埋入混凝土中压电陶瓷应力及温度特性研究

1、第23卷第4期应用力学学报Vol. 23No. 42006年12月CHINESE JOURNAL OF APPL IE D MECHANICSDec. 2006文章编号:100024939(2006 04206582043雨(重庆400030摘要:。针对前期工作中提出的利用埋入式压电陶瓷进行混凝土内应力检测的方法, 进一步研究了在埋入状态下, 两种不同种类PZT 压电陶瓷的应力及温度特性。分析了在温度实验中存在的应力2温度交叉传感现象的成因, 并提出了温度补偿的方案, 为今后完善应力测量方法奠定了基础。关键词:结构健康监测; 混凝土; 应力; 温度; PZT 压电陶瓷中图分类号:O34文献标识

2、码:A1引言在结构健康监测中, 应力监测往往是较为重要的一项监测内容。混凝土结构因其复杂的组成使得对其进行内应力测量变得较为困难, 常用的测量方法包括有损和无损检测两种。使用混凝土应力计由于需要事先在结构上开凿缝隙, 所以属于有损检测。这种方法会对结构有较大的破坏作用。为保证结构的完整性, 常采用一些无损监测的方法, 如将应变片或者光纤传感器埋入混凝土结构中。但是, 应变片在混凝土中方向性较差, 测量结果往往十分粗糙, 而光纤强度低, 易损坏, 使得传感系统的性能难以保证。压电材料, 特别是PZT 压电陶瓷有着较高的强度, 而且其方向敏感性也较好。因此本文提出一种将压电陶瓷埋入混凝土结构中通过

3、测量其特性参数随应力的变化来反映混凝土中内应力水平的方法1。本文通过实验方法研究了埋入混凝土试件中的压电陶瓷在混凝土试件受到应力及温度作用情况下, 其等效参数的变化情况。分析了在温度实验中由于混凝土试件收缩造成的应力2温度交叉传感现象。提出了利用压电陶瓷特征频率通过温度补偿来减小交叉传感对测量造成的误差。2实验样品、方法及实验装置本文采用两种相同尺寸的PZT 压电陶瓷:PZT 24型压电陶瓷为铁铂、锰钙改性锆钛酸铅, 是“硬性”的压电陶瓷, 具有较高的机电转换效率, 适于大功率超声发生器超声加工、超声清洗换能元件。PZT5H 为铌镁锆钛酸铅三元系压电陶瓷, 具有较高的压电常数、弹性系数及介电常

4、数, 可作电容量大的电声器件。压电陶瓷的出厂参数如表1所示。两种PZT 压电陶瓷样品均为圆片结构, 电极面位于上下表面, 埋入时尽量保证压电陶瓷上下两个表面平行于立方体混凝土, 试件尺寸为100×100×100(单位为mm , 试件其中一个面(一般选择较为平整的表面作为受力面 埋入深度为2030mm 。压电陶瓷样品的尺寸如图1所示, 其厚度为2mm , 半径为1215mm 。为保护压电陶瓷的两个电极面不被混凝土材料损坏或腐蚀, 同时也是为了保证压电陶瓷片上下端面的受力均匀, 在压电陶瓷外层覆盖了一层单组分室温硫化硅橡胶(TLD 2704 。同时混凝土试件使用的水泥、砂、粗骨

5、料的混合比为1:3:1。估计3基金项目:国家自然科学基金资助(50278098 来稿日期:2005208212修回日期:2006203212第一作者简介:陈雨, 男,1976年生, 重庆大学光电工程学院博士生; 研究方向:结构健康监测1E 2m ail :chenyu cqu. edu. cn 其强度约为2530M Pa , 低于应力实验加载的最大载荷在试件体内所产生的平均应力 。图1PZT 表(3 相对介电常数机电耦合系数PZT 24760031015000. 56PZT 25H760030034000. 66图2实验示意图应力实验中将埋有PZT 压电陶瓷的混凝土试件置于压力实验台(SHIM

6、ADZU A G 2I 250Universal T esting Machines 上沿轴向进行准静态加载。加载速度控制在10kN/min , 考虑到老化作用和动态响应时间的影响2, 在每一个加载点停留23min 后再对陶瓷片进行测量。其目的是保证在参数变化稳定后再进行测量。加载最大载荷为150kN 。实验示意图实验装置照片2、图3所示。温度实验中, 为了比较埋入前后PZT 压电陶瓷的温度响应特性, 将同批次的PZT 压电陶瓷同埋入混凝土试件的压电陶瓷置入交变温箱(SDJ 402高低温交变湿热箱 中进行对照实验。温度实验的温度范围是-30到120, 升温间隔为10。考虑到温箱中以及混凝土试件

7、内部建立热平衡所需要的时间, 每个温度点稳定后保持2小时后再进行测量。应力和温度实验中测量等效参数用的网路分析仪为Anrit su 公司的MS 24630B 矢量网络分析仪。实验中对压电陶瓷的正反谐振点及其阻抗, 静态电容, 动态电容、电感、电阻和机械品质因素进行测量。3实验结果及其分析实验中测量的等效参数是由压电方程推导的压电陶瓷等效电路中的各电路元件参数324。所有电参数, 除了静态电容C 0代表了压电元件实际电容特性外, 其它的电参数如动态电容C 1、动态电感L 1和电阻R 1都是一种对压电陶瓷机械特性的等效, 是通过等效的电学参数来反映压电陶瓷的力学特性。同时, 根据前期研究工作中推导

8、的等效参数同特性系数之间的存在的函数关系可知5, 压电材料各等效电路参数对应力和温度响应, 实际上是表征了压电常数、弹性系数和介电常数的应力和温度响应特性。实验表明, 等效电路参数的应力响应特性和温度响应特性存在着一定的联系。而这种联系是由埋入混凝土中的PZT 压电陶瓷在温度变化过程中存在的应力2温度交叉传感引起的。在温度实验中, 温度的变化导致了埋有PZT 压电陶瓷的混凝土试件体积的变化, 从而导致混凝土内部应力大小的变化和应力场的重新分布。在埋入其中的PZT 压电陶瓷附近, 应力改变了压电陶瓷等效电路参数的温度响应特性, 即产生了压电陶瓷对应力和温度的交叉956第4期陈雨, 等:埋入混凝土

9、中压电陶瓷应力及温度特性研究 传感。同未埋入前的同种PZT 压电陶瓷比较后可以看出, 应力的这种影响对于不同等效参数是有差异的。一些参数中, 应力和温度响应是反向的, 即应力和温度对压电陶瓷等效参数的作用部分相互抵消, 这时参数的温度曲线就会比自由状态下的平缓。另一些参数的应力和温度响应是同向的, 这些参数的温度曲线则比自由状态下的更为陡峭。但在实验中发现并非所有被测参数都存在应力2温度交叉传感的现象。包括正反谐振点和串联谐振点等在内的PZT 压电陶瓷的特征频率对温度较为敏感, 力则几乎没有响应 。F r 为PZT 压电陶瓷的谐振频率, 在谐振频率处, 系统的阻抗取得最小值Z r 。从图4(a

10、 中可以看出, 两种PZT 压电陶瓷对应力几乎没有响应, 在外加载荷达到150kN 时, 混凝土内应力已经达到约15MPa , 但频率仍然没有响应。温度实验中, 由于没有应力的影响, 对比图4(b 和图4(c 中埋入混凝土前后两种PZT 压电陶瓷的温度曲线, 可以看到, 两种情况下的温度曲线几乎相同。但对于不同的压电陶瓷, 谐振频率F r 的温度响应却是反向的, 对“硬性”压电陶瓷PZT 24, F r 随温度升高而增加, 而对“软性”压电陶瓷PZT 25H , F r 却随温度上升而减小。在温度变化过程中, 混凝土试件体积变化所产生的应力并没有对压电陶瓷的谐振频率F r 产生影响。需要注意的

11、另外一点是, 除了温度变化会造成混凝土内应力变化外, 混凝土试件在凝固过程中也会因为收缩不断在内部积累应力。从压电陶瓷被埋, (约1520 , , 这种。对于谐振频率, 由于其无应力响应, 因此这种温度响应的改变是不存在的。但是对于其它等效参数, 将会在下面的讨论中看到, 其温度曲线有着明显的整体抬升或者下降的情况。实验还测量了反谐振频率F a 和串联谐振频率F s , 证明它们有同F r 相似的特性, 即均具有温度敏感性而无应力响应。谐振点阻抗Z r 反映了压电陶瓷作为电路元件在测量回路中谐振频率处所呈现的阻抗。在应力实验中(图5(a , 两种PZT 压电陶瓷对应力响应表现出不同的敏感性,

12、“硬性”压电陶瓷PZT 24较“软性”压电陶瓷PZT 25H 对应力更加敏感, 其应力响应曲线的平均斜率较PZT 25H 高出约4045%。谐振点阻抗Z r 的这种对应力的不同响应也体现在温度实验中。具体来说有两个方面, 一方面, 温度本身对不同的压电陶瓷有不同的影响。从图5(b 和图5(c 中可以看出, 不论是埋入混凝土之前还是之后, 两种压电陶瓷对温度的响应都是有所不同的, 但这种差异性不同于谐振频率F r 的温度响应, 两种压电陶瓷的谐振点阻抗Z r 对温度的响应都是同向的。第二个方面的特征来自于前面提到的应力2温度的交叉传感效应。在应力实验中两种压电陶瓷对应力的不同响应也影响了其温度特

13、性。比较图5(b 和图5(c , 在低温段, 埋入混凝土中压电陶瓷比埋入前要平缓很多, 这主要是由于混凝土收缩产生的应力响应同温度响应方向相反的原因。对于PZT 24, 温度在约50以下时, 其温度响应几乎被应力响应的作用完全抵消。而对于PZT 25H , 由于其应力响应比PZT 24弱, 可以看到, 它只在更低温度(约210以下 才会对温度特性起到削弱的作用。在温度实验中, 除了温度引起的混凝土应力变化外, 凝固过程也使得埋入前后的Z r 值有所不同。在图5(c 中, 两种压电陶瓷的温度曲线比其埋入前的同种压电陶瓷整体上高。对PZT 24大约高出了90%, 而对066应用力学学报第23卷 P

14、ZT 25H 约高出了60% 。压电陶瓷作为一种电介质本身, 在加上电极后便具有了电容的特征。静态电容C 0是压电陶瓷在测量回路中电极两端间的电容值量度。在图6(a 的应力实验中, 两种压电 陶瓷仍然表现出了不同的图6静态电容对应力温度的响应应力响应特性。PZT 24的静态电容应力曲线的平均斜率比PZT 25H 的高出95%以上。同谐振点阻抗不同的是, C 0的应力和温度响应方向是同向的。在图6(b 和图6(c 的温度实验中, 温度变化产生的应力的作用使得埋入混凝土中压电陶瓷的温度曲线比埋入前的陡峭。对于PZT 24, 静态电容C 0的温度曲线的斜率, 埋入后的比埋入前的提高了60%; 而PZ

15、T 25H 只提高了12%。温度响应的差异同应力特性中两种压电陶瓷的应力敏感性的不同是一致的。另外, 在应力和温度实验中, 其它一些参数, 包括动态电容、电感和电阻也表现出同谐振点阻抗和静态电容相类似的性质。4讨论与结论本文对前期工作中提出的利用埋入混凝土中压电陶瓷进行结构应力监测的方法进行了进一步的实验研究。研究的主要目的是为了找出解决应力2温度交叉传感问题的途径和方法。研究中发现, 两种压电陶瓷的温度和应力响应对于压电陶瓷各等效电路参数都有着不同程度的差别, 这种差别主要表现在对应力和温度的敏感程度。“硬性”压电陶瓷PZT 24总有着比“软性”压电陶瓷PZT 25H 较为敏感的应力和温度响

16、应。从晶体学角度可以通过晶畴的改变或者老化现象进行解释6。在应力实验中,由于实验在常温下进行, 温度变化很小, 因此可以认为没有交叉传感的现象。但在温度实验中, 温度变化引起混凝土试件体积变化而产生的应力影响了埋入混凝土试件后PZT 压电陶瓷各等效参数的温度响应特性。由于对应力敏感程度不同, 两种压电陶瓷受到的应力的影响各不相同。同时, 各参数间的, , , 应力2温。因此必须找。在应力实验中, PZT 压电陶瓷的几个特征频率, 正反谐振频率和串联谐振频率, 对应力几乎没有响应, 因而无法用其进行应力的测量, 但在温度实验中, 特征频率却有较高的敏感性。因此可以通过这几个特征频率进行应力测量中

17、的温度补偿。在利用埋入的压电陶瓷进行混凝土内应力测量时, 如果有较大温度的变化, 势必会引起特征频率的变化, 而这种变化不同于其它有交叉传感现象等效电路参数, 它只是对温度的响应。这样便可以估计出混凝土内部温度的变化, 从而修正通过等效参数测量的存在交叉传感影响的混凝土内应力值, 完成温度补偿的工作。致谢:感谢国家自然科学基金对本课题提供的资助。参考文献1Chen Y , Wen Y , Li P. Characterization of concrete stress bymeasuring dissipation factors of embedded piezoelectric cera

18、mic discs C /Proc of SPIE Smart Structures &Materials and Nondestructive Evaluation for Healt h Monitoring &Diagnos 2tics Symposium :SPIE vol 5765. San Diego , USA , 2005. 2钟维烈. 凝聚态物理学丛书铁电体物理学M .北京:科学出版社,2000, 2692305.3Mason W P. Electromechanical Transducers and Wave FilterM .New J ersey :V

19、an Nostrand Reinhold , Princeton , 1948:12217.4Mason W P. Crystal Physics of Interaction Processes M .New Y ork :Academic Press , 1966:35240.5Chen Y , Wen Y , Li P. Loss mechanisms in piezoelectrictransducers and it s response to st ress C .Proc of 2004Int Conf on Info Acqu , 2004:2132219.6Taylor ,

20、George W. Piezoelectricity M .New Y ork :G ordonand Breach Science Publishers , 1985:23225.166第4期陈雨, 等:埋入混凝土中压电陶瓷应力及温度特性研究 ning equation and t he node 2displacement formula expressed by t he base forces are obtained via t he comple 2mentary energy principle and Lagrange multiplier met hod for comple

21、mentary finite 2element met hod. A p rogram for t he finite element met hod is developed to solve several problems of elasticity t heory , and t he numerical result s are consistent wit h t hose of t he t heoretical solutio ns to show t he f urt her application fore 2ground.Keywor ds :base f orces ,

22、 com plement ary ener g y p ri nci ple , l ag range m ulti plier met hod , com pli ance m a 2t ri x , f i nite element.Large R TubesW aveW u Y unquan1X u J i ny u1, 2Gu Hon g j un3Yao Kan4(Nort hwestern Polytechnical University ,Xi an 710072, China 1(Air Force Engineering University ,Xi an 710038, C

23、hina 2(Xuzhou Air Force Institute ,Xuzhou , 221000, China 3(Xi an University of Architecture and Technology ,Xi an 710055, China 4Abstract :To investigate t he plastic large deformation characteristics of multirow steel t ubes subjected to blast wave , t he eight 2plastic 2hinge framework is establi

24、shed and t he displacement and velocity fields are described. Based on t he virt ual velocity principle , a modal met hod is employed to obtain a large deforma 2tion dynamic response. 45g TN T exploding test s are carried out. The result s coincide wit h t he t heoretical ones in view of t he dynamic st rain rate and strain hardening of material.Keywor ds :m ulti row steel t ubes , l arge def orm ation res ponse , modal met hod , bl ast w ave , ei g ht