基于新型壓電材料對結構健康監測技術的綜述

劉 闖，高宇甲，王鵬舉，謝景洲，師營營

（1 華北水利水電大學土木與交通學院 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，我國土木工程事故頻發，如房屋的突然倒塌、道路的坍塌與下陷、橋梁的斷裂等，關于建筑結構健康監測的問題愈發引起全社會的重視[1-2]。結構的健康監測（structural health monitoring，SHM）是指針對結構參數變化的監測、識別、分析、診斷的綜合過程[3]，對建筑的健康進行實時監測、檢測，通過監測數據并分析、發出預警對降低財產損失、保障人民群眾的生命安全、降低施工及后期維護成本具有重大意義。結構健康監測技術既包含傳統無損監測技術，又融入智能材料的概念，具有對結構連續監測（如齡期強度監測、結構自振頻率監測等）以及損傷識別（如裂縫、空洞識別等）技術等。

本文結合國內外基于新型壓電材料的結構健康監測技術的研究成果，旨在對該項技術在土木工程中的應用進行研究與總結，并通過上述分析，在總結現有技術的不足之處的同時，展望了壓電傳感器的應用前景和發展方向。

1 壓電材料與壓電效應

壓電材料通常包括壓電陶瓷（PZT）、壓電薄膜、壓電聚合物、壓電晶體和壓電復合材料。自1880年居里兄弟（雅克·居里和皮埃爾·居里）首次發現石英晶體中的壓電效應以來，壓電材料經歷了一個世紀的發展，應用于建筑、軍事、航天、醫學等[4-5]眾多領域。

壓電效應[6]（piezoelectric effect）是壓電材料得以應用于結構的健康監測技術的重要原因之一，壓電效應包括正壓電效應和逆壓電效應，所有壓電材料都具有壓電效應，其工作原理如圖1所示。正壓電效應是指將壓電材料將機械能轉化為電能的過程，利用壓電材料的正壓電效應，它們通常被用作感測結構環境變化（如溫度、荷載、濕度等）的傳感器。反之，逆電效應是指壓電材料將電能轉化為機械能的過程，利用這一特性，通常將壓電材料制作為驅動器，以使結構變形或改變應力狀態。

圖1 壓電效應示意圖

如圖2所示，壓電陶瓷（PZT）具有響應速度快、體積小、造價低、可靠性好等的特點，而且自身特性更兼有傳感和激勵的雙重效應的特點。基于以上特點，近年來，壓電陶瓷（PZT）作為智能材料被應用于結構健康監測技術，進而被廣泛應用于建筑、橋梁、水利等施工過程中。綜上所述，基于壓電陶瓷智能材料的結構狀態監測技術具有廣闊的應用前景。

圖2 PZT與硬幣對比

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片與結構機電耦合性能的典型應用。

其基本原理是：當結構產生損傷或混凝土在硬化過程中，其自身機械阻抗將發生變化，但是阻抗通常情況下難以直接測出。此時，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預先粘貼或埋設的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，基于PZT本身快速響應的優點，阻抗信息的變化可以被研究人員快速捕捉到，測試界面如圖4所示。通過對這些信息進行分析，進而實現對結構健康監測及損傷診斷。

圖3 阻抗分析儀

圖4 阻抗測試界面

2.2 壓電阻抗法與結構的作用模型

目前，基于國內外的研究壓電阻抗法可根據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]提出的不考慮黏結層影響的一維阻抗模型在后來的實踐中被驗證可成功應用于各種結構健康監測中，下面將對此模型進行介紹。

式（1）中，將PZT視為一個被固定一端與簡化為單自由度系統的基本結構相連的狹長桿件。其中：

Y（ω）－PZT的電導納；

jω－所施加的激勵角頻率；

ba、la、－分別代表PZT片的寬度、長度和厚度；

－零應力時的介電常數，決定PZT本身電容的大小，與介電損耗有關；

Za－PZT的機械阻抗；

Zs－所監測結構的機械阻抗；

d31－壓電常數，是衡量壓電效應強弱的指標，關系到輸出靈敏度；

從上式研究人員可以清晰地看出，PZT片的電導納由兩部分構成。第一部分是自由狀態下PZT的電導納，其只與外部激勵頻率相關，而與結構的狀態無關；第二部分包括了PZT自身的阻抗信息與結構的阻抗信息，當基體結構出現損傷缺陷、剛度增減、材料特性發生變化等，PZT自身的阻抗Za不發生變化，結構的機械阻抗作為唯一變量決定了第二項電導納的變化，這與上文所述壓電阻抗法的原理如出一轍。

3 壓電阻抗法在結構健康監測中的應用

壓電阻抗法最早由弗吉尼亞理工大學Chaudhry等[8]應用于航空結構的檢測。不同于傳統模態分析法，使用高頻率激勵信號（大于50 kHz），對于微小損傷、狀態變化信息、阻抗信息也能被快速捕捉到，同時對遠場邊界條件、質量負載等航空設備正常使用狀態下質量和剛度變化不敏感。結果表明，基于PZT用于航空設備檢測具有較高的敏感性與實用性。隨后，Giurgiutiu等[9]將PZT傳感器用于老化的飛機結構，以監測結構損壞（如疲勞裂紋和腐蝕）的發生和進展，實驗結果表明壓電阻抗法，尤其是300 kHz～450 kHz激勵信號對近場損傷具有較高敏感性。

繼航空航天方面的應用外，壓電阻抗法在土木工程中也同樣屢見不鮮。弗吉尼亞理工大學Sun等[10]提出一種基于頻域阻抗特征的技術，用于對桁架結構進行健康檢測，其將PZT片貼置桁架節點上，通過PZT導納數據用以反映桁架的機械阻抗的變化，并與原始健康桁架導納數據進行比較，然后應用統計算法根據特征模式差異提取桁架的損傷指數用以評估損傷程度，但PZT傳感器檢測范圍僅限于鄰域，Sun的桁架實驗開啟了EMI技術在土木工程中應用的先河；韓國仁川國立大學安全工程系Tae-Keun Oh等[11]提出了一種基于人工神經網絡（ANN）的強度預測技術，認為混凝土強度主要受水灰比、養護時間、溫度、成熟度以及基于EMI的阻抗信號這些因素影響，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質量，可同時用于阻抗測量與諧波傳播，并通過定義互相關系數（CC）用于量化由于強度變化引起的EMI變化，結果表明人工神經網絡模型通過強化訓練基于五種強度變量可以預測不同配合比的混凝土試件的強度，且誤差率小。

除強度監測外，壓電阻抗法在土木工程結構的健康監測中還有許多其他的應用。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程，從PZT貼片的導納特征中提取的等效結構參數根據腐蝕水平進行校準，在此基礎上提出了新的腐蝕評估模型。實驗結果表明，等效參數可有效地檢測和量化腐蝕。

在國內壓電阻抗法的應用研究起源于20世紀90年代后期，雖較國外研究起步較晚但相關研究仍取得不少成果。華中科技大學魯晶晶等[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頻率對C20、C30、C40混凝土導納隨齡期變化進行監測，輔助以齡期抗壓強度數據對比，并以均方差根作為量化評價指標對導納數據進行分析，實驗結果表明導納數據峰值偏移規律符合強度變化規律，導納實部相較于虛部對強度變化更敏感，高頻段激勵導納變化較低頻段更明顯；浙江大學蔡金標等[14]分別采取表面粘貼與嵌入式的方式對試塊導納－強度關系進行監測，結果表明對表面壓電片，得到了其共振頻率的變化量與標準試塊抗壓強度之間的定量對應關系；對內置壓電片，通過引入指標建立了電導頻譜與標準試塊抗壓強度的定量關系，兩種方式都表明導納－強度變化規律具有一致性，導納的變化歸結為混凝土剛度的變化對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，基于壓電阻抗法進行損傷測試，并成功利用損傷指數RMSD、CC對損傷做出定量與定位，同時還考慮溫度變量對阻抗數據做出溫度修正，但在大型結構中PZT如何布置及針對海量檢測數據如何智能分析仍是未來需要解決的問題；此外，武漢科技大學韓芳等[16]針對國內常見的木結構利用壓電阻抗法進行損傷檢測，結果表明壓電阻抗對木梁局部損傷識別敏感，可為工程實際提供參考；大連理工大學Wei等[17]針對碳纖維聚合物增強鋼筋混凝土進行拔出實驗，應用PZT貼片對脫粘損傷進行檢測，實驗表明了EMI技術在鋼筋混凝土的脫粘損傷監測方面的可行性。

4 結論與展望

綜上所述，基于新型壓電材料的結構健康監測技術有著廣闊的應用前景，正在接受著越來越多的重視，也取得了大量的研究成果。同時還應該看到，目前壓電智能結構在工程上的應用范圍較廣，該技術主要應用于損傷監測，在結構強度及其他方面研究較少且尚未形成統一指導規范；壓電材料受溫度影響明顯，關于溫度對其的影響機理及修正方式尚未明確；關于壓電智能材料結構健康監測設備的研究仍然很少。