自制压电陶瓷传感器性能测试及其辨识混凝土开裂损伤试验

李 萌， 任 杰

(1.江苏省水利厅 机关后勤服务中心， 江苏 南京 210029；2.南京水利科学研究院 岩土工程研究所， 江苏 南京 210000)

1 概 述

水利枢纽工程广泛采用混凝土结构，其服役年限长达几十年甚至上百年，由于服役环境的复杂性，浇筑材料自身性能劣化以及设计、施工和运行管理过程中可能存在的不合理因素等[1]，混凝土结构难免会产生一定程度的损伤。对混凝土结构来说，开裂是损伤的主要表现形式之一[2]。选择合适的监测方法对混凝土结构进行健康监测，尽早识别结构损伤，对保证结构正常运行、减小经济社会效益损失以及保障人民生命财产安全都具有重要意义。传统的方法主要包括目测法、超声波法、渗透法、电涡流探伤法、磁粉检测法、射线法等[3]，但在实际应用中存在一些局限性，如：需要事先知道损伤的大概位置，对隐蔽部位损伤无法准确评估，或在检测损伤时，需要结构停止运作，造成了经济损失等。自压电效应[4]发现以来，利用压电陶瓷制成传感器，对结构进行损伤监测在很多领域都得到应用[5]。压电陶瓷集感知和驱动功能于一体，具有反应灵敏、频响范围宽、价格低廉、体积小、易剪裁等特点，将其制成传感器用于结构损伤监测，不仅可以识别结构局部损伤，还可以对结构整体损伤进行识别。同时，还可以对结构进行长期、连续、实时监测，因此，研究压电陶瓷传感技术在辨识混凝土结构开裂损伤中的应用具有重要的意义。

本文选用PZT-4型压电陶瓷制成环氧树脂基压电陶瓷传感器(epoxy resin based piezoelectric ceramic sensor，ERPS)，对其谐振频率、波形稳定性等指标进行了性能测试。基于此，开展了基于环氧树脂基压电陶瓷传感器的钢筋混凝土梁开裂损伤辨识试验，建立了基于小波包能量法的开裂损伤程度辨识指标，验证了环氧树脂基压电陶瓷传感器和能量指标应用于混凝土开裂损伤辨识的可行性。

2 压电陶瓷传感器的制作及其性能测试

2.1 压电陶瓷的制作

2.1.1 压电效应

压电陶瓷是人工制作的多晶压电材料，晶体具备介电性质和弹性性质，这两者之间的耦合效应称作机电耦合效应，而机电耦合效应的线性部分即是压电效应[4]。压电效应包含正压电效应和逆压电效应[6]，基于正、逆压电效应原理，可分别将压电陶瓷制成感知器和驱动器。感知器即感知结构的变形，继而通过表面电荷的积累产生电流信号。驱动器即通过控制外加电场的强度来控制结构的变形。

2.1.2 型号选用

常用压电陶瓷型号主要有PZT-4、PZT-5和PZT-8[7]。其中PZT-8是大功率发射型压电陶瓷，在医学领域使用广泛，如超声波手术刀、超声波美容等；PZT-5是接收型压电陶瓷，灵敏度高，主要用于传感器、加速度计等；PZT-4是接发两用型压电陶瓷，具备高机电耦合系数和高介电常数。由于本文将压电陶瓷作为接受信号和发射信号的传感器，并考虑到发射功率和传感器敏感度等因素，故选择PZT-4型号。

2.1.3 制作过程

压电传感器封装材料对其性能特性有一定影响，为使压电陶瓷传感器在混凝土结构裂缝损伤识别中发挥更好的效果，需选择合适的封装材料。采用水泥作为封装材料，制成的水泥基压电陶瓷传感器强度高，且与混凝土结构相容性好，使用最为广泛。但存在封装过程中水泥浆凝固快、传感器体积小不易搅拌振捣、封装过程中气泡使得传感器表面凹凸不平以致影响耐久性和信号识别性能等的缺陷。环氧树脂胶流动性好、凝固慢，凝固后强度较大，一定比例的环氧树脂胶和水泥浆混合制成的封装材料，既保留了水泥的强度以及与原混凝土结构的相容性，又具备环氧树脂胶流动性好的优点，使封装制成的传感器具备气泡少、耐久性好、强度高且防水的特点。基于此，制作环氧树脂基压电陶瓷传感器。其中，环氧树脂基原料质量比为固化剂∶树脂胶∶水泥浆=1∶1∶3，并加入少量的消泡剂以减少气泡的产生。

2.2 性能测试

测试混凝土梁的尺寸为150 mm×150 mm×550 mm，将ERPS传感器按图1所示埋入到混凝土梁里，压电陶瓷片极化方向沿混凝土梁长度方向。借助压电智能测试系统进行信号发射、采集与处理。压电智能测试系统由Dspace实时仿真系统、数字滤波器和Agilent33250A任意波形发生器组成。Dspace实时仿真系统为信号采集系统，是一套基于Matlab/Simulink的控制系统开发与结构测试平台，可同时做到数字信号的产生和系统的控制。数字滤波器可通过低通滤去高频噪声或通过高通滤去低频交流电信号，同时起增益放大信号的作用。Agilent任意波形发生器用于发射正弦波、方波、脉冲波等任意测试波形。

图1 传感器埋设位置(单位：mm)

2.2.1 谐振频率点分析

图2 ERPS-2和ERPS-3幅值指标和指标平均值

从图2可以看出在发射频率为92 kHz时，幅值指标达到最大值。因此，ERPS谐振频率为92 kHz，后续试验中将信号发射频率定为92 kHz。

2.2.2 频率和波形稳定性测试

ERPS-1作为驱动传感器，ERPS-2作为感知传感器，进行频率和波形测试。ERPS-1发射频率为92 kHz、幅值为10 Vpp的正弦波，ERPS-2分别在25 kHz和1 000 kHz采样频率下接收的信号如图3所示。

图3 不同采样频率下接收信号

从图3可以看出，采样频率越大，接收的信号数据点越多，波形图越精细。发射频率为92 kHz时，不同采样频率下0.1 ms内接收到的波峰都为9个，不同采样频率对接收到的波形及其稳定性影响较小。

3 混凝土梁开裂损伤辨识试验

3.1 方案设计

混凝土梁及传感器布置位置、方式同图1。钢筋混凝土梁切缝位置和实物图如图4所示。将ERPS-1作为驱动传感器，与Agilent波形发生器相连接，ERPS-2和ERPS-3为接收器，与dspace信号采集装置相连接。波形发生器发射92 kHz、10 Vpp的正弦波，分别测定梁在无损状态和梁正中位置存在5 mm、10 mm、20 mm、30 mm深裂缝时的接收信号，探究响应信号与裂缝深度间的关系。

图4 混凝土梁开裂损伤辨识试验梁切缝位置(单位：mm)

3.2 损伤辨识能量指标

当混凝土结构存在损伤时，压电驱动器通过逆压电效应激发出应力波在传播的过程中经过损伤部位就会被吸收或是被散射，导致压电感知器接收到的信号产生能量衰减或变化，故通过分析压电感知器接收的信号所含能量的变化可探测被测结构是否存在损伤以及损伤程度。由于响应信号具有非线性非平稳特点，信号高频和低频部分均可能包含重要特征分量，借鉴已有研究成果[9]，通过小波包多分辨率分析方法进行响应信号频带划分和能量计算。

假设压电陶瓷传感器采集的结构响应信号为X(t)，利用小波包ψj,i(t)对其进行j层小波包多分辨率分解，第j层可得到2j个等宽度的频带Xi(t)(i=1,2,…,2j)和小波包分解系数cj,i。利用小波包分解系数和小波包重构各个频带信号，以Ei表示第i个频带的能量，则

(1)

响应信号所含总能量等于其分解所得各频带信号所含能量之和，总能量指标E表示为

E=∑Ei

(2)

3.3 成果分析

3.3.1 响应信号对比分析

图5为钢筋混凝土梁无损伤、裂缝深度为5 mm和10 mm时ERPS-2接收的信号，信号的采样频率为1 000 Hz。

图5 不同损伤程度ERPS-2接收信号

从图5可以看出有损伤时的信号幅值比无损工况信号幅值小，并且随着裂缝深度增大，信号幅值减小。试验结果表明，压电传感器接收信号幅值随损伤程度的增加而减少，由信号幅值的变化可初步诊断结构损伤存在与否。

3.3.2 能量谱损伤识别

对无损工况和6种损伤工况下ERPS-2传感器接收的信号进行小波包能量谱分析。无损工况的能量谱如图6所示，对比能量谱图可知，5 mm裂缝和无损工况下的能量谱基本相同，随着裂缝深度加大，各频带上能量开始发生较大变化，大致规律为开裂损伤较小时能量谱分布较平均，随着开裂损伤的变大，能量谱向第一频带集中。

图6 梁无损情况下能量谱

3.3.3 小波包能量指标损伤识别

将ERPS-2和ERPS-3的响应信号的总能量随裂缝深度的变化过程绘于图7。

图7 总能量指标

从图7可以看出，随着裂缝深度加大，总能量指标减少，符合开裂损伤程度越高，应力波能量衰减越多的规律；由于ERPS-2埋设位置更靠近裂缝，响应信号能量衰减程度越高，故总能量小于ERPS-3，该指标可用于损伤的初步定位。

4 结 语

(1)在研究压电陶瓷基本性质的基础上，制作了一种环氧树脂基压电陶瓷传感器，并对其进行性能测试，获得了传感器谐振频率点，测试结果表明自制环氧树脂基压电陶瓷传感器频率和波形稳定性好，响应灵敏度高。

(2)开展了基于环氧树脂基压电陶瓷的钢筋混凝土梁的开裂损伤辨识试验，对响应信号进行小波包多分辨率分析，建立了响应信号衰减能量指标，对混凝土开裂损伤程度进行了较准确辨识。

(3)压电陶瓷传感器封装材料和传感器形状有待进一步优化，研究出适用于不同工程结构的多样性压电陶瓷传感器。同时，实际混凝土结构体积庞大，需进一步研究传感器优化布置，以获得能反应结构整体状态的完备振动信息。