網(wǎng)絡(luò)為大型工程結(jié)構(gòu)的主動(dòng)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(dòng)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(duì)土木結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，更主要的是對(duì)其靜態(tài)(或準(zhǔn)靜態(tài)) 情況的評(píng)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(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)監(jiān)測，在文獻(xiàn)[1，2 ]還提出，在結(jié)構(gòu)中用一個(gè)或多個(gè)和用作敏感元件的相同壓電元作為聲源，在交變電壓激勵(lì)下，由于逆壓電效應(yīng)，壓電元產(chǎn)生聲振動(dòng)，聲波在結(jié)構(gòu)中傳播，結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性將對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。最終實(shí)現(xiàn)靜、動(dòng)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(dòng)態(tài)變化，而結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性決定聲傳播特性，這樣，壓電機(jī)敏土木結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)都有敏感輸出。

2　機(jī)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(gè)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(jī)－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(hào)輸出； 也可以作為電－機(jī)轉(zhuǎn)換換能器在交變電場的激勵(lì)下，產(chǎn)生聲振動(dòng)輸出。埋入混凝土中的壓電換能器的機(jī)電換能特性可表示為圖1 的機(jī)電等效電路[ 4，5 ]。圖中F1 和F2 分別是壓電元件兩個(gè)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(jī)電參數(shù)根據(jù)壓電方程和波動(dòng)方程決定。變壓比A表征了元件的機(jī)電耦合性能。而阻抗Z 1 和Z 2 實(shí)際上等效的是壓電元件的機(jī)械載荷條件：在兩個(gè)作用端面上的力阻抗。這個(gè)三端口網(wǎng)絡(luò)描述了壓電元件的機(jī)電雙向換能特性。當(dāng)電－機(jī)換能時(shí),U 是輸入，F(xiàn)1 和F2 是輸出。當(dāng)機(jī)－電換能時(shí)，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(shí)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(shí)，Z 1= Z 2= 0。

      對(duì)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(shí)際結(jié)合狀態(tài)決定。所以無論是壓電換能器的機(jī)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(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的工程尺寸是相當(dāng)有限的。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測，對(duì)在混凝土結(jié)構(gòu)中的聲振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行探測。聲振動(dòng)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?，由于壓電效?yīng)，產(chǎn)生電荷，得到電壓信號(hào)。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(shí)，能量被介質(zhì)不斷耗散或吸收，其振幅不斷衰減，則其波動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)的空間坐標(biāo)； X 為波動(dòng)頻率；t 為時(shí)間。衰減因子依賴于固體材料性質(zhì)。同時(shí)，固體材料對(duì)波的傳播還有頻散效應(yīng)，即不同材料特性的固體對(duì)傳播的波動(dòng)信號(hào)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(shí)，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(gè)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(dòng)信號(hào)的時(shí)間－頻率結(jié)構(gòu)，是波動(dòng)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(duì)于激勵(lì)波形的頻率、相位以及能量變化，來識(shí)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(lì)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(hào)將發(fā)生相應(yīng)變化，這個(gè)變化主要反應(yīng)了從激勵(lì)元到接收元之間結(jié)構(gòu)的狀態(tài)變化。

3　機(jī)敏系統(tǒng)設(shè)計(jì)和信號(hào)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(diǎn)，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(diǎn)應(yīng)力的大小，在試件中埋置了多個(gè)壓電敏感元件，實(shí)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(hào)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(shí)，考慮了壓電敏感元件的放置方向，以對(duì)各個(gè)不同方向的聲波進(jìn)行敏感接收。

      機(jī)敏結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖3 所示。其中信號(hào)源僅當(dāng)需要檢測結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性時(shí)，提供激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)結(jié)構(gòu)中的壓電元產(chǎn)生聲振動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)研究

       圖4 (a) 是梁式構(gòu)件中的2# 壓電元對(duì)動(dòng)態(tài)載荷的時(shí)域響應(yīng)，圖4 (b) 是對(duì)應(yīng)的頻譜。機(jī)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(duì)應(yīng)的機(jī)敏輸出信號(hào)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(dòng)波傳遞到2# 換能器，信號(hào)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(jī)換能器，在諧波電壓激勵(lì)下產(chǎn)生聲振動(dòng)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(hào)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(shí)各輸出換能器輸出信號(hào)的幅值。由于采用的是梁式試件，在不同位置施加載荷時(shí)，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(hào)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(jī)敏原理分析知，結(jié)構(gòu)對(duì)波動(dòng)傳播調(diào)制，包括多個(gè)振動(dòng)參數(shù)，同時(shí)反映在輸出信號(hào)的幅值、相位和頻率變化上。

　　為了研究靜態(tài)載荷對(duì)輸出信號(hào)頻率響應(yīng)的影響，用1# 壓電元作激勵(lì)，同時(shí)使激勵(lì)電壓信號(hào)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(shí)在不同位置的載荷下每個(gè)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(diǎn)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(diǎn)的頻率見表2。

5　結(jié)束語

     本文提出了壓電機(jī)敏混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)原理和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)變化傳感為電信號(hào)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(lì)，其他的壓電元仍然作為傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性的監(jiān)測。由于整個(gè)監(jiān)測的激勵(lì)元和傳感元都已經(jīng)和被監(jiān)測的結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)整體，所以監(jiān)測中的不確定性相對(duì)減少，而監(jiān)測輸出信號(hào)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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