压电陶瓷片在结构健康监测系统中的应用

zhaoyuenan737 | 2017-06-01 10:12:51 阅读：246

摘要：PZT不仅能用于制作各种压电产品，近年来PZT正逐步应用于结构损伤检测。根据压电材料的正、逆压电效应，PZT 压电陶瓷可同时作为驱动元件和传感元件，将 PZT粘贴在构件易产生裂纹或应力集中较大的地方，实现对裂纹的探测由于结构的机械阻抗或者频率响应具有对损伤的高敏感性，使得它成为研究损伤识别的主要指标

0 引言

近年来，压电阻抗技术在结构健康诊断中应的研究越来越多。1995年 Sun等人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开始[1]。压电阻抗技术的优点是对结构出现的小损伤反应灵敏，有利于检测出结构初期故障，而且压电阻抗技术中常使用的压电材料 PZT (锆钛酸铅压电陶瓷)有体积小、结构简单和工作可靠等优点。另PZT 只对其附近局部范围内的变化敏感，有助于分离出结构整体的质量加载、结构刚度和边界条件变化与PZT附近结构损伤对测量结果的影响，所以这种技术适用于来跟踪监测那些对结构完整性要求严格或是对结构寿命影响很大且损伤不容易检测的薄弱环节[2]。本文将介绍压电阻抗技术用于结构健康诊断的基本原理。

1 压电材料简介

压电材料是一种具有压电效应和逆压电效应的特殊的电介质材料，压电效应是法国P.Curie和J.Curie兄弟在1880年发现的某些晶体的特性，在经过极化处理的压电体上在其极化方向施加一个机械力（或释放压力）时，压电体就会产生充放电现象，这种现象称为正压电效应：反之，在压电体上施加一个与极化方向相同(或相反)的电场，则会引起两种效应：逆压电效应和电致伸缩效应。逆压电效应，即电介质在外电场作用下产生机械变形，应变大小与所加电场大小成正比，方向与电场方向有关。电致伸缩效应，即电介质存电场作用F，由于感应极化作用而产生应变，应变大小与电场平方成正比，与电场方向无关。逆压电效应和电致伸缩效应实质上都是电介质晶体在外电场作用下产生极化的结果，并使晶格发生畸变，宏观上表现为机械应变。

压电陶瓷(Piezoceramics)：通过配料混合，高温烧结，粉粒之间发生固相反应后无规则集合而成的具有压电性的多晶体称为压电陶瓷。

PZT既可作为传感元件，又能作为驱动元件，并且能与其它材料互相嵌入构成复合材料，因此它有着广泛的应用前景，比如在飞机机翼上用于飞机操纵，在振动系统中用于振动和噪声的主动控制，在设备中用于结构的健康监测，等等。

PZT在智能材料结构中应用的主要特点有：

①既可作为驱动器，又可作为传感器；

②作为驱动器时，它的激励功率小；

③响应速度较快，是形状记忆合金的1OOOO倍；

④尺寸可以做得很小和很薄，既可以安装在结构表面，也可以埋入结构中；

⑤组合灵活，既可以以比较大块的形式使用，也可以小块分散的使用。

2 PZT结构

PZT是Pbzro3和PbTio3的连续固溶体，呈ABO3钙钛矿结构。PZT发现于二十世纪五十年代初，是一种藿要的压电铁电材料，具有重要的技术应用价值。压电陶瓷是不具有对称中心的晶体电介质材料，而不具有对称中心的晶体电介质除因对称性极高而使逆压电效应极小的432点群晶体外，在电场的作用下都不具有对称中心的晶体电介质由逆压电效应所引起的形变，在电场的作用下，电介质发生极化，由于最左侧的副离予和最右侧的正离子之间没有离子键(及其他的化学键)，所以在极化过程中，它们之间可发生较大的相对位移，从而在宏观上表现为较大的逆压电效应。表示为：S=dE，与电场大小成正比。

也就是说，在压电材料中，电学量与力学量相互耦合，介质中储存的能量由两部分组成，一部分是应变能，另一部分是电磁能。

按照现代结构动力学理论，当设备及结构内产生损伤和出现缺陷时，例如裂纹、螺栓松动等，它的刚性和机械阻抗特性就会发生变化，还会导致结构的固有频率和模态的变化。因此，可以根据机械阻抗的变化，定量地给出损伤的程度。然而，机械动态阻抗随频率的变化，用常规的方法很难测得。利用压电元件的自驱动、自传感特性，PZT可同时作为驱动元件和传感元件对结构进行激励以获取结构的动力响应，从而建立起机械特性与电信息的桥梁，机械动态阻抗信息的变化则可通过简单的实测电信息反映出来。当对压电陶瓷片表面施加一定外界电压时，就会在梁的表面产生横向表面力。这些表面力将会驱动梁产生不同的振动（当上下两片PZT承受同向电压时，将会使梁产生纵向振动；施加反向电压时，则使梁产生弯曲振动）。反过来，振动又造成梁产生变形，变形的特征可以电信号的形式通过压电陶瓷片的传感特性反映出来。因此从粘贴在结构上的压电陶瓷片动态导纳特性，能够反映出结构的损伤状况[3] 。

根据压电耦合效应，以及PZT 与结构的相互作用可得到与频率有关的导纳(阻抗的倒数) 表达式为：

式（1）中Y（S）为电导纳；i为虚数单位；a（m）为PZT 的几何参数；ω（rad/ s）为所加驱动电压的角频率；δ为介电损失因数；Z（N·s/ m）为结构的机械阻抗；AZ（N·s/ m）为PZT 材料自身的机械阻抗；22EY（Pa）为PZT 在零电场时的杨氏模量。

式(1)中的第一项为自由PZT 的电容导纳，是导纳随频率变化的基线。第二项包含了PZT 材料自身的阻抗信息和外部结构的阻抗信息。考虑当压电陶瓷片粘贴于外部结构后，已确定了压电系统，PZT材料自身的阻抗AZ又是常数，外部结构的阻抗值则是唯一影响第二项的参数，从而控制压电系统全部导纳Y 的变化。当PZT的参数及性能保持恒定时，结构阻抗Z 唯一地确定了式(1)第二项的值，因压电导钠的任何变化对应了结构损伤和缺陷，这样就可以利用压电导钠的值对结构损伤进行识别。

3 PZT用于结构健康监测的实现

因为压电元件的压电效应及逆压电效应，使得压电元件具有了驱动及感知双重功能，利用这一特性可实现结构的在线、实时健康监测。

具体实现原理如下图所示：

图中，一部分PZT材料通过电线与产生激励信号的电源相连，通过电压或电荷驱动电源施加一激励信号(电压或电荷)给PZT，因为PZT材料具有逆压电效应，即在电场作用下会产生形变，由于PZT材料是嵌于(或粘贴于)基体材料上的，故它自身的形变将传递给基体材料，带支基体材料一起变形或运动，此时的PZT相当于一个驱动器，通过接收激励信号产生变形或运动，驱动基体材料。

与此同时，在基体材料上布置一些PZT材料不与电源连接，当基体材料发生变形或运动时，会将这一变形或运动传递给PZT材料。由于PZT材料的压电效应，其内部会产生电荷，并且电荷的大小会随变形或运动的大小而变化，此时的PZT就相当于一个传感器。再用测量装置将此PZT传感器的输出信号即时测量、采集下来，即可实时、在线的反映基体材料的变形或运动情况，从而实现对结构实时的、在线的健康监测。

将实时采集的数据与结构正常时的振动数据进行对比，看PZT输出信号是否发生变化（比如结构的裂纹或松动等，理论上将会引起结构中PZT的输出发生变化，如发生变化，则认为此结构已发生故障。当发生故障时，可及时将信号传递给控制器，对结构故障进行及时处理，实现结构的在线、实时监测、故障诊断及故障处理。

4 结束语

PZT 可同时作为驱动元件和传感元件对结构进行激励以获取结构的动态响应。利用正、逆压电效应原理分析了压电陶瓷片与外部结构间的动态响应关系。当外部结构发生改变时,相应的压电阻抗也会发生变化，通过实测压电系统的导纳变,能实时预测出结构的状态。PZT既适于宏观损伤情况，又可监测微小损伤情况，在今后对建筑物的结构健康监测中有很好的发展前景。

转自：长沙鹏翔电子科技有限公司网站中的技术与应用

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