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。、Cc、Ci和Cf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)Cf、Rf和傳感器信號頻率ω有關(guān)。若Cf、Rf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Cf、Rf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。