淺析壓電陶瓷技術(shù)在房建結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用

周全+宋壁丞

摘要：為了解建筑結(jié)構(gòu)在正常使用過程中的實際運行狀態(tài)，可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時的健康監(jiān)測。國內(nèi)外有關(guān)的健康監(jiān)測方法有很多，其中，基于壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)以其靈敏度高、響應(yīng)快、對裂縫損傷敏感等優(yōu)點，被大量采用。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)，健康監(jiān)測，壓電陶瓷

1.前言

在中國房地產(chǎn)蓬勃發(fā)展的今天，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為應(yīng)用最普遍的一種結(jié)構(gòu)形式，幾乎被所有住宅類房企應(yīng)用。而住宅類房屋建筑設(shè)計使用年限一般為50年，在其漫長的服役過程中，由于受環(huán)境因素（載荷作用、疲勞、腐蝕和材料老化等）、自然因素（地震、洪水、颶風(fēng)等）以及人為因素（恐怖襲擊）的影響，不可避免的發(fā)生材料老化及損傷，從而降低結(jié)構(gòu)的可靠性，因此其安全問題一直受到廣泛的關(guān)注。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)通過獲取結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，結(jié)合一定的損傷識別方法可以對結(jié)構(gòu)的狀態(tài)做出評估與安全預(yù)警，成為保障結(jié)構(gòu)安全性能的有效手段之一。其中，基于壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)以其靈敏度高、響應(yīng)快、對損傷敏感等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測的研究中。

2、結(jié)構(gòu)健康檢測技術(shù)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測簡稱SHM（Structural Health Monitoring），是指通過對包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的、利用現(xiàn)場的無損傳感技術(shù)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性的分析，達(dá)到檢測結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的。

與傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)相比較，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)最主要的特點為自動、實時、在線監(jiān)測。須具有監(jiān)測、診斷、評估三部分功能才可一個構(gòu)成完整的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，具體細(xì)化可以分為以下幾部分：（1）通訊系統(tǒng)。將采集并處理后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)流或打包等形式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。一般分為有線和無線兩種通信方式。（2）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。通常布置于待測結(jié)構(gòu)附近，控制和采集傳感系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)并對信號初步的處理（如信號調(diào)理、數(shù)模轉(zhuǎn)換（A/D）等）。（3）傳感器子系統(tǒng)。該部分是健康監(jiān)測系統(tǒng)的最基本的組成部分。通過各種類型的傳感器對結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、位移等多物理量進(jìn)行感知，并以光、電、聲等物理形式輸出，傳遞給數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。（4）監(jiān)控中心和報警設(shè)備。健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心是監(jiān)控中心，所以布置位置經(jīng)常選擇為比較安全的室內(nèi)。它通常包含著安全預(yù)警子系統(tǒng)、損傷識別子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)等。其主要功能是將獲取的所有結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行全面分析，利用損傷識別系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行識別、定位和程度判定之后最終對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)做出安全評估，當(dāng)結(jié)構(gòu)處于異常狀態(tài)時，及時發(fā)出聲光電等報警信息。同時也擔(dān)任著大量監(jiān)測信息和分析結(jié)果等所有數(shù)據(jù)的存儲與查詢等管理任務(wù)。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成圖如1所示。

總的來說，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一種以最小人工干預(yù)、自動實時、在線的完成數(shù)據(jù)的采集、處理與分析并最終對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)做出評估以及安全預(yù)警的技術(shù)。

其工作流程一般為：（1）器采用最優(yōu)化布置方案將傳感布置于被測結(jié)構(gòu)相對應(yīng)位置上；（2）通過各類型的傳感器來獲取結(jié)構(gòu)的各種物理量（如應(yīng)力、應(yīng)變、位移、溫度、幾何特征等）；（3）通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心；（4）利用上位機軟件對數(shù)據(jù)的處理與分析，提取損傷因子，按相應(yīng)的損傷識別方法評估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)；（5）最后將結(jié)果及時地向管理者或決策者進(jìn)行匯報，同時能夠?qū)Τ霈F(xiàn)的危險情況做出預(yù)警。

圖1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成圖

其工作流程圖如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖

結(jié)果健康監(jiān)測技術(shù)是一個綜合性技術(shù)，它融合了土木建筑結(jié)構(gòu)、計算機技術(shù)、材料科學(xué)、信號處理等多個學(xué)科的知識。

3、壓電陶瓷技術(shù)的原理及在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1、壓電基本原理

在目前科研等相關(guān)方面，基于壓電材料的技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，遍布于生活的各個角落，自壓電材料于1880年在國外問世以來，經(jīng)過了世界各國的學(xué)者的大量研究，其技術(shù)已相當(dāng)成熟。

利用壓電陶瓷的基本屬性-正、逆壓電效應(yīng)，使其大量的應(yīng)用在土木工程領(lǐng)域的健康監(jiān)測中，（如圖3所示），關(guān)于壓電陶瓷的信號處理技術(shù)、損傷診斷技術(shù)在國內(nèi)外學(xué)者的研究下也取得了豐碩的成果。

（a）正壓電效應(yīng) （b）逆壓電效應(yīng)

圖3正逆壓電效應(yīng)原理示意圖

3.2、壓電陶瓷技術(shù)在健康監(jiān)測中的應(yīng)用

在混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測領(lǐng)域中，將壓電陶瓷以不同形式布置于混凝土結(jié)構(gòu)中，將會使傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)具有自感知、自驅(qū)動的能力從而構(gòu)成以壓電材料為組成部分的壓電-混凝土結(jié)構(gòu)。

壓電陶瓷（簡稱PZT）與混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合的方式一般可概括為以下兩種：

（1）粘貼式

將壓電陶瓷片使用膠結(jié)材料而粘貼于結(jié)構(gòu)的表面，這種方式稱為粘貼式。其特點是操作簡單、不破壞結(jié)構(gòu)，該方法適合對已有建筑的監(jiān)測，目前在實驗室已經(jīng)被大量的使用；但是由于在實際工程中將其暴露于結(jié)構(gòu)外部的原因?qū)е缕錁O易受到外界因素的影響而破損。

當(dāng)前，金屬結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和基于Lamb波或聲發(fā)射技術(shù)的混凝土復(fù)合材料板當(dāng)中多應(yīng)用此種方式。如seth等將壓電陶瓷片貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面，通過壓電陶瓷激發(fā)Lamb波對復(fù)合材料的脫層、貫穿孔洞以及橫向?qū)恿芽p進(jìn)行了監(jiān)測。閻石等將PZT片粘貼于經(jīng)CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)表面，通過發(fā)射掃頻波對CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的剝離損傷進(jìn)行識別。

（2）嵌入式

這種方式是通過一定的形式將壓電傳感器埋入到待測結(jié)構(gòu)中，目前在混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的比較多。

其優(yōu)點是由于將壓電陶瓷片埋入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在混凝土的保護(hù)下減少了外界環(huán)境對壓電陶瓷的影響，增加了傳感器的服役時間和可靠性。其缺點是不如粘貼式操作方便，需在結(jié)構(gòu)建設(shè)前進(jìn)行布置，而且由于傳感器不能回收，適合于長期的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

目前，作為主要形式之一，嵌入式是將壓電陶瓷片以“智能骨料”的形式（如圖4）埋入混凝土結(jié)構(gòu)之中，用來監(jiān)測混凝土裂縫，鋼筋脫粘等。如Song等人將壓電陶瓷智能骨料埋入鋼筋混凝土橋的T型梁中，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂縫進(jìn)行監(jiān)測。沈陽建筑大學(xué)的閻石、孫威等也將自制的“智能骨料”運用到混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測當(dāng)中。

圖4 智能骨料

此外，壓電陶片除了以“智能骨料”的形式埋入結(jié)構(gòu)之中外，Dong將不同類型的壓電陶瓷顆粒和水泥灰漿均勻混合制作了新型的0-3型水泥基壓電復(fù)合材料。張東[13]等將多個壓電陶瓷片的同極兩兩相連，然后等間距埋放在水泥灰漿內(nèi)，最終形成2-2型壓電復(fù)合材料。

目前，國內(nèi)外利用壓電陶瓷對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測的技術(shù)主要分為兩大類，分別為主動監(jiān)測技術(shù)和被動監(jiān)測技術(shù)。

其中根據(jù)損傷診斷方法的不同，主動監(jiān)測技術(shù)又分為波動分析法和機械阻抗法。

3.3、基于壓電陶瓷的混凝土結(jié)構(gòu)主動監(jiān)測技術(shù)

（1）波動分析法（Wave-based method）

波動分析法的基本原理，是把壓電陶瓷經(jīng)過加工，制作成驅(qū)動器與傳感器。其中利用的原理正是壓電陶瓷的正逆壓電效應(yīng)。

在制作完成之后，驅(qū)動器用來進(jìn)行信號的發(fā)射，傳感器用來進(jìn)行信號的接收，將驅(qū)動器與傳感器布置于待測結(jié)構(gòu)的兩端，從而建立驅(qū)動器-傳感器的激勵-傳感通道，實現(xiàn)對構(gòu)件區(qū)間的掃描，通過分析信號的差異來實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)損傷的識別與診斷，具體原理圖如圖5所示。

圖5 波動分析法工作原理圖

由于壓電陶瓷的兼驅(qū)動與傳感于一體的雙重特性，使得結(jié)構(gòu)中的任何一個壓電陶瓷既可以做傳感器，又可以做驅(qū)動器。根據(jù)所發(fā)射應(yīng)力波的不同又可將波動法分為：縱波、表面波、板波、聲發(fā)射等監(jiān)測技術(shù)。

（2）機械阻抗法（Electro-mechanical impedence method）

機械阻抗法的基本原理，是通過對比結(jié)構(gòu)損傷前和損傷后的機械阻抗值來判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。一般用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)的局部微小損傷。

3.4、基于壓電陶瓷的混凝土結(jié)構(gòu)被動監(jiān)測技術(shù)

被動監(jiān)測主要是指利用壓電陶瓷的高阻抗特性，對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)進(jìn)行測量。目前的應(yīng)用主要有結(jié)構(gòu)振動狀態(tài)監(jiān)測、基于聲發(fā)射技術(shù)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測和沖擊荷載監(jiān)測等。

結(jié)合現(xiàn)有的壓電陶瓷在混凝土健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用中不同方法的特點，本文針對不同的方法開發(fā)配套的健康監(jiān)測系統(tǒng)。主要包括基于壓電陶瓷主動監(jiān)測技術(shù)的波動分析法開發(fā)的主動監(jiān)測模塊，實現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的監(jiān)測；利用壓電陶瓷制作的力傳感器和加速度傳感器，對結(jié)構(gòu)的壓力與振動狀態(tài)的進(jìn)行監(jiān)測。

4、基于虛擬儀器技術(shù)的壓電混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

4.1、虛擬儀器技術(shù)介紹

虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI），其概念最早是在1986年由美國國家儀器公司（National Instruments，簡稱NI）提出的。

一般認(rèn)為，虛擬儀器是在PC機的基礎(chǔ)上，通過增加一系列硬件或軟件最終形成以軟件為主，硬件為輔的、具有良好人機交互界面的可重構(gòu)型測試儀器系統(tǒng)。

其核心是，以計算機作為該儀器系統(tǒng)的硬件支撐，并充分享用計算機的硬件資源和豐富功能，利用軟件把傳統(tǒng)儀器的功能和控制面板軟件化，最終形成一臺無論從外觀還是功能上都和傳統(tǒng)儀器相似的新型儀器。

虛擬儀器技術(shù)的目標(biāo)就是最終替代傳統(tǒng)儀器，實現(xiàn)真正的“軟件就是儀器”。

虛擬儀器主要由測控功能硬件、計算機硬件和應(yīng)用軟件三大部分組成，其基本體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

虛擬儀器的測控功能硬件主要是指各種I/O接口設(shè)備，此部分的主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號輸出以及模/數(shù)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換等功能。根據(jù)總線方式的不同分為GPIB/VXI/PXI等總線方式接口儀器、并行/串式接口儀器、NI CompactRIO/NI PXI等嵌入式硬件儀器等標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。

計算機硬件作為虛擬儀器系統(tǒng)的軟件搭載平臺，可以利用計算機實現(xiàn)對系統(tǒng)軟硬件資源管理，同時也可充分利用計算機顯示、存儲、計算等智能資源。

應(yīng)用軟件在虛擬儀器系統(tǒng)的作用可稱之為大腦，其軟件體系結(jié)構(gòu)按功能可分為I/O接口軟件、儀器驅(qū)動程序、應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境。I/O接口軟件、儀器驅(qū)動程序主要用于支持不同硬件設(shè)備之間的通信與驅(qū)動。

通過虛擬儀器的應(yīng)用軟件用戶可以利用圖形化的編程軟件和計算機硬件資源實現(xiàn)對復(fù)雜應(yīng)用的原型開發(fā)。

圖6 虛擬儀器的基本體系結(jié)構(gòu)

4.2、壓電混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件部分是采用模塊化設(shè)計，其主要優(yōu)點是便于后期根據(jù)實際需要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。按各功能模塊的作用不同具體分為主動監(jiān)測模塊、被動監(jiān)測模塊以及加速度監(jiān)測模塊。

5.結(jié)語

在房地產(chǎn)開發(fā)項目的全壽命周期中，房屋建筑不可避免的會受到各種來自外部環(huán)境或內(nèi)部缺陷對結(jié)構(gòu)安全造成一定隱患。近期全球地震災(zāi)害頻發(fā)，極端環(huán)境因素對建筑結(jié)構(gòu)造成的影響更不容忽視。而往往在災(zāi)難過后，人們才能通過破壞的構(gòu)件發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在缺陷，在建筑正常運行期內(nèi)很多結(jié)構(gòu)健康問題是無法觀測識別的。基于壓電陶瓷及虛擬儀器技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，則在一定程度上為此類問題提供了一條解決的路徑。雖然目前此技術(shù)仍不完善，距離大量投入市場使用仍有一定距離，不過在未來的持續(xù)探索中，終將有著極大的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝強，薛松濤.土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 中國科學(xué)基金，2001，（5）：285-288.

[2]張傳忠，壓電材料的發(fā)展及應(yīng)用[J].壓電與聲光，1993.15（3）： 64-70.

[3]俞潔.智能懸臂梁壓電片布置與振動主動控制技術(shù)的研究：[碩士學(xué)位論文].海河大學(xué)，2006.

[4]孫慷，張福學(xué).壓電學(xué)（上）[M].北京：國防工業(yè)大學(xué)出版社，1986.

[5]張福學(xué).現(xiàn)代壓電學(xué)（上）[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[6]閻石，馬祿哲.CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)剝離損傷識別試驗研究[J]. 土木工程與管理學(xué)報，2011，28（3）：69-74.