壓電陶瓷片在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用論文

壓電陶瓷片在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用作者：原著摘要：PZT不僅能用于制作各種壓電產(chǎn)品，近年來PZT正逐步應(yīng)用于結(jié)構(gòu)損傷檢測。根據(jù)壓電材料的正、逆壓電效應(yīng)，PZT壓電陶瓷可同時(shí)作為驅(qū)動(dòng)元件和傳感元件，將PZT粘貼在構(gòu)件易產(chǎn)生裂紋或應(yīng)力集中較大的地方，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的探測由于結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗或者頻率響應(yīng)具有對(duì)損傷的高敏感性，使得它成為研究損傷識(shí)別的主要指標(biāo)。關(guān)鍵詞：PZT；健康監(jiān)測；壓電阻抗；中圖分類號(hào)：(作者本人填寫)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：ApplicationofPiezoelectricitypotsherdinstructurehealthobservationsystemLIXue-mei,OUPing-yuan,JIANBo-ya,LIUJie-hui(ChongqingInstituteofTechnology,ElectronicInformationandAutomationChongqing，400050)Abstract:PZTnotonlyfortheproductionofpiezoelectricproducts,PZTisgraduallyappliedinrecentyears,structuraldamagedetection.Accordingtothepiezoelectricmaterialandinversepiezoelectriceffect,PZTpiezoelectricceramiccomponentsandthesametimeasdrivingthesensingelementwillPZTpasteiseasytoproducecracksinthecomponentsorwherelargestressconcentration,toachievethedetectionofcracksinthestructuremechanicalimpedanceorfrequencyresponsewithhighsensitivitytodamage,makingitthekeyindicatorsofdamageidentification.Keywords：PZT;healthmonitoring;PiezoelectricImpedance;0引言近年來，壓電阻抗技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康診斷中應(yīng)的研究越來越多。1995年Sun等人將壓電阻抗技術(shù)成功用于組裝衍架的結(jié)構(gòu)健康診斷被認(rèn)為是壓電阻抗技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康診斷領(lǐng)域應(yīng)用的開始[1]。壓電阻抗技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的小損傷反應(yīng)靈敏，有利于檢測出結(jié)構(gòu)初期故障，而且壓電阻抗技術(shù)中常使用的壓電材料PZT(鋯鈦酸鉛壓電陶瓷)有體積小、結(jié)構(gòu)簡單和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。另PZT只對(duì)其附近局部范圍內(nèi)的變化敏感，有助于分離出結(jié)構(gòu)整體的質(zhì)量加載、結(jié)構(gòu)剛度和邊界條件變化與PZT附近結(jié)構(gòu)損傷對(duì)測量結(jié)果的影響，所以這種技術(shù)適用于來跟蹤監(jiān)測那些對(duì)結(jié)構(gòu)完整性要求嚴(yán)格或是對(duì)結(jié)構(gòu)壽命影響很大且損傷不容易檢測的薄弱環(huán)節(jié)[2]。本文將介紹壓電阻抗技術(shù)用于結(jié)構(gòu)健康診斷的基本原理。1壓電材料簡介壓電材料是一種具有壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的特殊的電介質(zhì)材料，壓電效應(yīng)是法國P.Curie和J.Curie兄弟在1880年發(fā)現(xiàn)的某些晶體的特性，在經(jīng)過極化處理的壓電體上在其極化方向施加一個(gè)機(jī)械力（或釋放壓力）時(shí)，壓電體就會(huì)產(chǎn)生充放電現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)：反之，在壓電體上施加一個(gè)與極化方向相同(或相反)的電場，則會(huì)引起兩種效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)，即電介質(zhì)在外電場作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，應(yīng)變大小與所加電場大小成正比，方向與電場方向有關(guān)。電致伸縮效應(yīng)，即電介質(zhì)存電場作用F，由于感應(yīng)極化作用而產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變大小與電場平方成正比，與電場方向無關(guān)。逆壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)實(shí)質(zhì)上都是電介質(zhì)晶體在外電場作用下產(chǎn)生極化的結(jié)果，并使晶格發(fā)生畸變，宏觀上表現(xiàn)為機(jī)械應(yīng)變。壓電陶瓷(Piezoceramics)：通過配料混合，高溫?zé)Y(jié)，粉粒之間發(fā)生固相反應(yīng)后無規(guī)則集合而成的具有壓電性的多晶體稱為壓電陶瓷。PZT既可作為傳感元件，又能作為驅(qū)動(dòng)元件，并且能與其它材料互相嵌入構(gòu)成復(fù)合材料，因此它有著廣泛的應(yīng)用前景，比如在飛機(jī)機(jī)翼上用于飛機(jī)操縱，在振動(dòng)系統(tǒng)中用于振動(dòng)和噪聲的主動(dòng)控制，在設(shè)備中用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，等等。PZT在智能材料結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的主要特點(diǎn)有：①既可作為驅(qū)動(dòng)器，又可作為傳感器；②作為驅(qū)動(dòng)器時(shí)，它的激勵(lì)功率?。虎垌憫?yīng)速度較快，是形狀記憶合金的1OOOO倍；④尺寸可以做得很小和很薄，既可以安裝在結(jié)構(gòu)表面，也可以埋入結(jié)構(gòu)中；⑤組合靈活，既可以以比較大塊的形式使用，也可以小塊分散的使用。2PZT結(jié)構(gòu)PZT是Pbzro3和PbTio3的連續(xù)固溶體，呈ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。PZT發(fā)現(xiàn)于二十世紀(jì)五十年代初，是一種藿要的壓電鐵電材料，具有重要的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。壓電陶瓷是不具有對(duì)稱中心的晶體電介質(zhì)材料，而不具有對(duì)稱中心的晶體電介質(zhì)除因?qū)ΨQ性極高而使逆壓電效應(yīng)極小的432點(diǎn)群晶體外，在電場的作用下都不具有對(duì)稱中心的晶體電介質(zhì)由逆壓電效應(yīng)所引起的形變，在電場的作用下，電介質(zhì)發(fā)生極化，由于最左側(cè)的副離予和最右側(cè)的正離子之間沒有離子鍵(及其他的化學(xué)鍵)，所以在極化過程中，它們之間可發(fā)生較大的相對(duì)位移，從而在宏觀上表現(xiàn)為較大的逆壓電效應(yīng)。表示為：S=dE，與電場大小成正比。也就是說，在壓電材料中，電學(xué)量與力學(xué)量相互耦合，介質(zhì)中儲(chǔ)存的能量由兩部分組成，一部分是應(yīng)變能，另一部分是電磁能。按照現(xiàn)代結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，當(dāng)設(shè)備及結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生損傷和出現(xiàn)缺陷時(shí)，例如裂紋、螺栓松動(dòng)等，它的剛性和機(jī)械阻抗特性就會(huì)發(fā)生變化，還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)的變化。因此，可以根據(jù)機(jī)械阻抗的變化，定量地給出損傷的程度。然而，機(jī)械動(dòng)態(tài)阻抗隨頻率的變化，用常規(guī)的方法很難測得。利用壓電元件的自驅(qū)動(dòng)、自傳感特性，PZT可同時(shí)作為驅(qū)動(dòng)元件和傳感元件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)以獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，從而建立起機(jī)械特性與電信息的橋梁，機(jī)械動(dòng)態(tài)阻抗信息的變化則可通過簡單的實(shí)測電信息反映出來。當(dāng)對(duì)壓電陶瓷片表面施加一定外界電壓時(shí)，就會(huì)在梁的表面產(chǎn)生橫向表面力。這些表面力將會(huì)驅(qū)動(dòng)梁產(chǎn)生不同的振動(dòng)（當(dāng)上下兩片PZT承受同向電壓時(shí)，將會(huì)使梁產(chǎn)生縱向振動(dòng)；施加反向電壓時(shí)，則使梁產(chǎn)生彎曲振動(dòng)）。反過來，振動(dòng)又造成梁產(chǎn)生變形，變形的特征可以電信號(hào)的形式通過壓電陶瓷片的傳感特性反映出來。因此從粘貼在結(jié)構(gòu)上的壓電陶瓷片動(dòng)態(tài)導(dǎo)納特性，能夠反映出結(jié)構(gòu)的損傷狀況[3]。根據(jù)壓電耦合效應(yīng)，以及PZT與結(jié)構(gòu)的相互作用可得到與頻率有關(guān)的導(dǎo)納(阻抗的倒數(shù))表達(dá)式為：（1）式（1）中Y（S）為電導(dǎo)納；i為虛數(shù)單位；a（m）為PZT的幾何參數(shù)；ω（rad/s）為所加驅(qū)動(dòng)電壓的角頻率；δ為介電損失因數(shù)；Z（N·s/m）為結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗；（N·s/m）為PZT材料自身的機(jī)械阻抗；（Pa）為PZT在零電場時(shí)的楊氏模量。式(1)中的第一項(xiàng)為自由PZT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PZT材料自身的阻抗信息和外部結(jié)構(gòu)的阻抗信息?？紤]當(dāng)壓電陶瓷片粘貼于外部結(jié)構(gòu)后，已確定了壓電系統(tǒng)，PZT材料自身的阻抗又是常數(shù)，外部結(jié)構(gòu)的阻抗值則是唯一影響第二項(xiàng)的參數(shù)，從而控制壓電系統(tǒng)全部導(dǎo)納Y的變化。當(dāng)PZT的參數(shù)及性能保持恒定時(shí)，結(jié)構(gòu)阻抗Z唯一地確定了式(1)第二項(xiàng)的值，因壓電導(dǎo)鈉的任何變化對(duì)應(yīng)了結(jié)構(gòu)損傷和缺陷，這樣就可以利用壓電導(dǎo)鈉的值對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行識(shí)別。3PZT用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)因?yàn)閴弘娫膲弘娦?yīng)及逆壓電效應(yīng)，使得壓電元件具有了驅(qū)動(dòng)及感知雙重功能，利用這一特性可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的在線、實(shí)時(shí)健康監(jiān)測。具體實(shí)現(xiàn)原理如下圖所示：圖1PZT用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)原理圖中，一部分PZT材料通過電線與產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的電源相連，通過電壓或電荷驅(qū)動(dòng)電源施加一激勵(lì)信號(hào)(電壓或電荷)給PZT，因?yàn)镻ZT材料具有逆壓電效應(yīng)，即在電場作用下會(huì)產(chǎn)生形變，由于PZT材料是嵌于(或粘貼于)基體材料上的，故它自身的形變將傳遞給基體材料，帶支基體材料一起變形或運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的PZT相當(dāng)于一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，通過接收激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)基體材料。與此同時(shí)，在基體材料上布置一些PZT材料不與電源連接，當(dāng)基體材料發(fā)生變形或運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)將這一變形或運(yùn)動(dòng)傳遞給PZT材料。由于PZT材料的壓電效應(yīng)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電荷，并且電荷的大小會(huì)隨變形或運(yùn)動(dòng)的大小而變化，此時(shí)的PZT就相當(dāng)于一個(gè)傳感器。再用測量裝置將此PZT傳感器的輸出信號(hào)即時(shí)測量、采集下來，即可實(shí)時(shí)、在線的反映基體材料的變形或運(yùn)動(dòng)情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)的、在線的健康監(jiān)測。將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)正常時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，看PZT輸出信號(hào)是否發(fā)生變化（比如結(jié)構(gòu)的裂紋或松動(dòng)等，理論上將會(huì)引起結(jié)構(gòu)中PZT的輸出發(fā)生變化，如發(fā)生變化，則認(rèn)為此結(jié)構(gòu)已發(fā)生故障。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可及時(shí)將信號(hào)傳遞給控制器，對(duì)結(jié)構(gòu)故障進(jìn)行及時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測、故障診斷及故障處理。4結(jié)束語PZT可同時(shí)作為驅(qū)動(dòng)元件和傳感元件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)以獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。利用正、逆壓電效應(yīng)原理分析了壓電陶瓷片與外部結(jié)構(gòu)間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系。當(dāng)外部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí),相應(yīng)的壓電阻抗也會(huì)發(fā)生變化，通過實(shí)測壓電系統(tǒng)的導(dǎo)納變,能實(shí)時(shí)預(yù)測出結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。PZT既適于宏觀損傷情況，又可監(jiān)測微小損傷情況，在今后對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中有很好的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn):論文集中的析出文獻(xiàn)楊光瑜,楊擁民,陳仲生.PZT在機(jī)械損傷檢測中的應(yīng)用[J].機(jī)械,2002,4:25-27.論文集中的析出文獻(xiàn)高峰,李以農(nóng),王德俊.用于結(jié)構(gòu)健康診斷的壓電阻抗技術(shù)[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2000,3;94-99.張兢,徐霞,張志文.基于壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)損傷檢測技術(shù)[J].壓電與聲光,2006.28(3);350-356.SunFP,ChaudhryC,LiangC.TrussstructureintegrityidentificationusingPZTsensor-actuator[J].JournalofIntel