壓電陶瓷片在結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應用作者：原著摘要：PZT不僅能用于制作各種壓電產(chǎn)品，近年來PZT正逐步應用于結構損傷檢測。根據(jù)壓電材料的正、逆壓電效應，PZT壓電陶瓷可同時作為驅(qū)動元件和傳感元件，將PZT粘貼在構件易產(chǎn)生裂紋或應力集中較大的地方，實現(xiàn)對裂紋的探測由于結構的機械阻抗或者頻率響應具有對損傷的高敏感性，使得它成為研究損傷識別的主要指標。關鍵詞：PZT；健康監(jiān)測；壓電阻抗；中圖分類號：(作者本人填寫)文獻標識碼：文章編號：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，壓電阻抗技術在結構健康診斷中應的研究越來越多。1995年Sun等人將壓電阻抗技術成功用于組裝衍架的結構健康診斷被認為是壓電阻抗技術在結構健康診斷領域應用的開始[1]。壓電阻抗技術的優(yōu)點是對結構出現(xiàn)的小損傷反應靈敏，有利于檢測出結構初期故障，而且壓電阻抗技術中常使用的壓電材料PZT(鋯鈦酸鉛壓電陶瓷)有體積小、結構簡單和工作可靠等優(yōu)點。另PZT只對其附近局部范圍內(nèi)的變化敏感，有助于分離出結構整體的質(zhì)量加載、結構剛度和邊界條件變化與PZT附近結構損傷對測量結果的影響，所以這種技術適用于來跟蹤監(jiān)測那些對結構完整性要求嚴格或是對結構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用于結構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和逆壓電效應的特殊的電介質(zhì)材料，壓電效應是法國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機械力（或釋放壓力）時，壓電體就會產(chǎn)生充放電現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應：反之，在壓電體上施加一個與極化方向相同(或相反)的電場，則會引起兩種效應：逆壓電效應和電致伸縮效應。逆壓電效應，即電介質(zhì)在外電場作用下產(chǎn)生機械變形，應變大小與所加電場大小成正比，方向與電場方向有關。電致伸縮效應，即電介質(zhì)存電場作用F，由于感應極化作用而產(chǎn)生應變，應變大小與電場平方成正比，與電場方向無關。逆壓電效應和電致伸縮效應實質(zhì)上都是電介質(zhì)晶體在外電場作用下產(chǎn)生極化的結果，并使晶格發(fā)生畸變，宏觀上表現(xiàn)為機械應變。壓電陶瓷(Piezoceramics)：通過配料混合，高溫燒結，粉粒之間發(fā)生固相反應后無規(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)動元件，并且能與其它材料互相嵌入構成復合材料，因此它有著廣泛的應用前景，比如在飛機機翼上用于飛機操縱，在振動系統(tǒng)中用于振動和噪聲的主動控制，在設備中用于結構的健康監(jiān)測，等等。PZT在智能材料結構中應用的主要特點有：①既可作為驅(qū)動器，又可作為傳感器；②作為驅(qū)動器時，它的激勵功率?。虎垌憫俣容^快，是形狀記憶合金的1OOOO倍；④尺寸可以做得很小和很薄，既可以安裝在結構表面，也可以埋入結構中；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結構PZT是Pbzro3和PbTio3的連續(xù)固溶體，呈ABO3鈣鈦礦結構。PZT發(fā)現(xiàn)于二十世紀五十年代初，是一種藿要的壓電鐵電材料，具有重要的技術應用價值。壓電陶瓷是不具有對稱中心的晶體電介質(zhì)材料，而不具有對稱中心的晶體電介質(zhì)除因?qū)ΨQ性極高而使逆壓電效應極小的432點群晶體外，在電場的作用下都不具有對稱中心的晶體電介質(zhì)由逆壓電效應所引起的形變，在電場的作用下，電介質(zhì)發(fā)生極化，由于最左側的副離予和最右側的正離子之間沒有離子鍵(及其他的化學鍵)，所以在極化過程中，它們之間可發(fā)生較大的相對位移，從而在宏觀上表現(xiàn)為較大的逆壓電效應。表示為：S=dE，與電場大小成正比。也就是說，在壓電材料中，電學量與力學量相互耦合，介質(zhì)中儲存的能量由兩部分組成，一部分是應變能，另一部分是電磁能。按照現(xiàn)代結構動力學理論，當設備及結構內(nèi)產(chǎn)生損傷和出現(xiàn)缺陷時，例如裂紋、螺栓松動等，它的剛性和機械阻抗特性就會發(fā)生變化，還會導致結構的固有頻率和模態(tài)的變化。因此，可以根據(jù)機械阻抗的變化，定量地給出損傷的程度。然而，機械動態(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、自傳感特性，PZT可同時作為驅(qū)動元件和傳感元件對結構進行激勵以獲取結構的動力響應，從而建立起機械特性與電信息的橋梁，機械動態(tài)阻抗信息的變化則可通過簡單的實測電信息反映出來。當對壓電陶瓷片表面施加一定外界電壓時，就會在梁的表面產(chǎn)生橫向表面力。這些表面力將會驅(qū)動梁產(chǎn)生不同的振動（當上下兩片PZT承受同向電壓時，將會使梁產(chǎn)生縱向振動；施加反向電壓時，則使梁產(chǎn)生彎曲振動）。反過來，振動又造成梁產(chǎn)生變形，變形的特征可以電信號的形式通過壓電陶瓷片的傳感特性反映出來。因此從粘貼在結構上的壓電陶瓷片動態(tài)導納特性，能夠反映出結構的損傷狀況[3]。根據(jù)壓電耦合效應，以及PZT與結構的相互作用可得到與頻率有關的導納(阻抗的倒數(shù))表達式為：（1）式（1）中Y（S）為電導納；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)動電壓的角頻率；δ為介電損失因數(shù)；Z（N·s/m）為結構的機械阻抗；（N·s/m）為PZT材料自身的機械阻抗；（Pa）為PZT在零電場時的楊氏模量。式(1)中的第一項為自由PZT的電容導納，是導納隨頻率變化的基線。第二項包含了PZT材料自身的阻抗信息和外部結構的阻抗信息?？紤]當壓電陶瓷片粘貼于外部結構后，已確定了壓電系統(tǒng)，PZT材料自身的阻抗又是常數(shù)，外部結構的阻抗值則是唯一影響第二項的參數(shù)，從而控制壓電系統(tǒng)全部導納Y的變化。當PZT的參數(shù)及性能保持恒定時，結構阻抗Z唯一地確定了式(1)第二項的值，因壓電導鈉的任何變化對應了結構損傷和缺陷，這樣就可以利用壓電導鈉的值對結構損傷進行識別。3PZT用于結構健康監(jiān)測的實現(xiàn)因為壓電元件的壓電效應及逆壓電效應，使得壓電元件具有了驅(qū)動及感知雙重功能，利用這一特性可實現(xiàn)結構的在線、實時健康監(jiān)測。具體實現(xiàn)原理如下圖所示：圖1PZT用于監(jiān)測結構原理圖中，一部分PZT材料通過電線與產(chǎn)生激勵信號的電源相連，通過電壓或電荷驅(qū)動電源施加一激勵信號(電壓或電荷)給PZT，因為PZT材料具有逆壓電效應，即在電場作用下會產(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動，此時的PZT相當于一個驅(qū)動器，通過接收激勵信號產(chǎn)生變形或運動，驅(qū)動基體材料。與此同時，在基體材料上布置一些PZT材料不與電源連接，當基體材料發(fā)生變形或運動時，會將這一變形或運動傳遞給PZT材料。由于PZT材料的壓電效應，其內(nèi)部會產(chǎn)生電荷，并且電荷的大小會隨變形或運動的大小而變化，此時的PZT就相當于一個傳感器。再用測量裝置將此PZT傳感器的輸出信號即時測量、采集下來，即可實時、在線的反映基體材料的變形或運動情況，從而實現(xiàn)對結構實時的、在線的健康監(jiān)測。將實時采集的數(shù)據(jù)與結構正常時的振動數(shù)據(jù)進行對比，看PZT輸出信號是否發(fā)生變化（比如結構的裂紋或松動等，理論上將會引起結構中PZT的輸出發(fā)生變化，如發(fā)生變化，則認為此結構已發(fā)生故障。當發(fā)生故障時，可及時將信號傳遞給控制器，對結構故障進行及時處理，實現(xiàn)結構的在線、實時監(jiān)測、故障診斷及故障處理。4結束語PZT可同時作為驅(qū)動元件和傳感元件對結構進行激勵以獲取結構的動態(tài)響應。利用正、逆壓電效應原理分析了壓電陶瓷片與外部結構間的動態(tài)響應關系。當外部結構發(fā)生改變時,相應的壓電阻抗也會發(fā)生變化，通過實測壓電系統(tǒng)的導納變,能實時預測出結構的狀態(tài)。PZT既適于宏觀損傷情況，又可監(jiān)測微小損傷情況，在今后對建筑物的結構健康監(jiān)測中有很好的發(fā)展前景。參考文獻:論文集中的析出文獻楊光瑜,楊擁民,陳仲生.PZT在機械損傷檢測中的應用[J].機械,2002,4:25-27.論文集中的析出文獻高峰,李以農(nóng),王德俊.用于結構健康診斷的壓電阻抗技術[J].振動工程學報,2000,3;94-99.張兢,徐霞,張志文.基于壓電陶瓷的結構損傷檢測技術[J].壓電與聲光,2006.28(3);350-356.SunFP,ChaudhryC,LiangC.TrussstructureintegrityidentificationusingPZTsensor-actuator[J].JournalofIntel