（固体力学专业论文）结构健康监测中的压电传感技术研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单 位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 作者签名：勾燃日期：啦年生月上曰 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其 它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：燃 导师签名 日期：丝匕年上月上日 摘要 近年来，随着现代科技的迅速发展以及人们安全意识的逐渐提 高，工程结构的健康监测和损伤识别问题逐渐被人们所重视，实时、 在线的结构健康状况诊断方法研究已成为了当前土木工程学科十分 活跃的领域。结构健康监测技术是一门建立在多学科基础上的综合性 新技术。智能材料的发展为结构健康监测提供了一些新的途径，而压 电材料正是目前智能结构系统研究中应用最多的一种传感和驱动材 料，其因具有响应快，频响范围宽，易剪裁，价格低廉等特点而在工 程结构健康监测方面存在着巨大的应用潜力。本文在国家自然科学基 金( n o 5 0 7 7 8 1 7 9 ) 的支持下进行了结构健康监测中压电传感技术的 研究。论文所开展的主要研究工作和取得的主要成果如下： 首先，基于压电传感机理，推导了采用压电陶瓷传感器进行应变 传感的计算公式，给出了传感器灵敏度表达式；同时从信号提取角度 分析比较了电压放大器和电荷放大器的差异，论证了电荷放大器能够 克服引线电缆影响的优越性。 接着，针对厚剪模式的压电传感器，推导了基体结构应变与压电 传感器应变的传递关系，m a t l a b 数值结果表明：为了提高变形传 递能力，获得较好的输出电信号，应尽量选择厚度较薄的压电陶瓷片， 且质地较软的压电片具有更好的灵敏度；另外，对于有损材料，其压 电传感器的输出响应随损伤因子变化明显，损伤程度越高，压电传感 器的灵敏度越低。 最后，根据p z t 的机电耦合特性，详细推导了压电元件的电阻 抗与结构机械阻抗之间的关系，为集压电传感驱动一体化的结构健 康监测提供了理论根据，即如果结构中存在缺陷或损伤，其机械阻抗 将发生变化，则粘贴在结构表面p z t 电导纳的变化可以直观反映出 结构机械阻抗的变化。分别对单个压电片和粘有压电片的结构进行 a n s y s 建模，分析其模态频率及振型；介绍了压电阻抗的数值分析 方法，进行了交变电压激励下的压电谐响应分析，并对压电导纳谱进 行了分析。研究表明，在高频范围内，基于压电阻抗的数值分析方法 能够判断结构的微小损伤，从而为结构健康监测提供有力的依据。 关键词：压电传感器，灵敏度，输出响应，机电耦合，传感驱动一 体化 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g ya n dt h er i s i n g s a f e t ya w a r e n e s so fp e o p l e ，s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n ga n dd a m a g e d e t e c t i o nh a v ea t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s ，t h e s t u d yo n r e a l - t i m ea n do n - l i n es t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n gh a sb e c o m eo n eo ft h e m o s ta c t i v er e s e a r c hf i e l d si nc i v i le n g i n e e r i n ga sw e l l s t r u c t u r eh e a l t h m o n i t o r i n gi san e wt e c h n o l o g yb a s eo nm u l t i d i s c i p l i n a r yi n t e g r a t i o na n d h a sa c q u i r e dan o v e lm e t h o do na c c o u n to ft h ed e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n t m a t e r i a l s p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s ，w i t hf u n c t i o n so fb o t hs e n s i n ga n d a c t u a t i n g ，h a v eb e c o m eo n eo f t h em o s tw i d e l yu s e di n t e l l i g e n tm a t e r i a l s i ns t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，o w i n gt oi t sd i s t i n c ta d v a n t a g e s ，s u c ha s q u i c kr e s p o n s e ，b r o a d b a n df r e q u e n c ya n dl o wp r i c e s u p p o r t e db yt h e n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( n o 5 0 7 7 8 17 9 ) ， p i e z o e l e c t r i cs e n s i n gt e c h n o l o g yi ns t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gh a sb e e n s t u d i e d i nt h i st h e s i s ，t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h ec a l c u l a t i n gf o r m u l a t i o na n dt h es e n s i b i l i t ye x p r e s s i o nf o r p i e z o e l e c t r i cc e r a m i cs e n s o ra r ed e d u c e db a s e do np i e z o e l e c t r i cs e n s i n g p r i n c i p l e s a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nv o l t a g ea m p l i f i e ra n dc h a r g e a m p l i f i e ri sc o m p a r e do nt h ep o i n to fs i g n a le x t r a c t i o n ，d e m o n s t r a t i n g t h a tt h ec h a r g ea m p l i f i e rh a st h ea d v a n t a g eo f b e i n gn o ta f f e c t e db yw i r e c a b l e s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ep i e z o e l e c t r i cs e n s o ri nt h i c k n e s s - s h e a r m o d e ，t h es t r a i n t r a n s f e rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh o s ts t r u c t u r ea n dt h e p i e z o e l e c t r i cs e n s o ri so b t a i n e d ，t h en u m e r i c a lr e s u l t so fw h i c hi l l u s t r a t e t h a tt h et h i na n ds o f tp i e z o e l e c t r i cp a t c hi ss u p p o s e dt ob ec h o s e ns ot h a t t h eb e t t e ro u t p u to fe l e c t r i cs i g n a lc a nb ee a s i l ya c q u i r e d m e a n w h i l e ，t h e o u t p u tr e s p o n s eo ft h es e n s o rc h a n g e sa l o n gw i t ht h ed a m a g ef a c t o r ：t h e h i g h e rd a m a g ed e g r e e ，t h el o w e rs e n s o rs e n s i b i l i t y f i n a l l y ，b a s e d o nt h ee l e c t r o m e c h a n i c a l c o u p l i n gt h e o r y ，t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ee l e c t r i ci m p e d a n c eo fp i e z o e l e c t r i ce l e m e n ta n d t h em e c h a n i c a li m p e d a n c eo fh o s ts t r u c t u r ei sd e d u c e ds ot h a tt h e p i e z o e l e c t r i cs e n s o r a c t u a t o ri n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yf o rs t r u c t u r eh e a l t h m o n i t o r i n gi s o b t a i n e d t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n dt h e a p p l i c a t i o n s f e ms o f t w a r ea n s y si n p i e z o e l e c t r i ca n a l y s i s a r e i n t r o d u c e d t h em o d a l 仔e q u e n c ya f f e c t e db ys t r u c t u r a lc r a c ki ss t u d i e d a n dt h e p i e z o e l e c t r i c 行e q u e n c y - a d m i t t a n c es p e c t r u mu n d e rr e s o n a n t v o l t a g ee x c i t a t i o n i s a n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tp i e z o e l e c t r i c i m p e d a n c ea n a l y s i su s i n gf e mi sa b l et od i s t i n g u i s ht h et i n yd e f e c t i o no f t h es t r u c t u r ea n dt oe s t i m a t et h e e l e m e n t a r ye x p a n s i o no f t h ec r a c k k e y w o r d s ：p i e z o e l e c t r i c s e n s o r , s e n s i t i v i t y , o u t p u tr e s p o n s e ， e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n g ，s e n s o r a c t u a t o ri n t e g r a t i o n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义l 1 2 国内外研究现状4 1 2 1 基于压电陶瓷传感器的被动监测4 1 2 2 基于压电陶瓷传感器的主动监测5 1 3 本文研究内容8 1 4 课题来源9 第二章压电传感器用于结构健康监测的基本理论1 0 2 1 智能材料结构l o 2 2 压电效应及压电材料1 2 2 2 1 压电效应。1 2 2 2 2 压电效应的晶体物理学基础1 3 2 2 3 压电材料。1 4 2 2 4 压电材料的分类及重要参数1 4 2 3 压电方程l7 2 3 1 四类边界条件17 2 3 2 四类压电方程。1 8 2 4p z t 压电陶瓷传感器用于结构健康监测的实现1 9 第三章：压电传感器机理及其传感信号的提取2 1 3 1 引言2 1 3 1 一维压电方程的简化2 1 3 2 压电传感计算式的建立2 3 3 2 1 结构模型2 3 3 2 2 压电传感器输出电压表达式。2 4 3 3 压电传感器的信号拾取2 4 3 3 1 压电元件的两种等效电路2 4 3 3 2 压电元件与测量仪器连接的等效电路2 5 3 3 3 电压放大电路2 7 3 3 4 电荷放大电路3 0 3 4 小结3 2 第四章：厚剪模式下压电传感理论及数值分析3 3 4 1 引。言3 3 4 2 无损材料理想粘贴压电片模型3 3 4 2 1 理论分析3 3 4 2 2 数值算例3 8 4 3 无损材料考虑粘贴层模型4 1 4 3 1 理论分析4 2 4 3 2 数值算例4 8 4 4 有损材料考虑粘贴层模型5 1 4 5d 、结5 4 第五章：基于压电阻抗的驱动传感一体化理论及数值分析5 5 5 1 引。言5 5 5 2 基体结构的机械阻抗5 5 5 3 耦合压电阻抗分析5 7 5 4a n s y s 数值分析6 0 5 4 1 关于a n s y s 中的耦合问题。6 1 5 4 2 压电耦合单元的选择6 l 5 4 3 模态分析6 2 5 4 4 电压激励下压电阻抗谐响应分析6 7 5 5 小结6 8 第六章总结与展望6 9 6 1 结论6 9 6 2 展望7 0 参考文献。7 1 攻读硕士学位期间发表的论文及主要的科研情况7 8 致谢7 9 中南人学硕十学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 近年来，随着社会生产力的发展、科技的同新月异以及人类社会对生活质量 需求的不断增强，土木工程结构逐渐趋向复杂化和多样化。大型复杂的土木工程 结构一般使用年限长，并且一旦建造将很难替换，然而，环境侵蚀、材料老化、 荷载的长期效应、疲劳效应以及突变效应等不利因素的耦合作用必将导致结构中 存在着肉眼不可见的潜在缺陷，它们往往会造成结构和系统中不可避免的损伤累 积和抗力衰减，使得结构抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情 况下甚至可能引发灾难性突发事故【l 捌。例如：加拿大魁北克桥在施工中发生压杆 失稳等，导致桥梁垮塌，造成人身伤亡和财产损失；美国塔列玛海峡桥为悬索桥， 主跨8 5 3 m ，1 9 4 0 年在风速为1 9 m s 的吹动下，造成悬索桥加劲梁被风毁；1 9 9 4 年1 0 月韩国汉城发生了横跨汉江的圣水大桥中央断塌5 0 m ，其中1 5 m 掉入江中， 造成死亡3 2 人，重伤1 7 人的重大事故；1 9 9 4 年1 月1 7 日的美国j j n ) w 1n o r t h r i d g e 大地震，造成9 0 0 0 多人受伤，6 2 人死亡，2 5 0 0 余座建筑毁坏的严重损失；1 9 9 5 年同本神户( k o b e ) 大地震之后，一些建筑物在遭受主震后，并未立即倒塌，但结 构却已经受到严重损伤，由于未能及时发现，其在后来的余震中倒塌了【3 1 。2 0 0 4 年6 月，我国辽宁盘锦市境内辽河大桥中孔突然倒塌( 如图1 1 ) ；2 0 0 4 年9 月， 京杭大运河苏州段横塘亭子桥( 人行桥) 被货船撞塌；2 0 0 7 年8 月1 3 日，湖南 湘西风凰县的凤凰公路桥，在竣工前夕轰然垮塌，造成4 7 余人死亡，2 2 人重伤 的严重事故，损失惨重：另外，去年发生的“6 2 7 上海莲花河畔景苑塌楼事故， 造成一在建1 3 层楼盘工地发生摔体倒覆事件，一名工人当场死亡。 上述这些事实表明，大型生命线工程，如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、 大型水坝核电站、海洋采油平台以及输油供水供气管网系统等，在外部荷载以及 施工等不利因素的影响下极易发生损坏，它们损伤的特点是隐密性萌生、长期性 累计、非线性增长和突发性爆发。因此，对重大工程结构进行实时在线健康监测 与损伤诊断以及对灾害的提前预警，或对结构进行损伤评估及剩余寿命预测显得 极为重要。为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，发展一套性能高 效、操作简便和易于观察的结构实时在线健康监测技术具有重要的理论意义和实 际应用价值。 图1 0 1 辽宁盘锦市辽河大桥中孔突然倒塌 图1 0 2 湘西凤凰县凤凰公路桥竣工前突然塌跨 2 中南人学硕 学位论文第一章绪论 图1 3 上海莲花河畔景苑一栋1 3 层楼盘塌楼事故 从目前国内外结构监测的研究现状可以很明显地看出，新方法及新技术的应 用是一个共同的发展趋势。作为新兴的技术材料的典型，智能材料在军事、医学、 建筑和纺织服装等领域有着广阔的发展前景，其应用使结构具有了自诊断的功 能。智能结构系统概念的产生，使得力学意义上“死”的结构，转变为具有某些 仿生功能和生命特征的“活 的结构，使现有广泛采用的离线、静态、被动的检 查，转变为在线、动态、实时的健康监测与控制。智能材料以及智能结构将使得 土木工程结构安全监控以及防灾减灾的思路产生质的飞跃，并将引起工程设计思 想的一场革命1 4 j 。 智能材料结构，是将具有仿生命功能材料( 如传感元件、驱动元件和控制系 统) 融合于基体材料中，使工程结构及构件具有人们期望的智能功能。这种结构 不仅具有承受载荷的能力，还具有识别、分析、判断以及动作等功能f 5 j 。它能感 知外界环境的变化及自身的实际状态，并能通过自身的感知，作出判断，发出命 令，执行和完成动作，实现动态或在线状态下的自检测、自诊断、自修复及自适 应等多种功能。9 0 年代以来，欧美、同本等国以及中国在建筑物、铁路、桥梁、 海洋平台、水坝和高速公路等结构的健康监测和安全评定的智能结构系统研究等 方面形成了多学科交叉研究热点，并取得了一些实质性的进展1 6 j 。 在众多智能材料中，压电材料以其特有的驱动和传感功能成为近年来在土木 工程界广泛研究和应用的智能材料之一。因其在传感方面具有响应快，频响范围 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 宽，易剪裁，价格低廉等特点而在结构健康监测方面存在着巨大的应用潜力 【7 - 】【8 1 【9 1 【1 0 】【1 1 1 1 1 2 】。最近二十年，随着智能材料技术的发展，人们发现压电陶瓷材料 ( p z t ) 是非常有潜力的结构激振和感应材料。例如，在交变电压( 1v o l tr m s ) 的作用下，一块尺寸在2 0 m m x 2 0 m m 0 2 m m 的压电陶瓷晶片能够在高频范围 ( 3 0 4 0 0 k h z ) 有效地局部激振结构。更为重要的是，由于压电陶瓷的机电耦合 性能，它同时还能接受结构返回的小尺度损伤信息【1 3 , 1 4 1 。因此，基于智能材料的 损伤 g i n 技术己成为结构健康监测领域的研究前沿1 1 5 】【1 6 】【1 7 】【1 8 】【1 9 1 1 2 0 1 ，并且可发展 出集压电驱动传感一体化技术的、主动的结构实时在线安全监测系统。 1 2 国内外研究现状 近年来，国内外采用压电陶瓷传感器( p z t ) 进行结构健康监测和损伤诊断 的研究主要分为两大类：被动监测法与主动探测法，它们的分类依据主要是看有 无激励元。根据监测识别方法的不同，主动探测法又可划分为机械阻抗法和波传 播分析法两种。在监测过程中，根据需要，压电陶瓷可以粘贴在结构表面或者埋 入结构内部进行监测。 1 2 1 基于压电陶瓷传感器的被动监测 压电材料的高阻抗特性，使得压电陶瓷传感器适合于动态力学量的测量，不 适合于测量频率太低的被测量，更不适合于测量静态型2 1j 。但是压电材料具有 对应变变化的高敏感性，这就使得采用压电陶瓷材料的被动监测多集中在对结构 的动态状态监测以及对结构所受冲击荷载的识别与定位中。 石荣等【2 2 】在分析了压电阵列传感原理的基础上，采用压电阵列对柔性结构 的损伤进行监测，通过传感器所得到的结构动态应变信息来反映结构的损伤程度 和损伤位置。试验中，通过在柔性板上引入不同长度的裂纹来模拟不同等级的损 伤，由压电阵列来获取数据，从柔性板上的应变能量分布变化来初步确定损伤的 位置和损伤程度。 l i 等【2 3 】将压电陶瓷应用于试验室中模拟的交通人流量和车流量的监测。此 外，杨晓明【2 4 】将压电陶瓷放入一个一榀钢筋混凝土框架结构中，对其在模拟地 震动作用下的变形进行监测。结果表明：所研制开发的压电传感器能够正确反映 结构在地震动作用下内部应力的变化情况。 无论是在航空航天领域，还是在土木工程领域，某些情况下冲击荷载对结构 产生的影响不容忽视。对冲击荷载作用的辨识以及对该种作用下结构的变形监测 尤为重要。压电材料响应快，对动载荷具有高度敏感性，而且易剪裁，使用方便， 4 中南人学硕十：学位论文 第一章绪论 使得其在绝大多数结构冲击荷载测试中被采用。 在对复合材料的冲击荷载识别领域，周晚林等【2 犯6 】采用压电陶瓷对飞机结构 中常用的3 0 0 碳纤维复合材料层压板试件上所施加地冲击荷载进行识别和监 测。过程中建立压电智能结构，并实测荷载的输出响应，结合b p 神经网络与有 限元逆向分析对荷载的位置和大小进行识别。 s e y d e l 等【2 7 。2 8 l 对加筋复合材料板所受的低速冲击力的位置和时程的实时辨 识进行研究。试验中将压电陶瓷埋入到复合材料板中，监测用于验证识别冲击荷 载算法的应力波时程。通过最小化数值模拟结构响应与实际结构响应的误差来识 别冲击位置。将该方法应用于不同介质的冲击作用的辨识，效果较好。 s o n g 等1 2 刿将压电陶瓷放入混凝土梁中，监测高速路桥受超载货车撞击的响 应。试验中由埋于混凝土梁板中部的传感器来监测撞击力的大小以结构两端的 压电陶瓷传感器来主动探测由撞击所产生的混凝土疲劳损伤。结果表明：埋于混 凝土中的压电陶瓷能够正确反映结构在撞击下的响应情况，而且压电陶瓷的输出 随着撞击荷载的增大而呈近似线形的增长趋势。 1 2 2 基于压电陶瓷传感器的主动监测 压电材料不但在动态的被动监测中具有很好的性能，而且其由于逆压电效应 以及自身响应频带范围宽等优点，它还能够以高频激振的形式对结构进行扫描监 测。基于压电陶瓷的结构主动监测主要包括机械阻抗分析法及波动分析法。 ( 1 ) 机电阻抗法( e m i ) 该方法是一种进行实时诊断的健康监测技术，特别是对局部初始损伤非常敏 感p 州。常用的压电材料是p z t 薄片，通过测量p z t 电阻抗的变化来判断结构 中的损伤状态。近年来，压电阻抗技术在结构健康诊断中应用的研究越来越多。 s u n 等 3 1 , 3 2 j 是压电阻抗技术的开拓者，并将压电阻抗技术成功用于组装衍架的结 构健康诊断被认为是压电阻抗技术在结构健康诊断领域应用的丌始【3 3 】。接着， c h a u d h r y 等 3 4 , 3 5 1 通过对不同结构早期损伤阻抗频谱的对比分析来运用机电阻抗 技术对结构进行健康监测。p a r k 等人【3 6 】应用压电陶瓷贴片也发现并记录了结构 的机械阻抗。g i u r g i u t i u 等人1 37 j 利用压电陶瓷贴片所测到的结构机械阻抗的谱特 征，检测出结构的仞始裂缝。q u i n n 和l o p e sv j r 掣3 8 3 9 】利用新型方法来分析 机电阻抗谱及研究结构损伤的识别。 随着机电阻抗技术的发展，它也逐步在土木工程领域展开应用。比如用于监 测钢桥结构【4 0 】、混凝土强度4 、焊接节剧4 2 1 、地下管线结构【4 3 】，钢筋混凝土桥 梁结构【4 4 , 4 5 1 等。 a y r e s 等人1 4 6 j 应用压电陶瓷贴片对1 4 钢桥模型节点连接状况进行研究，整 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 个实验结构重达5 0 0 多磅，可认为是典型的承重式土木工程结构。将3 个传感 器分别贴于关键部位，以检测出由于节点松脱而造成的局部损伤以及其对结构整 体的影响。结果证实，应用他们提出的实时机械阻抗法可以有效地在损伤初始阶 段发现损伤。 为了更好地应用机械阻抗方法通过压电陶瓷传感器对损伤位置进行判断， e s t e b a n 等人【4 7 】通过对压电陶瓷传感器激励所产生的波在结构中的传播特性的分 析来实现，他们发现由于采用高频激励，压电陶瓷传递器可以有效地判断出损伤 能量的发射点。但该方法只能进行定性分析。因而，欲对损伤的实际状态进行定 量监测还需进一步研究提出其他方法。 t s e n g 等人【4 8 】利用压电陶瓷换能器对在铝板上模拟的不同的损伤进行检测， 将p z t 换能器的机械阻抗特征值作为损伤因子，对不同方位的模拟开孔损伤进 行检测。研究p z t 换能器导纳( 阻抗的倒数) 的变化，以确定损伤的位置、程 度和大小。应用r m s d 法( r o o t m e a n s q u a r ed e v i a t i o n ) 对受损前后的状态进行 分析，计算式如下： r m s d ( ) = ( 乃一毛) 2 ，= l 罗# 1 0 0 ( 1 - 1 ) 式中，五，y j 分别代表损伤前后压电陶瓷传感器的信号值。实验结果表明： 压电陶瓷对高频激励很敏感，并且对不同的试验样本，利用r m s d 值可以使压 电陶瓷传感器很灵敏地对损伤进行定位。该机械阻抗损伤检测法的优点，在于不 用预先知道结构模态参数的信息。 s o h 等人【4 9 】利用压电陶瓷传感器对施加破坏荷载的原型混凝土桥进行健康 监测，实验中共采用2 1 个压电陶瓷传感器，贴于预计会产生损伤的部位及其邻 近区域。每个压电陶瓷传感器的2 个电极均露在外表面，利于信号接收。监测过 程中分别在两跨跨中加循环荷载，然后再同时加循环荷载。对压电陶瓷传感器用 高频激励，计算监测损伤前后信号导纳实部的r m s d 值来鉴定混凝土内部的裂 缝。用该指标对损伤进行定量分析，结果表明：压电陶瓷传感器可以很好地确定 损伤状态。同时，实验者还发现离损伤越近压电陶瓷传感器所测信号的变化越明 显。 尽管结构的机械阻抗是结构参数的直接反映，但由于实际环境多为高频情况 其测量困难。新加坡南洋理工大学的b h a l l a 等人1 5 0 j 利用贴于结构表面的p z t 来获耿结构的机械阻抗信号，实验者在损伤诊断过程中充分利用信号的实部和虚 部信息，在提取结构参数的基础上提出了定量分析损伤的复杂损伤矩阵，也就是 6 中南人学硕十学位论文第一章绪论 将压电陶瓷贴片用单自由度的刚度、质量和阻尼来等效。该方法不用预先知道结 构的模态信息，通过在振动台上对2 层钢筋混凝土结构进行地振动监测，验证了 该方法的有效性。 以上论述说明机电阻抗方法( e m i ) 在超声频率范围对结构早期损伤非常有 效，而这些早期损伤对传统的低频振动方法来说，是微不足道，以至于对结构整 体性能没有影响。因此，机电阻抗方法( e m i ) 表现出对结构早期损伤高的敏感 性证明它更适合用作结构损伤的识别。尽管阻抗方法与模态方法类似，但与模态 方法依赖于低频模态相反，阻抗方法依靠高频模态，它能识别出局部的、微小的 结构状态的变化。 ( 2 ) 波动分析法 该方法最初由斯坦福大学的c h a n g d l , 5 2 】等提出，其最初的试验是利用埋入式 压电陶瓷传感器在复合材料结构内部激发出的诊断应力波对结构损伤进行监测。 根据不同激励条件下所产生的应力波的不同，波传播分析法又可以划分为基于压 电陶瓷的纵波监测( m o n i t o r i n gb a s e do nl o n g i t u d i n a lw a v e ) ，表面波监测 ( m o n i t o r i n gb a s e do nr a y l e i g hw a v e ) ，板波监澳e j ( m o n i t o r i n gb a s e do nl a m bw a v e ) 以及声发射监测技术( m o n i t o r i n gb a s e do na c o u s t i ce m i s s i o n ) 。针对土木工程结构 中的不同损伤，如钢筋脱粘、屈服以及混凝土裂缝等，压电陶瓷在结构中的埋放 位置各有不同。 针对钢筋混凝土内部的损伤，w a n g 等分别对钢筋脱粘损伤和钢筋屈服损伤 进行监测。在对钢筋脱粘损伤进行监测的过程中发现，应力波信号的峰值随脱粘 尺寸的增大成线性关系增长。在对钢筋屈服损伤的监测中发现，应力波信号的到 达时间在钢筋弹性范围内基本保持不变；当钢筋屈服以后，到达时间随着屈服程 度的增强呈近似线性的增长趋势。根据应力波在这两项试验中的传播特性，能够 采用其所建立的系统对钢筋混凝土结构的损伤进行在线监测。 s o n g 掣 j 将压电陶瓷埋入钢筋混凝土桥t 型梁结构中，对结构内部在竖向 荷载作用下产生的裂缝进行监测。试验中将p z t 压电传感器连成网络，以扫频 波作为激励信号，选用不同的p z t 作为驱动器，其他p z t 作为传感器，对监测 区域进行扫描。试验结果表明，所埋放地压电陶瓷传感器能够很好地识别混凝土 内的裂缝产生和开展。此外，s o n g 等【5 4 1 将压电陶瓷埋入以形状记忆合金为主筋 的混凝土梁中，建立了混凝上结构的自监测自修复系统。试验结果表明，压电陶 瓷能够很好地预示裂缝的产生。 文玉梅等 5 5 , 5 6 j 将压电陶瓷元件埋入混凝土构件中，形成敏感网络，来无源、 主动、不间断的对混凝上结构的动态特性进行在线监测。该思想解决了土木工程 结构监测中空间大范围分布、时效性以及能耗要求的问题。 7 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 哈尔滨工业大学的王锐【5 7 1 将四只压电陶瓷片粘贴于疲劳荷载作用下的纳米 混凝土梁表面的不同位置，采用窄带激励信号对混凝土梁进行监测。过程中选用 10 v 6 0 0 h z ，8 0 0 h z ，以及1 0 0 0 h z 的正弦激励信号对混凝土梁进行激励。试验结 果表明，压电陶瓷的响应信号能够很好地预示裂缝的产生；根据不同位置处p z t 响应信号的不同，有效的识别出了损伤产生的区域。此外，作者还发现，p z t 距离损伤越近，信号变化越明显。 钢材质地轻，强度高，施工方便，快捷，钢结构在土木工程结构中所占的比 例越来越高，因而对钢结构的健康监测极为重要。 哈尔滨工业大学的李玲【5 8 j 针对钢结构损伤，利用压电陶瓷对金属结构的疲 劳裂纹以及螺栓松动损伤进行监测。过程中将p z t 贴在处于正弦循环荷载作用 下的金属板上，对板在预置缝附近的疲劳损伤进行监测。试验过程中，在适当的 时刻停止试验机，对试件进行敲击测试，以压电陶瓷的响应来反馈试件的自振频 率变化。试验结果表明，不同位置处的压电陶瓷对裂纹损伤具有不同的响应，在 不同时刻下p z t 的输出能够定性得到损伤位置以及大小。在对结构螺栓松动损 伤的监测中，根据p z t 信号的频率变化能够识别出采用应变片不能识别的损伤。 i h n 和c h a n g 5 9 , 6 0 1 等建立了基于埋入式诊断技术的金属结构疲劳裂缝监测系 统。该系统包括诊断信号，埋入式压电陶瓷换能器，信号处理以及损伤诊断四个 部分。试验结果表明，所建立的损伤指标与疲劳裂缝的产生过程具有很好的相关 性。 1 3 本文研究内容 本文各章内容安排如下： 第一章阐述了课题的研究背景及意义，综述了结构健康监测的国内外研究现 状，介绍了基于压电陶瓷传感器的被动监测和主动监测方法；最后说明了本文的 主要研究内容和课题来源。 第二章介绍了压电传感器应用于结构健康监测的基本理论，包括压电效应及 压电材料，四类压电方程及边界条件以及p z t 压电陶瓷传感器用于结构健康监 测的实现。 第三章从压电方程入手，推导了采用压电陶瓷传感器进行应变传感的计算公 式，给出了传感器灵敏度表达式；同时从信号提取角度分析比较了电压放大器和 电荷放大器的差异，论证了电荷放大器能克服引线电缆影响这一缺点的优越性。 第四章针对厚剪模式的压电传感器，利用剪应力滞后分析方法，推导了基体 结构应变与压电传感器应变的传递关系，并考虑了粘贴层对应变传递及输出电压 的影响。继而将通过m a t l a b 数值算例，分析了不同的材料常数及基体材料损伤 8 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 因子d 对应变传递及输出电压的影响曲线。 第五章提出了集成压电传感驱动一体化的机电阻抗理论，并通过a n s y s 分析软件，对表面粘贴p z t 压电片的钢材料基体结构进行数值模拟，比较了结 构在无损和各种不同损伤状态下的模态频率的变化，继而通过电压激励下的谐响 应分析，对结构在无损和有损状态下的压电阻抗进行了对比，论证了集压电传感 驱动一体化的机电阻抗技术在损伤监测中的可行性。 第六章对全文工作进行了总结，并对今后研究工作提出了若干展望。 1 4 课题来源 本课题是在国家自然科学基金( 5 0 7 7 8 1 7 9 ) “集压电驱动传感一体化技术 的结构在线健康监测研究”的支持下进行的。 9 中南人学硕十学位论文第二章压电传感器川丁结构健康监测的基本理论 第二章压电传感器用于结构健康监测的基本理论 2 1 智能材料结构 将驱动元件和传感元件紧密融合在结构中称为智能材料结构，因为既有驱动 元件又有传感元件，所以智能材料不仅具有驱动能力而且具有感知能力，再将信 号处理器、功率放大器、控制电路、逻辑电路等集成在结构中，通过机械、热、 光、化学、电、磁等激励和控制，还可使智能材料结构具有识别、分析、处理及 控制等多种功能，并能进行数据的传输和多种参数的检测，包括应变、损伤、温 度、压力、声音、光波等，而且还能够动作，具有改变结构的应力分布、强度、 刚度、形状、电磁场、光学性能、化学性能及透气性等多种功能，从而使结构材 料本身具有自诊断、自适应、自学习、自修复、自增值、自衰减等能力。因此， 智能材料结构可广泛应用于自动控制、状态监测、实时处理等各种领域。表2 1 为智能材料的分类1 6 。 智能材料结构有三个重要组成部分1 6 2 j ：驱动器、传感器和控制器。 驱动器的功能是接收并执行信息处理单元发出的各种激励及控制指令等，并 按照规定的方式做出合理反应，促使结构外部或内部状态与特性发生变化。驱动 器应有对结构的机械状态施加足够影响的能力，且高度分布，易于集中，能直接 将控制器输出的电信号转变成结构的应变或位移，具有改变智能结构形状、刚度、 位置、固有频率、阻尼及其它机械特性的能力。 传感器的功能是将应变或位移等非电量直接转变成电信号输出，它承担着感 知外界环境变化、收集外界信息、并输出感应信号的任务。因此要求具有高度感 受结构力学状态的能力，足够的可靠性、敏感性和较高的反应速度，以便能迅速、 准确地反应外部信息，实现结构的实时、在线监测与处理。同时传感器还应该具 有易于集成，容易布置，对结构的状念敏感等特点。 控制器的功能是实现智能材料结构控制的器件，是智能结构的神经中枢，集 成于结构中，其控制对象是结构本身，它应具有很强的鲁棒性、实时性和在线性。 智能材料结构的一个很大特点是模糊了材料与结构之间的界限。传统的情况 下，材料和结构设计制造是严格分开的，结构件的设计需要进行力学分析和应力 分析等以选择材料和确定尺寸，完成设计后选择相应加工方法制造出结构件。智 能材料结构在设计时根据使用要求确定结构的外形，然后根据功能选定基体材料 和增强材料，之后选择能产生动作的驱动件，同时要确定传感元件的种类和网络 的合理布置方案，在此之后将这些材料融合在一起进行强度分析和功能分析，若 不能满足要求则需要进一步调整混合材料及布置方案，满足要求之后进行软件设 l o 中南人学硕十学位论文第二章压电传感器川丁结构健康监测的基本理论 计，最后进行结构件的制造，并进行功能试验，若不能满足要求则需要重新设计。 智能材料结构的重要性体现在它的研究与材料学、物理学、化学、力学、电子学、 人工智能、信息技术、计算机技术、生物技术、加工技术及控制论、仿生学和生 命科学等许多前沿科学及高技术密切相关，同时它拥有巨大的应用前景和社会效 益： 表2 1 智能材料的分类 材料 功能优点缺点用途 名称 直径小、柔韧性好、质量 光导 智能轻、抗电磁干扰、传输频 可制作成各种埋入式复 感知带宽、可埋入性好、便于 弹模较高，抗剪能力差；合材料传感器，测量温 纤维 传感测试系统价格昂贵度、压力、位移、应力以 | 传输波分、时分复用和可进行 分布式传感等 及应变等多种物理量 将碳纤维与结构复合时 碳纤智能强度高、密度小、耐高温、 所需加入的箔板或矩阵监测结构的温度、虑力和 电极可能会对结构的性应变器应用，以及其他传 维 感知耐腐蚀、导电性能好 能产生影响：应用时要做感器和驱动器应用 好绝缘、防i 卜漏电 智能 耐热、耐湿和化学稳定性 压电 感知 好；响应速度快、频响范 易受电磁干扰，用作驱动 振动能和超声振动能电 材料智能 围宽、结构简单、良好的 器时，应变量较小；某些 能换能器应用，以及其他 近似线性的本构关系、成 种类的压电材料质地脆， 驱动 ：r 程应用中较易损坏 传感器和驱动器应用 本低 形状 智能延展性优、耐腐蚀；可实价格较为昂贵，记忆效廊应刚于疲劳裂纹的探测 记忆 感知 现多种变形形式，变形量发挥需要加热；振动控制与控制；可制成被动耗能 智能大，加热驱动时驱动力较 响应频率低；长期使用器，对十术j r 程结构进行 合金 驱动人 后，材料本身会产生蠕变 被动耗能控制 在外加电场或磁场的作 制成控制器，对十木