壓電阻抗技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究

宋琛琛 謝麗宇，* 薛松濤，2

(1．同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092;2．日本東北工業(yè)大學(xué)工學(xué)部建筑學(xué)科，仙臺)

1 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代，其概念可簡單定義為:應(yīng)用現(xiàn)場無損檢測技術(shù)和分析手段對包括結(jié)構(gòu)各種響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行監(jiān)測和分析，來達(dá)到識別結(jié)構(gòu)中損傷是否發(fā)生、確定損傷的位置、估計損傷的程度和評估結(jié)構(gòu)的使用壽命的目標(biāo)。用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測技術(shù)和分析手段可分為全局損傷識別和局部損傷識別。

全局損傷識別主要是為了解決整體結(jié)構(gòu)特別是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的損傷識別問題。眾所周知，任何結(jié)構(gòu)都可以看作是由剛度、質(zhì)量、阻尼矩陣組成的力學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)損傷，結(jié)構(gòu)參數(shù)也隨之發(fā)生改變，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的頻響函數(shù)和模態(tài)參數(shù)(頻率和振型等)的改變。從理論上來講，其優(yōu)點是可將產(chǎn)生振動的外界因素作為激勵源，損傷檢測的過程不影響結(jié)構(gòu)的正常使用，能方便地完成結(jié)構(gòu)損傷的檢測和識別。但全局損傷識別對局部損傷不敏感，且易受環(huán)境溫度、邊界條件等的影響，在實際的工程應(yīng)用中困難重重。

為彌補(bǔ)全局損傷識別對局部損傷不敏感的這一缺點，各國學(xué)者在局部損傷識別技術(shù)上進(jìn)行了許多研究工作［1］。目前應(yīng)用于實際工程中的方法有染色滲透、x射線、γ射線、光干涉、超聲波、電磁學(xué)監(jiān)測、聲發(fā)射和壓電阻抗技術(shù)等技術(shù)。這些局部損傷檢測方法有各自的適用范圍和優(yōu)缺點，在一些特定的條件下可實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部缺陷、損傷的檢測。

壓電材料及壓電傳感技術(shù)的日趨成熟和多樣，使得壓電阻抗技術(shù)在機(jī)械工程和土木工程無損健康監(jiān)測(Nondestructive Evaluation Technique，NDE)中體現(xiàn)出了巨大的潛力和市場。基于壓電元件的壓電阻抗方法(Electro-Mechanical Impedance，EMI)將壓電材料的特性與波動理論相結(jié)合，應(yīng)用動態(tài)阻抗信息為結(jié)構(gòu)的健康診斷提供依據(jù)。因其工作的頻段較高，對結(jié)構(gòu)諸如裂紋和螺栓松動等微小缺陷較為敏感，同時壓電元件具有成本低廉、尺寸小、激勵電壓低和對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性強(qiáng)等特點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景［2］。

本文將系統(tǒng)闡述壓電阻抗技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的技術(shù)研究與應(yīng)用，首先介紹壓電材料、壓電阻抗原理、壓電材料與被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的相互作用模型，然后歸納壓電阻抗技術(shù)應(yīng)用中遇到的實際問題，最后對基于壓電阻抗技術(shù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展前景和方向進(jìn)行展望。

2 壓電材料的壓電效應(yīng)及常見的壓電材料類型

2．1 壓電效應(yīng)物理模型

壓電材料能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一個重要特性在于其所具有的壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)首先是在水晶晶體上發(fā)現(xiàn)的，這里以水晶晶體為模型，說明產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理機(jī)理。

當(dāng)不施以壓力時，水晶晶體正、負(fù)電荷中心如圖1(a)分布，這種情況下正、負(fù)電荷中心重合，整個晶體的總電矩等于零，晶體表面不顯電性(不呈壓電性)。當(dāng)沿x方向施加機(jī)械力δFx時，晶體發(fā)生形變，正、負(fù)電荷中心分離，即產(chǎn)生極化，從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，如圖1(b)所示。在一定應(yīng)力范圍內(nèi)，機(jī)械力與電荷呈線性可逆關(guān)系，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)或正壓電效應(yīng)。用電場強(qiáng)度E和電應(yīng)變ε表示為ε=dE，d稱為壓電應(yīng)變常數(shù)。

當(dāng)沿x方向施加電場作用時，如圖1(c)所示，電介質(zhì)發(fā)生極化，由于最上側(cè)的正離子和最下側(cè)的負(fù)離子之間沒有離子鍵(及其他的化學(xué)鍵)，所以在極化過程中，它們之間可發(fā)生相對位移，從而導(dǎo)致具有對稱中心的晶體電介質(zhì)發(fā)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。由應(yīng)力σ和電位移矢量D表示為D=dσ，d稱為壓電應(yīng)變常數(shù)。

圖1 壓電材料晶體物理模型Fig．1 The physical model of piezoelectric crystal

如果施加在壓電介質(zhì)上的壓力是一種高頻振動，則產(chǎn)生的就是高頻交變電流信號;反之高頻交變電流激勵施加在壓電材料上時，則產(chǎn)生高頻振動。

2．2 常見的壓電材料類型

壓電材料可以分為三大類:一是壓電晶體，包括壓電石英晶體和其他壓電單晶;二是壓電陶瓷;三是新型壓電材料，包括壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料。

具有壓電性的單晶體統(tǒng)稱為壓電晶體，除天然和人工石英晶體外，還包括鋰鹽類和鐵電單晶。石英晶體是最典型的壓電晶體，它的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能非常好，絕緣阻抗一般大于1012Ω。但石英晶體的壓電系數(shù)比壓電陶瓷小得多，且價格昂貴，因此在實際工程應(yīng)用中有很大的局限性。

除了天然的壓電晶體外，還可以人工合成具有壓電性能的多晶體材料，通過配料混合、高溫?zé)Y(jié)，在粉粒之間發(fā)生固相反應(yīng)后，多晶體無規(guī)則集合而成的具有壓電性的材料，即通常所說的壓電陶瓷(Piezoceramics)。這類材料中，壓電陶瓷鋯鈦酸鉛材料(PZT)是應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中最常見的一種，具有壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高、制造簡單、成本低廉等特點，但也具有材料較脆、不適應(yīng)曲面等的缺點。

新型壓電材料有壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。壓電半導(dǎo)體既具有壓電性，又具有半導(dǎo)體特性。有機(jī)高分子壓電材料的獨特優(yōu)點是質(zhì)輕柔軟、抗拉強(qiáng)度高，可作為傳感器，也可制作成激振器，例如，合成高分子聚合物經(jīng)延展拉伸和電極化處理而成的PVDF材料。美國宇航局Langley中心研發(fā)了一種新型壓電陶瓷纖維復(fù)合材料 MFC(Macro-Fiber Composite)［3］，這種復(fù)合材料造價低廉，不易脆性破壞，且能更好地粘貼于復(fù)雜彎曲表面，或者預(yù)埋在被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。吳斌等［4］將該壓電材料應(yīng)用于監(jiān)測管道法蘭連接的實驗研究中，驗證了MFC材料在基于阻抗技術(shù)的損傷監(jiān)測中具有較好的穩(wěn)定性和應(yīng)用潛力。

3 壓電阻抗原理

在線性定常系統(tǒng)的振動理論中，結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗定義為簡諧激振力與簡諧運(yùn)動響應(yīng)兩者的復(fù)數(shù)式之比。位移機(jī)械阻抗可在頻域內(nèi)表示為

式中，i是虛數(shù)單位;ω是所加激勵的角頻率;M，K，C分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼;F表示結(jié)構(gòu)所受激振力;U表示結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)。

壓電阻抗技術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷診斷和監(jiān)測應(yīng)用中的基本原理是:將壓電元件粘附于結(jié)構(gòu)表面或埋置于結(jié)構(gòu)內(nèi)部后，施加高頻交流電壓激勵壓電元件，采用阻抗分析方法獲取耦合結(jié)構(gòu)的阻抗函數(shù)，根據(jù)耦合結(jié)構(gòu)的阻抗譜變化從而間接地判斷結(jié)構(gòu)的損傷狀況。Liang等［5］最早提出了將壓電阻抗法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的理論依據(jù)，從理論層面上分析了壓電材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成的單自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)(SMD)模型，如圖2所示。在僅考慮軸向伸縮變形的情況下，壓電元件與結(jié)構(gòu)的相互作用模型可簡化為一個質(zhì)量-剛度-阻尼系統(tǒng)，壓電元件可被看作為一根狹長的桿件，一端被固定，另一端與簡化為單自由度系統(tǒng)的基體結(jié)構(gòu)相連，在施加的可變電場作用下做軸向振動。

圖2 壓電材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成的單自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)(SMD)模型Fig．2 One-dimensional model of the spring-mass-damper system between the piezoelectric material and the structure

Liang等［5］得出了壓電元件機(jī)械阻抗與結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的關(guān)系，理論推導(dǎo)出壓電元件驅(qū)動的一維SMD系統(tǒng)的耦合電導(dǎo)納(耦合阻抗的倒數(shù))表達(dá)式:

式中，i是虛數(shù)單位;ω是所加激勵的角頻率;wA，lA，hA分別為壓電元件的寬度、長度和厚度;εT33為壓電元件在零應(yīng)力時的復(fù)介電常數(shù);δ為壓電元件的電磁損失系數(shù);d3x為零應(yīng)力x方向下的壓電耦合系數(shù);YExx為壓電元件在零電場時x方向的復(fù)楊氏模量;ZA為壓電元件的機(jī)械阻抗;ZB為結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗;Zω為壓電元件耦合阻抗(能夠通過儀器在壓電元件上測得)。

從式(2)可以看出，第一項為自由壓電元件的電容導(dǎo)納，是導(dǎo)納隨頻率變化的基線;第二項包含了壓電元件自身的機(jī)械阻抗信息和外部結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗信息。對已經(jīng)確定的壓電系統(tǒng)來說，壓電元件自身的機(jī)械阻抗值為常數(shù)，外部結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗值則是唯一影響第二項的參數(shù)，從而決定壓電系統(tǒng)耦合電導(dǎo)納Y的變化。若結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷破壞，造成外部結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的變化，則可通過壓電系統(tǒng)耦合電導(dǎo)納Y反映出來。

4 壓電阻抗技術(shù)的應(yīng)用問題研究

1995年，Sun等［6］在已有的理論基礎(chǔ)上率先將壓電阻抗技術(shù)應(yīng)用于裝配式桁架的結(jié)構(gòu)損傷識別，開始了壓電阻抗技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康診斷領(lǐng)域的應(yīng)用。如今，經(jīng)過各國相關(guān)學(xué)者十多年的研究，仍然存在諸多未能很好解決的問題，值得不斷深入研究。本文在此歸納了壓電阻抗技術(shù)應(yīng)用相關(guān)問題的研究成果，并對相關(guān)問題進(jìn)行了總結(jié)和分析。

4．1 基于壓電阻抗信息的損傷指標(biāo)

通過阻抗分析設(shè)備，可以同時得到壓電導(dǎo)納值的實部和虛部。導(dǎo)納值實部對結(jié)構(gòu)的完整性更為敏感，所以在結(jié)構(gòu)損傷識別中通常用壓電阻抗的實部信息來判斷結(jié)構(gòu)的健康狀況。而導(dǎo)納值虛部對溫度變化和粘結(jié)層特性比較敏感，實際應(yīng)用中可用于分析壓電傳感元件本身和粘結(jié)層是否破壞［7］。

頻譜分析最直觀簡單的方法即為導(dǎo)納頻率譜諧振頻率偏移、幅值變化、斜率變化等。已有的很多實驗［8，9］研究都首先采用了這種方法，并且證實了諧振頻率、幅值等頻譜特性確實會因被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)生偏移和變化。

僅僅使用諧振頻率偏移、幅值變化等方式，還難以精確的實現(xiàn)對被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的定量分析。由于試件及實驗其他條件也不可能完全一致，諧振頻率受實驗條件干擾也會發(fā)生較大變動。故引入了損傷系數(shù)的概念［7，10-12］。利用損傷系數(shù)可以提高壓電傳感器對損傷進(jìn)行識別定位的靈敏性。而且不需要預(yù)先知道結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的信息。常用的損傷系數(shù)如均方根值RMSD(Root Mean Square Deviation)、平均絕對百分比偏差MAPD(Mean Absolute Percentage Deviation)和協(xié)方差CCD(Correlation Coefficient Deviation)等，其表達(dá)式如下:

式中，Re(Yk)j為螺栓無松動時的導(dǎo)納實部;Re(Yk)i為螺栓出現(xiàn)一定程度松動時的導(dǎo)納實部;k為第 k個掃描頻率點;n為掃描點的個數(shù);分別表示螺栓無松動和松動后的導(dǎo)納實部平均值。

Tawie等［7］在應(yīng)用壓電阻抗原理監(jiān)測混凝土養(yǎng)護(hù)期強(qiáng)度增長的實驗中，使用了直觀的諧振頻率偏移法和三種(式(3)－式(5))損傷系數(shù)法判別實驗數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，通過諧振頻率偏移可以定性反映強(qiáng)度變化，但難以精確定量，且穩(wěn)定性差。RMAD、MAPD、CCD損傷系數(shù)則均表現(xiàn)出與混凝土強(qiáng)度變化明顯的相關(guān)性，其中MAPD效果最好。

Zagrai等［11］在應(yīng)用壓電阻抗方法識別薄鋁板裂縫的實驗中，設(shè)計了距離PZT不同距離不同裂縫長度的多種損傷情況，實驗結(jié)果表明在300～450 kHz范圍內(nèi)CCD三次方作為損傷系數(shù)能夠隨損傷位置與PZT片距離增大而呈線性減小。但是這樣的線性減小的趨勢在其他頻率范圍內(nèi)并不明顯。

2011年，Lim等［13］研究認(rèn)為壓電阻抗原理損傷識別技術(shù)對溫度環(huán)境和操作條件的敏感性高，導(dǎo)致其很容易對結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行誤判。為了有效避免這樣的錯誤，Lim提出了一種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法KPCA(Kernel Principal Component Analysis)，引入了溫度和靜/動力荷載參數(shù)，并用此方法在不同溫度和不同荷載情況下對飛機(jī)機(jī)翼與機(jī)身的螺栓進(jìn)行了松動識別，這種方法一定程度上減少了溫度和荷載對結(jié)構(gòu)性質(zhì)判斷的干擾。

對于問題的機(jī)理不了解或不能用數(shù)學(xué)模型表示的系統(tǒng)，如故障檢測和診斷、數(shù)據(jù)的特征提取和信息的預(yù)測等問題，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Networks，ANNs)是十分適合的工具，可解決隱含著規(guī)律卻無法用明確的數(shù)學(xué)模型表示的壓電阻抗數(shù)據(jù)分析問題。

2000年，Lopes等［14］使用壓電阻抗技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法對一個1/4鋼橋模型和一個空間桁架模型的健康狀況進(jìn)行了實驗分析。在實驗中成功地定位并識別了結(jié)構(gòu)的損傷情況，被認(rèn)為能有效地對沒有模態(tài)、諧振頻率等信息的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測。

沈星等［15］將多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(Back Propagation，BP)引入到壓電阻抗技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中。其設(shè)計實驗在鋁梁上開8個孔安裝螺栓，并依次在8個孔心線的中點位置分別粘貼PZT共9片。用阻抗分析儀采集PZT的阻抗值作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入量，通過Matlab、C語言等工具構(gòu)建了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。取各個螺栓分別松動及全部緊固、任意兩個螺栓松動等為模式樣本，樣本向量取自所有PZT的對結(jié)構(gòu)變化靈敏的激勵頻率點的阻抗值，將模式樣本輸入到BP網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練。若網(wǎng)絡(luò)收斂，則對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果判定哪顆螺栓松動。

如何選取合適的損傷指標(biāo)和損傷識別算法仍然是壓電阻抗原理在實際應(yīng)用中亟待研究解決的問題。常用的損傷系數(shù)如RMSD、MAPD、CCD，雖然簡單，且被廣泛使用，但有一個固有的問題:與損傷無關(guān)的影響因素(例如溫度變化)會導(dǎo)致導(dǎo)納頻率譜偏移，并間接影響到損傷指標(biāo)。根據(jù)不同的統(tǒng)計公式(絕對百分比偏差、方差、相關(guān)系數(shù)等)對這種效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償也并不能完全解決這個問題。

4．2 感應(yīng)范圍的確定

在高頻范圍內(nèi)，壓電元件對較遠(yuǎn)位置發(fā)生的損傷不敏感，這使壓電元件具有能夠隔離遠(yuǎn)場干擾的優(yōu)點，從而能夠有效識別局部范圍的損傷。由已有的各項研究可知，最常使用的壓電元件的感應(yīng)范圍在復(fù)合結(jié)構(gòu)中約為0．4 m，在金屬中約為2 m［16］。具體的感應(yīng)范圍會隨主結(jié)構(gòu)的材料特性、幾何尺寸、激勵電壓的頻率范圍和壓電元件本身性質(zhì)的變化而有所不同。

馮偉［8］在螺栓松動實驗中，設(shè)置了距被監(jiān)測螺栓不同距離的多個PZT片。由實驗數(shù)據(jù)初步得出在同等厚度鋁梁上PZT片能較為準(zhǔn)確測量出250 mm范圍內(nèi)螺栓的松動，而對該范圍之外的損傷判斷不精確。根據(jù)這個結(jié)果，在實際的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中如果應(yīng)用多個PZT進(jìn)行監(jiān)測，則可對結(jié)構(gòu)損傷位置進(jìn)行初步定位。由于阻抗法只能監(jiān)測到一定范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)微小損傷，因此需要對結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行相關(guān)的分析，初步判斷出結(jié)構(gòu)的易損部位，并在其附近進(jìn)行壓電元件的優(yōu)化布置，從而能及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的微小損傷，并針對損傷情況做出相應(yīng)的處理。壓電元件的感應(yīng)范圍大小直接決定了在被監(jiān)測構(gòu)件上布置壓電元件的數(shù)量和位置，因而如何能夠找到一種快速確定壓電元件感應(yīng)有效范圍的方法是非常有意義的。

4．3 掃描頻率選取原則

為了能感應(yīng)結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼的微小變化，要求壓電元件激勵的波長較短，所以選擇的激勵頻率較高，通常在30～500 kHz。頻率過低對結(jié)構(gòu)的微小損傷將不敏感，而頻率過高則會導(dǎo)致PZT對溫度和粘結(jié)層等邊界條件過于敏感，從而影響對損傷信息的判斷［2］。

Tawie等［7］提出了一種掃描頻率的選取原則。先獲得壓電元件本身的導(dǎo)納頻率譜，然后確定發(fā)生諧振的頻率值，在導(dǎo)納-頻率圖中這一項顯示為基線導(dǎo)納上的尖峰，這些峰值對應(yīng)的頻率為被測壓電元件本身的自振頻率。選取的掃描頻率盡可能包括發(fā)生諧振的所有頻率值。同時保證掃描頻率不能高于500 kHz。

Sun等［6］也在一項研究中發(fā)現(xiàn)包含本體結(jié)構(gòu)振動模態(tài)頻率越多的頻率范圍會包含更多的結(jié)構(gòu)損傷信息。在實際操作中，高于200 kHz的掃描頻率區(qū)段更適合于定位監(jiān)測，低于70 kHz的頻率區(qū)段的感應(yīng)范圍更大。

4．4 壓電元件的尺寸選擇

如何選擇壓電元件的尺寸大小，與被監(jiān)測構(gòu)件的尺寸大小、結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，也直接影響到其有效監(jiān)測范圍、所需的驅(qū)動激勵電壓。

馮偉［8］在實驗中使用了厚度為 0．2 mm、0．5 mm、1 mm，長寬為 20 mm ×20 mm、10 mm ×10 mm、8 mm×8 mm的不同PZT片作為傳感元件，對比發(fā)現(xiàn)為了盡可能的減小PZT本身對結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)盡量采用尺寸厚度較小的PZT片。

郭諄欽［9］在進(jìn)行一項實驗中使用了厚度為5 mm、2 mm、1 mm，長寬為15 mm ×15 mm 的不同PZT片作為傳感元件。反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)厚度為1 mm的PZT效果較好，容易激振。

4．5 粘結(jié)劑的選擇

一般而言，要求粘結(jié)劑的楊氏模量盡量與壓電傳感材料本身相近，這樣能夠起到最好的激振和振動信號收集的效果。

Ong等［17］在對PZT的粘結(jié)材料的研究中發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)材料存在的剪力滯后效應(yīng)是影響阻抗識別的一個重要因素。故應(yīng)采用模量較高的粘結(jié)劑，以減小其剪力滯后效應(yīng)。

Dugnani［18］通過實驗驗證粘結(jié)劑的材質(zhì)不同會導(dǎo)致PZT激振器所產(chǎn)生的激勵信號的特性發(fā)生變化，同時也會對所收集到的壓電阻抗信號產(chǎn)生影響。Dugnani提出了一種可以分析粘結(jié)層材料厚度、機(jī)械性能(楊氏模量)與阻抗信號相互影響關(guān)系的模型。粘結(jié)層會在厚度和機(jī)械性能上產(chǎn)生不可避免的微小差異，或在粘貼時夾雜氣泡，或機(jī)械性能隨粘結(jié)層老化而改變，這對壓電信號采集和分析都會帶來影響。在未來的研究中仍需進(jìn)一步探討如何控制粘結(jié)層對監(jiān)測的影響。

已有研究［7］表明，導(dǎo)納值虛部對粘結(jié)層的完整性等性質(zhì)較為敏感，故在實際應(yīng)用中，可以利用虛部阻抗的數(shù)據(jù)首先確認(rèn)粘結(jié)層的完損性，若為完好，再進(jìn)一步使用實部數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別。

4．6 壓電阻抗技術(shù)的數(shù)值模擬研究

隨著有限元軟件的發(fā)展與應(yīng)用，有限元分析也被用于壓電元件的設(shè)計與研究中。2013年，Dugnani［18］在研究壓電元件的粘結(jié)層完整性的實驗中，使用了COMSOL軟件對實驗中鋁板、粘結(jié)層和壓電元件進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比分析，驗證了數(shù)值軟件模擬方法在研究導(dǎo)納相位角與粘結(jié)層剪切阻抗相關(guān)性問題中的有效性。

2013 年，Esmaeel等［19］在基于壓電阻抗原理監(jiān)測搭接螺栓松動的實驗研究中，使用了ABAQUS有限元分析軟件對貼有PZT片的螺栓連接構(gòu)件進(jìn)行耦合模擬。有限元模型如圖3所示。

圖3 Esmaeel等［19］建立的ABAQUS有限元模型Fig．3 The ABAQUS finite element model established by Esmaeel et al

這項研究中，發(fā)現(xiàn)由有限元軟件模擬得到的健康因子值要略小于由實驗得到的。造成的原因可能包括有限元模型的固有剛度特性和PZT材料性質(zhì)的不確定性、用于模擬接觸面的摩擦系數(shù)的不確定性以及對有限元模型振動阻尼的忽略。

孫艾薇［20］通過ANSYS分析軟件，對表面粘貼PZT的鋼材料基體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元軟件模擬。通過ANSYS模態(tài)分析，比較了結(jié)構(gòu)在無損和各種不同損傷狀態(tài)下的模態(tài)頻率的變化，驗證了基于阻抗理論的損傷識別方法。繼而通過電壓激勵下的響應(yīng)分析，對結(jié)構(gòu)在無損和有損狀態(tài)下的壓電阻抗進(jìn)行了對比，得出可以通過PZT導(dǎo)納頻譜圖識別損傷的出現(xiàn)，從而判斷基體結(jié)構(gòu)的健康狀況。

4．7 數(shù)據(jù)采集方法的發(fā)展

阻抗測量一般采用美國安捷倫(Agilent)公司生產(chǎn)的精密阻抗分析儀，該儀器通過輸入電壓與通過電阻器的電流之比得到被測試器件的阻抗值。壓電阻抗分析儀是目前實驗中常用的測量阻抗的方法，但其價格昂貴、體積龐大，不適用于現(xiàn)場長期監(jiān)測使用。

Peairs等［21］設(shè)計了一種可以使用 FFT分析儀測量阻抗值的簡化電路，通過對螺栓連接、管道法蘭連接和復(fù)合梁的實地測試，并與阻抗分析儀得到的結(jié)果進(jìn)行對比，證明了該方法的可行性，使得測量阻抗的儀器成本得到很大程度的降低。

國內(nèi)郭諄欽［9］設(shè)計了一種不使用阻抗分析儀的測量方法，采用正弦波發(fā)生器、專業(yè)壓電陶瓷驅(qū)動電源、PCL-818HG通用數(shù)據(jù)采集卡和Labview數(shù)據(jù)處理軟件，在線測量PZT兩端的復(fù)數(shù)電壓和流經(jīng)的復(fù)數(shù)電流，采用復(fù)數(shù)伏安比法計算PZT的阻抗。并且通過對螺栓松動的監(jiān)測實驗，驗證了該方法的可行性。

但是以上方法仍存在局限性，仍需要額外的FFT分析儀、正弦發(fā)生器等。對于大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，需要布置數(shù)量較多的PZT傳感元件，以及復(fù)雜的布線供能及有線數(shù)據(jù)傳輸，在實際長期監(jiān)測應(yīng)用中不便于安裝管理，且耗能巨大。

4．8 壓電傳感器通信及供能的無線化

隨著數(shù)據(jù)采集器和處理器的微型化、模塊化，及無源無線技術(shù)的發(fā)展，使得壓電阻抗健康監(jiān)測技術(shù)有了新的發(fā)展思路。

1998 年，Straser［22］最早在其博士論文中對無線通信和傳感器的一體化進(jìn)行了研究，以減小結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的成本。2003年，Lynch等［23］通過在傳感器上嵌入復(fù)雜的微控制器，擴(kuò)大了其功能，使傳感器能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和損傷敏感特征值提取的計算。同年，Tanner等［24］采用微機(jī)電系統(tǒng)將傳感器、無線傳輸系統(tǒng)和嵌入式計算分析模塊集合在了一起。因為傳輸1 bit的數(shù)據(jù)所消耗的能量能夠供計算分析模塊完成大約1 100個循環(huán)的計算，故采用這樣的集成方式能夠延長電池的使用時間，繼而減少更換電池所消耗的成本。2006年，F(xiàn)arrar等［25］選用單片機(jī)集合無線網(wǎng)絡(luò)通信功能，同樣實現(xiàn)了傳感器自身數(shù)據(jù)處理能力。

壓電阻抗方法為主動式傳感技術(shù)，相對于被動式傳感技術(shù)，其需要更多的電能來支持其工作。因為其對能量要求高，故還很少有研究來解決主動式傳感技術(shù)的無線供能和無線通信硬件系統(tǒng)。2005年，Lynch等［26］通過在主動傳感單元中集成激振驅(qū)動功能，最先嘗試了在主動式傳感單元中實現(xiàn)無線通信的研究。同年，Grisso等［27］研發(fā)了一種獨立的主動式傳感器，集合了阻抗數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)計算處理模塊、無線傳輸模塊，以及基于壓電材料的能量收集電池。相對于其他的主動式傳感技術(shù)，基于阻抗原理的壓電傳感器有一個重要的優(yōu)勢在于其只需要很低的驅(qū)動電壓，這使得壓電傳感器成為主動式無線傳感器的理想選擇。

2006年，Mascarenas等［28］提出了將 PZT 片貼在一種特制的墊圈上的方式來測量螺栓機(jī)械阻抗的方法，實驗中同時提出了采用被動式RFID電子標(biāo)簽來傳遞檢測信號的方法，利用電磁波的方式代替了原有的有線通信，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸。2007年，Mascarenas等［29］采用 PZT片作為傳感元件，AD5934作為阻抗分析模塊，單片機(jī)AT-mega 128L作為微控制模塊，2．4 GHz的Xbee作為無線通信模塊，使用10 GHz的X-波段無線射頻(RF)技術(shù)向其無線提供能量。該方案解決了主動式傳感器的供能問題，不再需要將電池內(nèi)置于傳感器中。

2008年，Loh等［30］研制出了一種基于壓電多聚物的碳納米管組合材料，該材料可以作為傳感器來感知被測結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，同時也可以從結(jié)構(gòu)微振動中收集能量來滿足其工作所需的能量。

2011 年，Occhiuzzi等［31］采用了曲折線天線，用RFID后向散射信號的方式設(shè)計了一種無源的超高頻RFID應(yīng)力傳感器，實現(xiàn)了低成本亞毫米級分辨率的損傷識別方法。

2012年，Kim等［32］設(shè)計了一種低能耗無線壓電阻抗傳感器，由三部分組成，傳感元件、阻抗分析控制模塊和無線通信模塊，其中傳感元件使用PZT片，分析控制模塊使用可以進(jìn)行阻抗識別分析的AD5933芯片，無線通信模塊采用了XBee技術(shù)。此設(shè)備僅需要4節(jié)AAA電池(6 V)即可進(jìn)行驅(qū)動工作，并通過對鋼筋預(yù)應(yīng)力測量和螺栓松動的監(jiān)測驗證了該設(shè)備的實用性。

現(xiàn)有的研究已很好的引入并結(jié)合了無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，但在能源供給方式上多數(shù)研究只是采用電池代替有線能量供應(yīng)，部分實現(xiàn)能量無線供應(yīng)的方案可靠性仍需研究，未來的研究應(yīng)該在如何實現(xiàn)傳感器無線能量供應(yīng)或者自收集能量功能的問題上展開。

5 壓電阻抗技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用

隨著壓電阻抗技術(shù)的發(fā)展，如今它在很多土木工程領(lǐng)域均開展了應(yīng)用研究。例如，鋼橋結(jié)構(gòu)的監(jiān)測［33］、混凝土養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度發(fā)展監(jiān)測［7，34，35］、焊接節(jié)點損傷［36］、地下管線結(jié)構(gòu)［37］、鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)［38］、螺栓連接［19，39，40］、裂縫損傷識別［11］等。

5．1 焊接節(jié)點損傷監(jiān)測

1999年，Giurgiutiu等［36］使用壓電阻抗原理對搭接剪切型焊接連接的疲勞試驗進(jìn)行健康監(jiān)測。焊接連接在往復(fù)循環(huán)荷載下出現(xiàn)疲勞裂縫，并隨時間擴(kuò)展。通過對導(dǎo)納信號的數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)納值變化的均方值RMSD隨損傷發(fā)展而增大，呈一定的相關(guān)性。實驗驗證了壓電阻抗技術(shù)在焊接結(jié)構(gòu)的損傷定位和損傷程度識別中的有效性和可行性。

5．2 螺栓連接松動監(jiān)測

2001年，Park等［37］用壓電阻抗原理對管線結(jié)構(gòu)的螺栓連接進(jìn)行了監(jiān)測實驗。實驗通過對粘貼于管道表面的壓電傳感元件進(jìn)行實時高頻激勵，獲取相應(yīng)導(dǎo)納值進(jìn)行損傷識別。此技術(shù)能應(yīng)用于管線系統(tǒng)在震后等情況下的快速檢測和管線工程結(jié)構(gòu)的早期損傷識別。

5．3 混凝土裂縫損傷監(jiān)測

2004年，Bhalla等［38］設(shè)計了一個兩層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，通過振動實驗臺施加不同的地震波，模擬其受到地震損壞。采用壓電阻抗技術(shù)對框架結(jié)構(gòu)的梁柱等構(gòu)件的彎曲、剪切裂縫情況進(jìn)行監(jiān)測識別，發(fā)現(xiàn)壓電阻抗原理比肉眼觀察和傳統(tǒng)的低頻振動方法對結(jié)構(gòu)早期裂縫的敏感性更強(qiáng)，并且發(fā)現(xiàn)PZT導(dǎo)納信號的RMSD值與結(jié)構(gòu)諧振頻率變化呈一定的相關(guān)性。

5．4 橋梁結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測

2006年，Park等［33］進(jìn)行了某鋼桁架構(gòu)件損傷識別和螺栓松動識別的實驗，對比研究了壓電阻抗法和Lamb波法。實驗證明壓電阻抗法和Lamb法均能識別連接構(gòu)件早期損傷，但是由于Lamb波具有的散射特性，故Lamb分析法會難以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，且Lamb波法只適用于二維平面的損傷識別，對于三維構(gòu)件的損傷識別則不適用。而壓電阻抗法比Lamb法的適用性更強(qiáng)。在對鋼橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測中，PZT片在高頻激勵下對邊界條件、橋梁交通荷載等影響因素不敏感，故能更好地應(yīng)用于實際工程中。

5．5 混凝土養(yǎng)護(hù)期強(qiáng)度發(fā)展監(jiān)測

2010年，Tawie等［7］將壓電阻抗原理應(yīng)用于混凝土養(yǎng)護(hù)期強(qiáng)度發(fā)展的監(jiān)測，實驗結(jié)果證明PZT片導(dǎo)納隨時間的頻譜變化能有效監(jiān)測混凝土在養(yǎng)護(hù)期的強(qiáng)度變化，并提出了應(yīng)用了RMSD、MAPD和CCD等定量數(shù)據(jù)處理方法。2011年，Wang等［35］將預(yù)先用瀝青表面處理的PZT片澆筑在混凝土內(nèi)部，來監(jiān)測混凝土在養(yǎng)護(hù)期的強(qiáng)度發(fā)展，也證實了壓電阻抗原理可以定量標(biāo)識混凝土的強(qiáng)度。

6 結(jié)論與展望

本文闡述了基于壓電阻抗原理結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研究現(xiàn)狀，相對于傳統(tǒng)的無損檢測方法，壓電阻抗法具有很多技術(shù)優(yōu)點［10］:

(1)采用的工作頻率高(30～500 kHz，即為壓電傳感元件的驅(qū)動電場頻率)，表現(xiàn)在對初始階段的損傷及結(jié)構(gòu)整體的微小變化非常敏感，便于及時采取有效措施。

(2)敏感范圍限于壓電傳感元件附近的一定區(qū)域，這樣遠(yuǎn)場作用(如載荷、剛度和邊界條件的改變)將被隔離，使之可較準(zhǔn)確地確定損傷區(qū)域。

(3)不依賴于模型分析，可以應(yīng)用于復(fù)雜的土木結(jié)構(gòu)中。

(4)壓電傳感元件在正常工作條件下呈現(xiàn)出良好的工作性能，線性范圍大、反應(yīng)快、重量輕、長期穩(wěn)定性好。

然而，目前對于壓電阻抗法在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究多數(shù)還停留在實驗室階段。由于土木工程結(jié)構(gòu)極其龐大復(fù)雜，實際應(yīng)用時操作及環(huán)境條件的不確定性較大，這些因素均會在一定程度上對監(jiān)測結(jié)果造成影響，從而限制了這項技術(shù)的實際應(yīng)用。綜合本文的論述，將存在的問題總結(jié)如下:

(1)壓電材料與被監(jiān)測結(jié)構(gòu)粘結(jié)時，采用何種粘貼材料與工藝，能夠最大限度地避免粘結(jié)層性質(zhì)的不確定性和離散性，控制、隔離因粘結(jié)劑粘貼厚度不同、老化等因素而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)干擾。

(2)由于土木工程結(jié)構(gòu)暴露在外界環(huán)境中，使用環(huán)境復(fù)雜多變，是否能研制一種具有較強(qiáng)溫度穩(wěn)定性的壓電材料，降低壓電阻抗對溫度的敏感性。

(3)對于大型結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的健康監(jiān)測問題，往往需要設(shè)置不止一個壓電傳感元件。壓電傳感元件的有效感應(yīng)范圍直接決定了如何合理地設(shè)置傳感元件的數(shù)量和粘貼位置。目前的研究仍無法提出合理的計算模型確定壓電傳感元件與結(jié)構(gòu)耦合后的有效感應(yīng)范圍，為壓電傳感元件的合理布置提供依據(jù)。

(4)土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測往往需要很多壓電傳感元件粘貼或埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，而目前理論與試驗研究僅僅針對一個或者少量的幾個壓電傳感元件進(jìn)行研究分析。在采用多組數(shù)量眾多的壓電傳感元件的情況下，如何選取合適的損傷指標(biāo)和損傷識別算法，如何通過多組監(jiān)測信號的數(shù)據(jù)融合更好地識別結(jié)構(gòu)損傷，仍然值得深入細(xì)致的研究探討。

(5)在諸如鐵路、幕墻等分布范圍較大的工程領(lǐng)域的健康監(jiān)測應(yīng)用中，監(jiān)測及數(shù)據(jù)收集設(shè)備的安裝、數(shù)據(jù)線路的鋪設(shè)、能量的消耗成為了制約這項監(jiān)測技術(shù)實際應(yīng)用的主要因素，故亟待能夠?qū)崿F(xiàn)傳感元件、數(shù)據(jù)采集設(shè)備的無源無線化。

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