壓電智能骨料的動態(tài)響應(yīng)性能試驗研究

張曉悅　任曉丹　李杰

摘要：基于壓電陶瓷材料，設(shè)計制作了能夠埋入混凝土內(nèi)部的“智能骨料”，作為傳感器進(jìn)行動態(tài)應(yīng)力測量。根據(jù)壓電陶瓷片尺寸將傳感器分為A型和B型。采用電荷放大器和LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對應(yīng)力傳感器在動力加載下的響應(yīng)進(jìn)行試驗分析。研究發(fā)現(xiàn)，傳感器表面實測應(yīng)力與電荷放大器輸出電壓之間有良好的線性關(guān)系；在相同的加載速率下，B型應(yīng)力傳感器的靈敏度系數(shù)要高于A型應(yīng)力傳感器，量程小于A型應(yīng)力傳感器。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷；混凝土；應(yīng)力傳感器；動態(tài)響應(yīng)

中圖分類號：TM282 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）01-0165-06

0 引言

正確測量混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布狀況，對結(jié)構(gòu)的性能監(jiān)測、健康診斷和災(zāi)害防御均有重要意義。傳統(tǒng)的應(yīng)力測量大都采用在構(gòu)件表面粘貼應(yīng)變片的方法，通過測量應(yīng)變、結(jié)合材料的彈性模量間接獲得應(yīng)力數(shù)據(jù)。這種方法雖然簡單直觀、成本低廉，但并不能測定結(jié)構(gòu)在非線性受力階段的應(yīng)力，并且難以通過粘貼應(yīng)變片的方法獲得混凝土內(nèi)部的應(yīng)力數(shù)據(jù)。為測量混凝土內(nèi)部應(yīng)力，需要發(fā)展新的應(yīng)力傳感器。

1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)，在此后的100多年間，對壓電材料的研究受到越來越多的重視（張福學(xué)，2001）。壓電材料具有優(yōu)良的頻率特性和可集成特性，頻響范圍寬、敏感頻率高，在土木工程健康檢測、結(jié)構(gòu)振動控制及壓力與應(yīng)力測量方面有廣泛的應(yīng)用。壓電陶瓷（Pie-zoelectric Ceramics，PZT）作為壓電材料的一種，能夠有效實現(xiàn)電信號與力信號的轉(zhuǎn)換，為應(yīng)力測量提供了可能。Tracy和Chang（1998a，b）率先將壓電陶瓷作為傳感器用以識別復(fù)合板受到的沖擊作用。陳雨等（2005）通過分級加載試驗，發(fā)現(xiàn)PZT元件參數(shù)（如壓電陶瓷在諧振點和反諧振點處的阻抗、靜態(tài)電容與動態(tài)電容等）與應(yīng)力之間有著近乎線性的關(guān)系。Song等（2007a）將PZT傳感器埋入鋼筋混凝土梁，通過沖擊試驗發(fā)現(xiàn)力錘輸出的力信號峰值與PZT傳感器輸出的電壓信號峰值間有明顯的線性關(guān)系。湖南大學(xué)許斌團隊（李立飛，2011；劉益明，2013）發(fā)明了基于壓電陶瓷的混凝土動態(tài)應(yīng)力傳感器，并提出了相應(yīng)的標(biāo)定方法，對傳感器在沖擊荷載、簡諧荷載及方波荷載作用下的靈敏度進(jìn)行了標(biāo)定。研究發(fā)現(xiàn)，由于壓電陶瓷材料的壓電常數(shù)本身有一定的離散性，而壓電陶瓷片的焊接和封裝過程難免會有一定差異，因此制成的傳感器的靈敏度也會有一定的離散性。截至目前，對于在混凝土研究中應(yīng)用的壓電陶瓷應(yīng)力傳感器，大多數(shù)研究主要集中于沖擊荷載作用試驗。本文在前人基礎(chǔ)上，設(shè)計并制作了一批壓電陶瓷應(yīng)力傳感器，通過系列動力加載試驗測量傳感器表面荷載與輸出電壓，建立應(yīng)力一電壓關(guān)系，為混凝土中的應(yīng)力測量提供新方法。

1 壓電常數(shù)測定

當(dāng)對壓電陶瓷施加機械變形時，就會引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對移動而產(chǎn)生點的極化，從而導(dǎo)致元件兩個表面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，電荷密度與單位面積上的外力成比例，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。壓電常數(shù)是表征壓電材料壓電性能的重要參數(shù)。一般認(rèn)為，壓電常數(shù)越高，壓電材料實現(xiàn)電能與機械能間相互轉(zhuǎn)換的能力越強，材料的壓電性能越好（李春雷等，2009）。

本文試驗采用上海聯(lián)能科技有限公司生產(chǎn)的PZT-5A型壓電陶瓷，如圖1所示，壓電陶瓷分為5mm×5mm×0.3mm（A型）和10mm×10mm×0.3mm（B型）兩種尺寸類型，生產(chǎn)廠商給出的壓電常數(shù)參考值為450×10^-12C·N^-1。選擇兩種規(guī)格尺寸的壓電陶瓷片各75片，采用該公司生產(chǎn)的YE2370A型d₃₃測量儀進(jìn)行壓電常數(shù)測量，結(jié)果如表1所示。由表1可見，壓電陶瓷片的壓電常數(shù)具有一定離散性，且樣本均值與生產(chǎn)廠商給出的參考值之間有一定偏差。圖2為測得壓電常數(shù)分布情況及按照高斯分布擬合的結(jié)果，從圖中可知，對于同批次、同尺寸的壓電陶瓷，其壓電常數(shù)近似滿足正態(tài)分布。

2 應(yīng)力傳感器設(shè)計

壓電陶瓷片與結(jié)構(gòu)主體有粘貼式和埋入式這兩種結(jié)合方式（孫威，2009）?！爸悄芄橇稀奔礊槁袢耸降拇恚⊿ong et al，2007b；蒙彥宇等，2009）。本文試驗所制作的應(yīng)力傳感器由基座、壓電陶瓷片、導(dǎo)線、環(huán)氧樹脂及蓋板組成，如圖3a所示。基座由水泥凈漿澆筑而成，澆筑時預(yù)留尺寸約為2.0mm×1.5mm的凹槽。制作應(yīng)力傳感器時，首先在導(dǎo)線一端焊接壓電陶瓷片并做防水絕緣處理，如圖3b所示，在導(dǎo)線另一端焊接BNC接頭。用502膠水把處理過的壓電陶瓷粘結(jié)在基座上，如圖4所示，并將導(dǎo)線及焊點置于凹槽內(nèi)，使得壓電陶瓷片與基座表面緊密結(jié)合。為滿足防水絕緣性能和一定的機械強度，在導(dǎo)線與凹槽之間填充環(huán)氧樹脂。最后在壓電陶瓷表面涂抹環(huán)氧樹脂膠，覆蓋鋼蓋板，保證傳感器受力面水平。

3 應(yīng)力傳感器的標(biāo)定試驗

由于壓電陶瓷傳感器的輸出阻抗較高，輸出信號非常微弱，為保證一定的測量精度，必須使其接入一個高輸入阻抗的前置放大器（趙燕，2010）。測量系統(tǒng)聯(lián)接如圖5所示。由于壓電傳感器既可以等效為一個與電容串聯(lián)的電壓源，又可以等效為與電容并聯(lián)的電荷源，因此對應(yīng)前置放大器也有兩種形式：電荷放大器與電壓放大器（周繼明等，2005）。本實驗采用瑞士奇石樂（KISTLER）公司生產(chǎn)的ICAM5073A工業(yè)型電荷放大器。圖6所示為簡化后的等效電路圖，圖中C。、C_c、C_i和C_f分別為壓電陶瓷的電容、電纜電容、放大器的輸入電容和反饋電容。當(dāng)放大器增益A足夠大、但傳感器工作頻率很低時，放大器輸出電壓的幅值為式（1）表明，電荷放大器的輸出電壓幅值U₀不僅與輸入電荷量Q有關(guān)，而且與反饋網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)C_f、R_f和傳感器信號頻率ω有關(guān)。若C_f、R_f與ω不變，則輸出電壓幅值與輸入電荷量成正比。

3.1 試驗裝置

為滿足加載需求，試驗使用圓鋼、鋼板與六角螺母制作了簡易的反力架，其中圓鋼直徑為36.18mm，底鋼板厚度為40.03mm，上部鋼板厚度為30.27mm，如圖7a所示。試驗選用安瑞（ANRUI）公司生產(chǎn)的KMB墊圈力傳感器（電阻式力傳感器），實際靈敏度校準(zhǔn)值為0.59676mV·N^-1。采用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其配套裝置收集信號。圖7b所示為試驗加載裝置，從上到下依次為壓電陶瓷應(yīng)力傳感器、剛性墊塊、KMB墊圈式力傳感器和分離式油壓千斤頂。應(yīng)力傳感器編號及加載速率設(shè)定如表2所示。

3.2 試驗結(jié)果

設(shè)定采樣頻率為16384Hz，空采4s噪聲，從第4s開始加載。每完成一次加載即可通過KMB傳感器得到一組力的時程曲線，如圖8a所示。將測量荷載除以應(yīng)力傳感器受荷面積即得到應(yīng)力時程曲線，通過壓電陶瓷應(yīng)力傳感器可以得到一組電壓時程曲線，如圖8b所示。將兩條曲線的初始時刻點與峰值點之間的部分進(jìn)行線性擬合，即得到應(yīng)力傳感器的靈敏度系數(shù)，如圖9所示。繪制所有樣本的應(yīng)力一電壓關(guān)系，并按所有有效樣本給出擬合曲線應(yīng)力一電壓關(guān)系，如圖10所示。

A型和B型應(yīng)力傳感器在動載作用下的應(yīng)力與電壓線性相關(guān)系數(shù)及傳感器靈敏度系數(shù)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)如表3所示。由表3可見：電壓信號與應(yīng)力信號的線性相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，線性相關(guān)度較高，可以認(rèn)為壓電陶瓷應(yīng)力傳感器的測量結(jié)果能夠反映真實應(yīng)力水平。B型應(yīng)力傳感器的靈敏度系數(shù)均值要遠(yuǎn)大于A型應(yīng)力傳感器，根據(jù)式（1），在C_f、R_f與ω不變時，電荷放大器輸出電壓幅值與輸入電荷量成正比，而B型應(yīng)力傳感器的平面尺寸比A型應(yīng)力傳感器大，表面應(yīng)力相同時，B型應(yīng)力傳感器產(chǎn)生更多的電荷量，因此其靈敏度系數(shù)大。但由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電壓采集范圍一般在±10V范圍內(nèi)，B型應(yīng)力傳感器的靈敏度系數(shù)大，勢必造成其測量的應(yīng)力范圍小。表3統(tǒng)計結(jié)果顯示，A型應(yīng)力傳感器靈敏度系數(shù)離散性要大于B型應(yīng)力傳感器，這是因為壓電陶瓷片在焊接和封裝過程中難免存在差異，電荷在傳輸過程中也會受到一定干擾，產(chǎn)生電荷損耗，而壓電陶瓷材料的尺寸越小，同等應(yīng)力水平下產(chǎn)生的電荷量越少，這些誤差的相對影響就越明顯。因此，雖然A型壓電陶瓷片壓電常數(shù)的離散性小于B型，但A型應(yīng)力傳感器靈敏度系數(shù)的離散性卻大于B型。綜合考慮，筆者認(rèn)為A型應(yīng)力傳感器的性能優(yōu)于B型。

4 結(jié)論

本文基于壓電陶瓷材料設(shè)計制作了能夠埋入混凝土內(nèi)部的“智能骨料”，并對其進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)試驗，通過分析得到以下結(jié)論：

（1）壓電陶瓷應(yīng)力傳感器在應(yīng)變率為10^-2s^-3、5×10^-3s^-1的動荷載作用下，輸出的電壓信號與作用在傳感器上的荷載呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)在0.95以上。結(jié)果表明：應(yīng)變率不小于5×10^-3s^-1時，A、B型應(yīng)力傳感器均可以反映實際的應(yīng)力水平及其變化趨勢。

（2）在相同的加載速率下，B型應(yīng)力傳感器的靈敏度要遠(yuǎn)高于A型應(yīng)力傳感器，但其量程要遠(yuǎn)小于A型應(yīng)力傳感器?？赏ㄟ^減小面積等方法來突破量程方面的限制，以提高應(yīng)力傳感器的使用范圍。

（3）應(yīng)力傳感器的靈敏度系數(shù)具有一定的離散性，靈敏度系數(shù)的變異系數(shù)一般在20%左右，這會對實際測量造成一定影響。在實際應(yīng)用中，可以通過改進(jìn)焊接方法、嚴(yán)格控制封裝過程等手段，盡可能控制應(yīng)力傳感器靈敏度系數(shù)的離散性。