压电机敏混凝土原理

摘　要：将压电元件埋入混凝土构件中，形成敏感网络，可以无源、主动、不间断在线监测混凝土工程结构的动态特性。为了同时实现对结构静特性的监测，用相同的压电元在电激励下产生声振动，声波在结构中传播，结构的静、动态特性都将调制声传播，其他的压电元将声信号转换成电信号输出。压电机敏混凝土技术，充分利用了压电特性，可以实现结构的在线、不间断、主动及无源监测，解决了土木工程结构监测中空间大范围分布、时效性、能耗的要求。

关键词: 智能结构； 压电换能器；检测； 混凝土　

1　引言

      混凝土构件是现代土木结构的基本构成单元，在混凝土中植入敏感元件，就相当于为土木工程结构造就了敏感神经，可以实现对结构长期不间断的在线和主动监测。文献[1，2 ]中提出，将具有压电特性的元件埋入混凝土中，可用文献[3 ]中的方式构成阵列网络，由于压电效应，敏感元件可以无源、不间断地工作，直接将结构的应力、应变变化转换成电信号输出。这种无源敏感网络为大型工程结构的主动监测提供了一种新的方法。

      但是无源工作的压电敏感元件只能传感结构的动态变化。土木工程结构的变化往往是十分缓慢的，结构自身的缺陷在载荷的作用下，逐渐发展，最终导致结构的失效或损毁。因此通常对土木结构的监测，更主要的是对其静态(或准静态) 情况的评估、监测。

      为了用埋入混凝土中的无源压电敏感阵列网络，同时对结构的静、动态监测，在文献[1，2 ]还提出，在结构中用一个或多个和用作敏感元件的相同压电元作为声源，在交变电压激励下，由于逆压电效应，压电元产生声振动，声波在结构中传播，结构的静、动态特性将对声波产生调制，阵列网络中的压电元作为敏感元件，将声波信号转换成电信号。最终实现静、动态参数的监测。

      压电换能器埋入混凝土后，压电特性保持不变。和在力学中自由边界比较，在混凝土的约束条件下，压电元件的电－声转换及声－电转换特性受结构的静态、准静态特性影响较小。压电换能器能够直接传感结构的动态变化，而结构的静、动态特性决定声传播特性，这样，压电机敏土木结构对结构的静态和动态都有敏感输出。

2　机敏原理

      混凝土固化后，埋入的压电元件和混凝土构件成为一个整体。由于压电效应的双向换能特性，其中的压电元件，可以作为机－电转换换能器，工程结构自身或者载荷引起的混凝土内应力、应变的变化就能使压电换能器产生电信号输出； 也可以作为电－机转换换能器在交变电场的激励下，产生声振动输出。埋入混凝土中的压电换能器的机电换能特性可表示为图1 的机电等效电路[ 4，5 ]。图中F1 和F2 分别是压电元件两个作用端面上的合力。U 是元件两端的电压。电容C0 是压电元的等效电容； 阻抗Zp1、Zp2 和Z 0，完全由压电元件的机电参数根据压电方程和波动方程决定。变压比A表征了元件的机电耦合性能。而阻抗Z 1 和Z 2 实际上等效的是压电元件的机械载荷条件：在两个作用端面上的力阻抗。这个三端口网络描述了压电元件的机电双向换能特性。当电－机换能时,U 是输入，F1 和F2 是输出。当机－电换能时，则F1 和F2 是输入，U 是输出。输出(输入) 阻抗Z 1 和Z 2，随着实际的力学边界条件而定。例如，当压电元件完全处于自由边界时，Z 1= Z 2= 0。

      对于埋入混凝土中的压电换能器，Z 1，Z 2≠0，它由混凝土的力学参数如密度、预应力和压电元件与混凝土的实际结合状态决定。所以无论是压电换能器的机输出，还是电输出，都能反应混凝土在埋入位置处的力学状态。但是，埋入的压电元件的数量相对于混凝土结构的工程尺寸是相当有限的。为实现整个混凝土结构监测，对在混凝土结构中的声振动信号进行探测。声振动在混凝土结构中从发射换能器发出传输到接收压电元，由于压电效应，产生电荷，得到电压信号。根据波在固体介质中的传播理论，波的传播速度

      式中T 是固体中的应力； Q是密度。声波在有损耗介质中传播时，能量被介质不断耗散或吸收，其振幅不断衰减，则其波动的质点位移场式中　R 为传播衰减因子；

     k 为介质弹性常熟； r 为质点的空间坐标； X 为波动频率；t 为时间。衰减因子依赖于固体材料性质。同时，固体材料对波的传播还有频散效应，即不同材料特性的固体对传播的波动信号频率有选通作用[ 6 ]。

      混凝土是非常不均匀介质。在工程制作时，很容易产生空洞、裂缝等现象，这样在其内部可能有非常多的波反射界面。混凝土结构本身状态的变化，如载荷、老化、破损等都将引起结构反射界面的改变，以至产生新的反射界面，所以波在混凝土中的传播是比较复杂的，不太可能用检测某一个传播参数来分析结构的内部状态。接收换能器拾取的波动信号的时间－频率结构，是波动在混凝土中传播的综合结果。因此通过检测从接收元得到的输出波形，分析其相对于激励波形的频率、相位以及能量变化，来识别混凝土结构内部的应力及载荷的静态状况。在同样的声源激励条件下，如果混凝土结构的状态发生变化，接收敏感元的输出信号将发生相应变化，这个变化主要反应了从激励元到接收元之间结构的状态变化。

3　机敏系统设计和信号采集

      根据监测原理，将压电元件埋入混凝土构件。由于土木工程结构的特点，构件的尺寸较大，为了得到混凝土结构中应力场的分布状况，而不是仅仅得到某点应力的大小，在试件中埋置了多个压电敏感元件，实现空间分布的测量。图2 为梁式试件，从左到右压电敏感元件分别编号为1～ 5# 。为了能够分析应力场的分布，在埋置压电敏感元件时，考虑了压电敏感元件的放置方向，以对各个不同方向的声波进行敏感接收。

      机敏结构系统如图3 所示。其中信号源仅当需要检测结构的静态特性时，提供激励信号，激励结构中的压电元产生声振动用于监测结构的静态参数。如果只需要监测结构动态特性，所有埋入的压电换能器全部作为接收换能器。

4　原理实验研究

       图4 (a) 是梁式构件中的2# 压电元对动态载荷的时域响应，图4 (b) 是对应的频谱。机械冲击载荷自左而右加载在图2 中的1～ 5# 压电元所在的位置，对应的机敏输出信号和频谱，从上至下，排列在图4 中。从频谱可以明显判断出冲击载荷作用的位置。其他位置作用的冲击，通过冲击振动波传递到2# 换能器，信号的能量明显减弱，由于结构参数的影响，有相当部分的频率成分被传播抑制。

      在上述梁式构件中，用1# 压电元作为电－机换能器，在谐波电压激励下产生声振动输出，其余压电元作为接收换能器。在梁上不同位置施加10 kg 静载荷。观察到，随着载荷的大小和位置的变化，输出换能器输出信号的幅值和相位均有变化。表1 列出了在相同载荷但施于不同位置时各输出换能器输出信号的幅值。由于采用的是梁式试件，在不同位置施加载荷时，其内部由于载荷造成的应力传递和分布关系较为复杂，从表1 所列的输出信号的幅值变化，还不能直接反映出变化的规律。但由前述的机敏原理分析知，结构对波动传播调制，包括多个振动参数，同时反映在输出信号的幅值、相位和频率变化上。

　　为了研究静态载荷对输出信号频率响应的影响，用1# 压电元作激励，同时使激励电压信号从低频到高频变化，频率范围为100 Hz～20 kHz，变化步长10 Hz。此时在不同位置的载荷下每个接收敏感元的响应曲线有所不同，不仅产生极值的频率点不同，而且极值本身的量值也不同。观察记录2# 压电元具有响应极大值(幅值) 点的频率见表2。

5　结束语

     本文提出了压电机敏混凝土结构系统原理和系统实现技术。实验结果表明，混凝土结构中的压电元可以直接将结构的动态变化传感为电信号输出。而且由于在混凝土中传播的声波的幅值、频率、相位都将受到混凝土状态的调制，所以利用埋入的压电元产生声激励，其他的压电元仍然作为传感器可以实现对结构静态特性的监测。由于整个监测的激励元和传感元都已经和被监测的结构形成了一个整体，所以监测中的不确定性相对减少，而监测输出信号的变化则应是由结构的状态变化引起的。

参考文献:

[ 1 ] W EN Yu2mei，L I P ing，HUAN G Shang2lian. Study on the readout of p iezoelectric distributed sensing new work embedded in concrete[J ]. SP IE，1998，3 330: 67－74.

[2 ] 文玉梅1 压电阵列传感器技术及其在机敏结构和空间分布测量中的应用研究[D ]1 重庆: 重庆大学，1997

[ 3 ] W EN Yu2mei. A non2integrated p iezoelectric passive sensor array for distributive sensing in smart structural system [ J ]，A ustralia，A delaide，SP IE，1997，3 241: 361－369.

[4 ] 栾桂冬1 压电换能器和换能器阵(上册) [M ]1 北京: 北京大学出版社，1990

[5 ] 王鸿樟1 换能器与聚焦系统[M ]1 上海: 上海交通大学出版社，1996

[6 ] 奥尔特B A 1 固体中的声场和波[M ]1 北京: 科学出版社，1982