壓電阻抗技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(tái))

1 引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代，其概念可簡(jiǎn)單定義為:應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和分析手段對(duì)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(cè)和分析，來(lái)達(dá)到識(shí)別結(jié)構(gòu)中損傷是否發(fā)生、確定損傷的位置、估計(jì)損傷的程度和評(píng)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(cè)的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)和分析手段可分為全局損傷識(shí)別和局部損傷識(shí)別。

全局損傷識(shí)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(shí)別問(wèn)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(lái)講，其優(yōu)點(diǎn)是可將產(chǎn)生振動(dòng)的外界因素作為激勵(lì)源，損傷檢測(cè)的過(guò)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(cè)和識(shí)別。但全局損傷識(shí)別對(duì)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(shí)際的工程應(yīng)用中困難重重。

為彌補(bǔ)全局損傷識(shí)別對(duì)局部損傷不敏感的這一缺點(diǎn)，各國(guó)學(xué)者在局部損傷識(shí)別技術(shù)上進(jìn)行了許多研究工作［1］。目前應(yīng)用于實(shí)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(cè)、聲發(fā)射和壓電阻抗技術(shù)等技術(shù)。這些局部損傷檢測(cè)方法有各自的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，在一些特定的條件下可實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部缺陷、損傷的檢測(cè)。

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(wú)損健康監(jiān)測(cè)(Nondestructive Evaluation Technique，NDE)中體現(xiàn)出了巨大的潛力和市場(chǎng)?；趬弘娫膲弘娮杩狗椒?Electro-Mechanical Impedance，EMI)將壓電材料的特性與波動(dòng)理論相結(jié)合，應(yīng)用動(dòng)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(duì)結(jié)構(gòu)諸如裂紋和螺栓松動(dòng)等微小缺陷較為敏感，同時(shí)壓電元件具有成本低廉、尺寸小、激勵(lì)電壓低和對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)際問(wèn)題，最后對(duì)基于壓電阻抗技術(shù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(jiàn)的壓電材料類(lèi)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(cè)的一個(gè)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(shuō)明產(chǎn)生壓電效應(yīng)的物理機(jī)理。

當(dāng)不施以壓力時(shí)，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(gè)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(shí)，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(hào)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(chǎng)強(qiáng)度E和電應(yīng)變?chǔ)疟硎緸棣?dE，d稱為壓電應(yīng)變常數(shù)。

當(dāng)沿x方向施加電場(chǎng)作用時(shí)，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(méi)有離子鍵(及其他的化學(xué)鍵)，所以在極化過(guò)程中，它們之間可發(fā)生相對(duì)位移，從而導(dǎo)致具有對(duì)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(dòng)，則產(chǎn)生的就是高頻交變電流信號(hào);反之高頻交變電流激勵(lì)施加在壓電材料上時(shí)，則產(chǎn)生高頻振動(dòng)。

2．2 常見(jiàn)的壓電材料類(lèi)型

壓電材料可以分為三大類(lèi):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(lèi)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(diǎn)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(jià)格昂貴，因此在實(shí)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(guò)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(wú)規(guī)則集合而成的具有壓電性的材料，即通常所說(shuō)的壓電陶瓷(Piezoceramics)。這類(lèi)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(cè)中最常見(jiàn)的一種，具有壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高、制造簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，但也具有材料較脆、不適應(yīng)曲面等的缺點(diǎn)。

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(dú)特優(yōu)點(diǎn)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(guó)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(jià)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(cè)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(cè)管道法蘭連接的實(shí)驗(yàn)研究中，驗(yàn)證了MFC材料在基于阻抗技術(shù)的損傷監(jiān)測(cè)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(dòng)理論中，結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗定義為簡(jiǎn)諧激振力與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)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(lì)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(cè)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(lì)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(cè)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(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量-剛度-阻尼系統(tǒng)，壓電元件可被看作為一根狹長(zhǎng)的桿件，一端被固定，另一端與簡(jiǎn)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(chǎng)作用下做軸向振動(dòng)。

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(dòng)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(lì)的角頻率;wA，lA，hA分別為壓電元件的寬度、長(zhǎng)度和厚度;εT33為壓電元件在零應(yīng)力時(shí)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(chǎng)時(shí)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(guò)儀器在壓電元件上測(cè)得)。

從式(2)可以看出，第一項(xiàng)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(xiàng)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(duì)已經(jīng)確定的壓電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(xiàng)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(guò)壓電系統(tǒng)耦合電導(dǎo)納Y反映出來(lái)。

4 壓電阻抗技術(shù)的應(yīng)用問(wèn)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(shí)別，開(kāi)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(guò)各國(guó)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(wèn)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(wèn)題的研究成果，并對(duì)相關(guān)問(wèn)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(guò)阻抗分析設(shè)備，可以同時(shí)得到壓電導(dǎo)納值的實(shí)部和虛部。導(dǎo)納值實(shí)部對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性更為敏感，所以在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中通常用壓電阻抗的實(shí)部信息來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的健康狀況。而導(dǎo)納值虛部對(duì)溫度變化和粘結(jié)層特性比較敏感，實(shí)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(jiǎn)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(shí)驗(yàn)［8，9］研究都首先采用了這種方法，并且證實(shí)了諧振頻率、幅值等頻譜特性確實(shí)會(huì)因被監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的定量分析。由于試件及實(shí)驗(yàn)其他條件也不可能完全一致，諧振頻率受實(shí)驗(yàn)條件干擾也會(huì)發(fā)生較大變動(dòng)。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(duì)損傷進(jìn)行識(shí)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(duì)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(wú)松動(dòng)時(shí)的導(dǎo)納實(shí)部;Re(Yk)i為螺栓出現(xiàn)一定程度松動(dòng)時(shí)的導(dǎo)納實(shí)部;k為第 k個(gè)掃描頻率點(diǎn);n為掃描點(diǎn)的個(gè)數(shù);分別表示螺栓無(wú)松動(dòng)和松動(dòng)后的導(dǎo)納實(shí)部平均值。

Tawie等［7］在應(yīng)用壓電阻抗原理監(jiān)測(cè)混凝土養(yǎng)護(hù)期強(qiáng)度增長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，通過(guò)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(shí)別薄鋁板裂縫的實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了距離PZT不同距離不同裂縫長(zhǎng)度的多種損傷情況，實(shí)驗(yàn)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(shì)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?yè)p傷識(shí)別技術(shù)對(duì)溫度環(huán)境和操作條件的敏感性高，導(dǎo)致其很容易對(duì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行誤判。為了有效避免這樣的錯(cuò)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(dòng)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(duì)飛機(jī)機(jī)翼與機(jī)身的螺栓進(jìn)行了松動(dòng)識(shí)別，這種方法一定程度上減少了溫度和荷載對(duì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)判斷的干擾。

對(duì)于問(wèn)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(cè)和診斷、數(shù)據(jù)的特征提取和信息的預(yù)測(cè)等問(wèn)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(wú)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(wèn)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(duì)一個(gè)1/4鋼橋模型和一個(gè)空間桁架模型的健康狀況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。在實(shí)驗(yàn)中成功地定位并識(shí)別了結(jié)構(gòu)的損傷情況，被認(rèn)為能有效地對(duì)沒(méi)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(cè)。

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(cè)中。其設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在鋁梁上開(kāi)8個(gè)孔安裝螺栓，并依次在8個(gè)孔心線的中點(diǎn)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(guò)Matlab、C語(yǔ)言等工具構(gòu)建了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。取各個(gè)螺栓分別松動(dòng)及全部緊固、任意兩個(gè)螺栓松動(dòng)等為模式樣本，樣本向量取自所有PZT的對(duì)結(jié)構(gòu)變化靈敏的激勵(lì)頻率點(diǎn)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(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果判定哪顆螺栓松動(dòng)。

如何選取合適的損傷指標(biāo)和損傷識(shí)別算法仍然是壓電阻抗原理在實(shí)際應(yīng)用中亟待研究解決的問(wèn)題。常用的損傷系數(shù)如RMSD、MAPD、CCD，雖然簡(jiǎn)單，且被廣泛使用，但有一個(gè)固有的問(wèn)題:與損傷無(wú)關(guān)的影響因素(例如溫度變化)會(huì)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(jì)公式(絕對(duì)百分比偏差、方差、相關(guān)系數(shù)等)對(duì)這種效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償也并不能完全解決這個(gè)問(wèn)題。

4．2 感應(yīng)范圍的確定

在高頻范圍內(nèi)，壓電元件對(duì)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(chǎng)干擾的優(yōu)點(diǎn)，從而能夠有效識(shí)別局部范圍的損傷。由已有的各項(xiàng)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(huì)隨主結(jié)構(gòu)的材料特性、幾何尺寸、激勵(lì)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(dòng)實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置了距被監(jiān)測(cè)螺栓不同距離的多個(gè)PZT片。由實(shí)驗(yàn)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(cè)量出250 mm范圍內(nèi)螺栓的松動(dòng)，而對(duì)該范圍之外的損傷判斷不精確。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，在實(shí)際的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中如果應(yīng)用多個(gè)PZT進(jìn)行監(jiān)測(cè)，則可對(duì)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(cè)到一定范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)微小損傷，因此需要對(duì)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(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的微小損傷，并針對(duì)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(cè)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(lì)的波長(zhǎng)較短，所以選擇的激勵(lì)頻率較高，通常在30～500 kHz。頻率過(guò)低對(duì)結(jié)構(gòu)的微小損傷將不敏感，而頻率過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致PZT對(duì)溫度和粘結(jié)層等邊界條件過(guò)于敏感，從而影響對(duì)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(xiàng)顯示為基線導(dǎo)納上的尖峰，這些峰值對(duì)應(yīng)的頻率為被測(cè)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(shí)保證掃描頻率不能高于500 kHz。

Sun等［6］也在一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)包含本體結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)頻率越多的頻率范圍會(huì)包含更多的結(jié)構(gòu)損傷信息。在實(shí)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(cè)，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(cè)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(cè)范圍、所需的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)電壓。

馮偉［8］在實(shí)驗(yàn)中使用了厚度為 0．2 mm、0．5 mm、1 mm，長(zhǎng)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(duì)比發(fā)現(xiàn)為了盡可能的減小PZT本身對(duì)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)中使用了厚度為5 mm、2 mm、1 mm，長(zhǎng)寬為15 mm ×15 mm 的不同PZT片作為傳感元件。反復(fù)實(shí)驗(yàn)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(dòng)信號(hào)收集的效果。

Ong等［17］在對(duì)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(shí)別的一個(gè)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證粘結(jié)劑的材質(zhì)不同會(huì)導(dǎo)致PZT激振器所產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)的特性發(fā)生變化，同時(shí)也會(huì)對(duì)所收集到的壓電阻抗信號(hào)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(hào)相互影響關(guān)系的模型。粘結(jié)層會(huì)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(shí)夾雜氣泡，或機(jī)械性能隨粘結(jié)層老化而改變，這對(duì)壓電信號(hào)采集和分析都會(huì)帶來(lái)影響。在未來(lái)的研究中仍需進(jìn)一步探討如何控制粘結(jié)層對(duì)監(jiān)測(cè)的影響。

已有研究［7］表明，導(dǎo)納值虛部對(duì)粘結(jié)層的完整性等性質(zhì)較為敏感，故在實(shí)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(shí)部數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)中，使用了COMSOL軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)中鋁板、粘結(jié)層和壓電元件進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)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(wèn)題中的有效性。

2013 年，Esmaeel等［19］在基于壓電阻抗原理監(jiān)測(cè)搭接螺栓松動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究中，使用了ABAQUS有限元分析軟件對(duì)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(duì)有限元模型振動(dòng)阻尼的忽略。

孫艾薇［20］通過(guò)ANSYS分析軟件，對(duì)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(guò)ANSYS模態(tài)分析，比較了結(jié)構(gòu)在無(wú)損和各種不同損傷狀態(tài)下的模態(tài)頻率的變化，驗(yàn)證了基于阻抗理論的損傷識(shí)別方法。繼而通過(guò)電壓激勵(lì)下的響應(yīng)分析，對(duì)結(jié)構(gòu)在無(wú)損和有損狀態(tài)下的壓電阻抗進(jìn)行了對(duì)比，得出可以通過(guò)PZT導(dǎo)納頻譜圖識(shí)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(cè)量一般采用美國(guó)安捷倫(Agilent)公司生產(chǎn)的精密阻抗分析儀，該儀器通過(guò)輸入電壓與通過(guò)電阻器的電流之比得到被測(cè)試器件的阻抗值。壓電阻抗分析儀是目前實(shí)驗(yàn)中常用的測(cè)量阻抗的方法，但其價(jià)格昂貴、體積龐大，不適用于現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)使用。

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

國(guó)內(nèi)郭諄欽［9］設(shè)計(jì)了一種不使用阻抗分析儀的測(cè)量方法，采用正弦波發(fā)生器、專(zhuān)業(yè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(cè)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(jì)算PZT的阻抗。并且通過(guò)對(duì)螺栓松動(dòng)的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(duì)于大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，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(shí)際長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)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(wú)線化

隨著數(shù)據(jù)采集器和處理器的微型化、模塊化，及無(wú)源無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，使得壓電阻抗健康監(jiān)測(cè)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(duì)無(wú)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(cè)系統(tǒng)的成本。2003年，Lynch等［23］通過(guò)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(jì)算。同年，Tanner等［24］采用微機(jī)電系統(tǒng)將傳感器、無(wú)線傳輸系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算分析模塊集合在了一起。因?yàn)閭鬏? bit的數(shù)據(jù)所消耗的能量能夠供計(jì)算分析模塊完成大約1 100個(gè)循環(huán)的計(jì)算，故采用這樣的集成方式能夠延長(zhǎng)電池的使用時(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信功能，同樣實(shí)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(dòng)式傳感技術(shù)，相對(duì)于被動(dòng)式傳感技術(shù)，其需要更多的電能來(lái)支持其工作。因?yàn)槠鋵?duì)能量要求高，故還很少有研究來(lái)解決主動(dòng)式傳感技術(shù)的無(wú)線供能和無(wú)線通信硬件系統(tǒng)。2005年，Lynch等［26］通過(guò)在主動(dòng)傳感單元中集成激振驅(qū)動(dòng)功能，最先嘗試了在主動(dòng)式傳感單元中實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的研究。同年，Grisso等［27］研發(fā)了一種獨(dú)立的主動(dòng)式傳感器，集合了阻抗數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算處理模塊、無(wú)線傳輸模塊，以及基于壓電材料的能量收集電池。相對(duì)于其他的主動(dòng)式傳感技術(shù)，基于阻抗原理的壓電傳感器有一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)在于其只需要很低的驅(qū)動(dòng)電壓，這使得壓電傳感器成為主動(dòng)式無(wú)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(lái)測(cè)量螺栓機(jī)械阻抗的方法，實(shí)驗(yàn)中同時(shí)提出了采用被動(dòng)式RFID電子標(biāo)簽來(lái)傳遞檢測(cè)信號(hào)的方法，利用電磁波的方式代替了原有的有線通信，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)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(wú)線通信模塊，使用10 GHz的X-波段無(wú)線射頻(RF)技術(shù)向其無(wú)線提供能量。該方案解決了主動(dòng)式傳感器的供能問(wèn)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(lái)感知被測(cè)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，同時(shí)也可以從結(jié)構(gòu)微振動(dòng)中收集能量來(lái)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(hào)的方式設(shè)計(jì)了一種無(wú)源的超高頻RFID應(yīng)力傳感器，實(shí)現(xiàn)了低成本亞毫米級(jí)分辨率的損傷識(shí)別方法。

2012年，Kim等［32］設(shè)計(jì)了一種低能耗無(wú)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(wú)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(shí)別分析的AD5933芯片，無(wú)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(dòng)工作，并通過(guò)對(duì)鋼筋預(yù)應(yīng)力測(cè)量和螺栓松動(dòng)的監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了該設(shè)備的實(shí)用性。

現(xiàn)有的研究已很好的引入并結(jié)合了無(wú)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(shí)現(xiàn)能量無(wú)線供應(yīng)的方案可靠性仍需研究，未來(lái)的研究應(yīng)該在如何實(shí)現(xiàn)傳感器無(wú)線能量供應(yīng)或者自收集能量功能的問(wèn)題上展開(kāi)。

5 壓電阻抗技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(kāi)展了應(yīng)用研究。例如，鋼橋結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)［33］、混凝土養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度發(fā)展監(jiān)測(cè)［7，34，35］、焊接節(jié)點(diǎn)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(shí)別［11］等。

5．1 焊接節(jié)點(diǎn)損傷監(jiān)測(cè)

1999年，Giurgiutiu等［36］使用壓電阻抗原理對(duì)搭接剪切型焊接連接的疲勞試驗(yàn)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。焊接連接在往復(fù)循環(huán)荷載下出現(xiàn)疲勞裂縫，并隨時(shí)間擴(kuò)展。通過(guò)對(duì)導(dǎo)納信號(hào)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)別中的有效性和可行性。

5．2 螺栓連接松動(dòng)監(jiān)測(cè)

2001年，Park等［37］用壓電阻抗原理對(duì)管線結(jié)構(gòu)的螺栓連接進(jìn)行了監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)粘貼于管道表面的壓電傳感元件進(jìn)行實(shí)時(shí)高頻激勵(lì)，獲取相應(yīng)導(dǎo)納值進(jìn)行損傷識(shí)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(cè)和管線工程結(jié)構(gòu)的早期損傷識(shí)別。

5．3 混凝土裂縫損傷監(jiān)測(cè)

2004年，Bhalla等［38］設(shè)計(jì)了一個(gè)兩層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，通過(guò)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(duì)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(cè)識(shí)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(dòng)方法對(duì)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(hào)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(cè)

2006年，Park等［33］進(jìn)行了某鋼桁架構(gòu)件損傷識(shí)別和螺栓松動(dòng)識(shí)別的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比研究了壓電阻抗法和Lamb波法。實(shí)驗(yàn)證明壓電阻抗法和Lamb法均能識(shí)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(huì)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(shí)別，對(duì)于三維構(gòu)件的損傷識(shí)別則不適用。而壓電阻抗法比Lamb法的適用性更強(qiáng)。在對(duì)鋼橋結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中，PZT片在高頻激勵(lì)下對(duì)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(shí)際工程中。

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

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(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明PZT片導(dǎo)納隨時(shí)間的頻譜變化能有效監(jiān)測(cè)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(lái)監(jiān)測(cè)混凝土在養(yǎng)護(hù)期的強(qiáng)度發(fā)展，也證實(shí)了壓電阻抗原理可以定量標(biāo)識(shí)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(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研究現(xiàn)狀，相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法，壓電阻抗法具有很多技術(shù)優(yōu)點(diǎn)［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(dòng)電場(chǎng)頻率)，表現(xiàn)在對(duì)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(shí)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(chǎng)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(zhǎng)期穩(wěn)定性好。

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

(1)壓電材料與被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)粘結(jié)時(shí)，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(duì)溫度的敏感性。

(3)對(duì)于大型結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的健康監(jiān)測(cè)問(wèn)題，往往需要設(shè)置不止一個(gè)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(wú)法提出合理的計(jì)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(cè)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(yàn)研究?jī)H僅針對(duì)一個(gè)或者少量的幾個(gè)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(shí)別算法，如何通過(guò)多組監(jiān)測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)融合更好地識(shí)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(cè)應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)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(xiàng)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)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(wú)源無(wú)線化。

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