杨晓明，李宗津

(1.辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁阜新 123000；2.香港科技大学土木及环境工程学系，香港九龙清水湾)

随着社会经济的发展，土木工程结构的安全使用愈来愈受到重视。在各类土木工程结构的长期使用过程中，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构材料性能的不断退化，以至于系统的损伤积累和抗力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降，极端情况下引发灾难性的突发事故［1］。虽然土木工程结构在事故发生前，结构中均出现裂缝、不均匀沉降、局部开裂、挠度过大、钢筋锈蚀等症状，但由于缺乏可靠有效的预警和监测系统，无法在事故发生前发出警报，来避免事故的发生。有鉴于此，对于已建成使用的超高层建筑、大跨度空间结构、大跨度桥梁等重要建筑需要布置有效的监测系统，对其关键部位应力、位移以及整个结构的动态特性进行实时监测，随时评定其安全状况，在出现危险信号时候及时发出预警，避免灾难发生［2－3］；对于拟建和在建的大型土木工程结构，在吸取以往的经验和教训基础上，在施工过程中就埋入各类传感器［4－5］，从施工期开始监测结构各项参数，实时地把握结构的全寿命质量和安全状况，分析传感器获得的各项参数的变化，判断结构中可能出现的损伤，及时采取适当的修补措施，以确保工程结构在生命期内的安全性、完整性、可靠性、适用性和耐久性。

从上述分析可知确保结构安全的关键是传感器。目前用于结构性能监测的传统传感器包括力传感器、加速度传感器、位移传感器、电阻应变片等，除此之外还有利用各种智能材料包括光导纤维［6－7］、压电材料［8－10］等制作的新型传感器。然而目前常用的传感器在土木工程结构中的应用都存在若干问题，如埋入式传感器会改变结构内应力分布；传感器寿命小于结构寿命；传感器在结构施工中易被破坏等等［11－12］。Li等［13－14］于 2001 年提出一种新型压电复合材料，包括水泥相和压电陶瓷相，简称水泥基压电复合材料，这种材料具有传感性能及驱动性能，而且非常适合用于混凝土结构中。如果将这种水泥基压电复合材料作为传感元件并且用水泥进行封装制成传感器，将其应用到土木工程结构中，尤其是埋入到混凝土结构中，这种水泥基压电传感器会像骨料一样埋入混凝土结构中而不改变结构的特性，在传感器与周围混凝土间也不存在不连续的界面问题，不会出现应力突变显现，而这一点是传统传感器应用中难以避免的。

本文基于上述思路开发了一种新型水泥基压电传感器并对其基本性能进行测试。首先在压电材料理论的基础上，研究了电荷放大器在水泥基压电传感系统中的应用，之后确定了水泥基压电传感器的制作过程，并通过试验检测了传感器的频率独立性、线性度等基本性能。最后通过试验结果确定这种新型水泥基压电传感器在土木工程结构监测中应用的可行性。

1 压电材料基本理论

1.1 压电效应

1880年Curie Pierr和Curie Jacques兄弟发现，当在某些特定方向上对某石英晶体加力(拉或压)时，在与力方向垂直的平面内出现正、负束缚电荷，这种现象后来被称为压电性，如图1所示，所产生电荷为:

其中ΔQ为压电材料表面产生电荷的变化量，ΔF为压电材料表面所施加荷载的变化量，k为比例系数。

图1 压电效应示意图

1.2 电荷放大器

通常压电材料的输出为电荷信号，而压电材料本身电阻不可能无穷大，因此电荷会慢慢跑掉，只能在其上加变化力，电荷才能不断得到补充，故利用压电材料传感效应的传感器只宜做动态测量。压电材料的输出信号非常微弱，需要使用电荷放大器将其放大并进行阻抗变换，之后才可进行一般测量。

电荷放大器的工作原理如图2所示。其中，ΔQ为压电传感元件受到外力后产生的电荷量；Cinp为放大器输入电容，Cf为放大器反馈电容；Rf为放大器反馈电阻；Uout为电荷放大器输出电压，Amp为运算放大器。通常情况，电荷放大器的输出电压为

由式(1)和式(2)可得

从式(3)中可以看出，由于对于给定的电荷放大器，其反馈电容是固定的，故采用电荷放大器的测试系统的输出电压与压电传感元件产生的电荷量成正比关系，不会出现衰减和滞后的现象。而压电传感元件所产生的电荷量是与其所受到的外力成正比的，因此电荷放大器测试系统的输出电压与压电元件所受到的外力成正比，这正是传感器所需要的基本特性。

图2 电荷放大器工作原理

图3所示为无电荷放大器的测试系统测得的水泥基压电材料在受到往复荷载时的电压输出。从图3可以看出，压电材料的输出幅值随着输入荷载的频率降低而降低，并且输入信号和输出信号之间存在一定的相位差。

图3 无电荷放大器的测试系统的电压输出

图4所示为带电荷放大器的测试系统测得的水泥基压电材料在受到往复荷载时的电压输出。从图4可以看出，压电材料的输出幅值不随着输入荷载的频率变化而变化，并且输入信号和输出信号之间基本不存在相位差。由此可见，使用电荷放大器可以保证水泥基压电材料在一定范围内的频率独立性，而且可以基本消除相位差，这为水泥基压电材料传感器准确测量复杂荷载提供有力保证。

图4 有电荷放大器的测试系统的电压输出

1.3 压电复合材料

压电复合材料是一种多相材料，它是由压电陶瓷和高分子聚合物通过复合工艺构成的一种新型材料。这种材料不仅能保持原组分的特色，通过复合效应还能使其具有原组分材料所不具备的性能。Li等提出一种新型压电复合材料，包括水泥相和压电陶瓷相，简称水泥基压电复合材料，这种水泥基压电复合材料采用两种连通方式进行设计和制作，分别为0－3型和2－2型，其中2－2型水泥基压电复合材料为相互平行的压电陶瓷片等间距地被埋入水泥基材料中。这种水泥基压电复合材料非常适合用于混凝土结构中，其传感性能等具体细节可以参考有关文献。本文利用这种水泥基压电复合材料制作成传感器以用于混凝土结构的性能监测。

2 水泥基压电传感器的制作

本文所开发的水泥基压电传感器主要用于土木工程结构中，因此水泥基压电复合材料中功能相(压电陶瓷)的选择需要考虑土木工程测量的要求。一般土木工程动态测试的常用频率范围为0.01 Hz～40 Hz，所选的压电陶瓷需要在此范围内满足频率独立性。除了频率独立性，还要考虑压电陶瓷的强度、压电常数、机电耦合系数和相对介电常数等等。本研究中选取香港功能陶瓷有限公司出品的P85和P43系列压电陶瓷作为水泥基压电复合材料的功能相。P85和P43系列压电陶瓷具有较高的介电常数和机电耦合系数。为了简化制作过程，本文开发的水泥基压电传感器为仅将一片压电陶瓷封入水泥基中。具体做法是将压电陶瓷片粘结在两个水泥立方体间，如图5所示。

图5 水泥基压电传感器制作过程

为制作水泥基压电传感器特地开发了一种新的封装材料来粘结水泥块和压电陶瓷片。这种封装材料由干水泥粉和环氧树脂混合而成，它具有高强度、高电阻率和高防水性。这种材料硬化以后，其强度远高于环氧树脂硬化后的强度，接近于水泥硬化的强度。封装材料与水泥块间的力学性能匹配更有利于从水泥块到压电陶瓷间的应力传递，确保压电陶瓷上获得真实应力。同时这种封装材料还具有同环氧树脂一样高的电阻率，可以保证传感器的电学稳定性。另外，这种封装材料还具有很高的防水性，可以保证压电陶瓷不受水汽的影响。制成后的水泥基压电传感器的样品尺寸为20 mm×20 mm×40 mm，故此在其轴心方向上施加400 N的力，其内部应力为1 MPa。

3 水泥基压电传感器的基本性能测试

水泥基压电传感器制作完成之后，在电液自动侍服实验机(MTS)上进行性能测试，测试内容包括频率独立性、线性度和复杂荷载测试。

3.1 试验装置

水泥基压电传感器性能测试试验装置如图6所示。MTS的函数发生器控制加压板产生正弦波荷载、随机荷载和方波荷载施加给水泥基压电传感器。在MTS的产生的荷载下，传感器产生高阻抗的电荷型信号，由电荷放大器(B＆K，2635)转换为低阻抗的电压型信号。最后，电压型传感器输出信号和力传感器获得的MTS产生的实际荷载信号由电脑采集并存储。

图6 水泥基压电传感器性能测试试验装置

3.2 频率独立性

传感器的频率独立性是测量动态响应传感器的重要性能之一。因此首先检测水泥基压电传感器的频率独立性。为此，设计了一种专门的加载制度，称为频率扫描加载，如图7所示。在频率扫描加载中，保持输入正弦荷载的幅值不变，改变输入荷载的频率，从0.01 Hz～40 Hz。此频率范围是土木工程常见的频率范围。频率扫描荷载的平衡位置为3 000 N，以此来模拟传感器在实际结构中所受到的预压情况。

图7 频率扫描加载制度示意图

图8所示为采用P85系列压电陶瓷作为功能相的水泥基压电传感器在频率扫描荷载下的频率响应。从图8可以看出，在整个频率范围内传感器输出电压的幅值几乎是固定的。也就是说，传感器输出电压的幅值同输入荷载的频率间的拟合曲线在整个频率范围内是一条水平直线，即传感器输出电压的幅值不随输入荷载频率的变化而变化。

图8 水泥基压电传感器在频率扫描荷载下频率响应

图9 水泥基压电传感器在频率扫描荷载下相位差变化

图9所示为采用P85系列压电陶瓷作为功能相的水泥基压电传感器在频率扫描荷载下的相位差变化。从图9可以看出，传感器输出同输入荷载间的相位差非常接近于零，也就是说，传感器的响应同输入荷载基本同步，不存在滞后现象。上述两点可以保证传感器在承受由不同频率和幅值的正弦荷载组合而成的复杂荷载时，其输出波形不会发生变形和扭曲。采用P43系列压电陶瓷作为功能相的水泥基压电传感器在频率扫描荷载下的频率响应和相位差同P85系列基本类似，本文就不一一赘述。

3.3 线性测试

传感器的线性度是保证传感器准确测量的重要性能。为了检测水泥基压电传感器的线性性能，专门设计一种加载制度，称为幅值扫描加载，如图10所示。在幅值扫描加载中，保持输入正弦荷载的频率为固定值1 Hz，改变输入荷载的幅值(峰到峰)，从200 N～3 800 N，对应于传感器内部的轴向压应力为0.5 MPa～9.5 MPa。幅值扫描荷载的平衡位置为3 000 N，以此来模拟传感器在实际结构中所受到的预压状态。

图10 频率扫描加载制度示意图

图11所示为P85系列水泥基压电传感器在幅值扫描荷载下传感器输出电压幅值同输入荷载幅值间的关系。从图11可以看出，在传感器输出电压幅值和输入荷载幅值间存在明显的线性关系。尽管不同传感器样品的试验拟合直线的斜率稍有不同，这是由于在传感器制作过程中，压电陶瓷片的尺寸略有不同，从而导致在同样外力的情况下产生的电荷有所不同，传感器输出的电压也有所不同，所以拟合直线的斜率有所差异。这种传感器输入输出间的简单线性关系，是传感器应用的基本要求。图12所示为P85系列水泥基压电传感器在幅值扫描荷载下传感器输入输出信号间相位差同输入荷载幅值间的关系。从图12可以看出，在整个输入荷载幅值范围内传感器输入输出信号间相位差基本接近于零。上述两点特性使水泥基压电传感器用于结构性能监测成为可能。

图11 幅值扫描荷载下水泥基压电传感器输出电压幅值同输入荷载幅值间的关系

图12 幅值扫描荷载下水泥基压电传感器输入输出信号相位差同输入荷载幅值间的关系

3.4 复杂荷载

为了进一步评估水泥基压电传感器的性能，设计各种复杂荷载，包括正弦组合荷载、随机荷载和方波荷载。将这些荷载施加到水泥基压电传感器上，以观察其响应。

正弦组合荷载由五种不同频率和幅值的正弦荷载组合而成，如表1所示。五种正弦荷载的频率基本覆盖该水泥基压电传感器的频率范围，组合而成的荷载幅值达到该传感器线性测试试验的最大值。图13所示为正弦组合荷载及对应的传感器输出。图14所示为正弦组合荷载的细节及对应的传感器输出的细节。从图中可以看出，传感器的输出同正弦组合荷载对应的很好，不论从整体上观察还是细节波形的对应都非常一致。

表1 正弦组合荷载分量

图13 正弦组合荷载及对应的传感器输出

图14 正弦组合荷载细节及对应的传感器输出细节

随机荷载可以更真实地反映水泥基传感器在实际应用中所遇到的真实荷载环境。图15所示为本文采用的随机荷载及对应的传感器的响应。从图15可以看出，传感器输出的波形几乎和随机荷载的波形相一致。这表明该水泥基压电传感器可以正确反映所受到的随机荷载。

图15 随机荷载及对应的传感器的响应

本文中采用的方波荷载为平衡位置3 000 N，频率0.1 Hz，幅值(峰值到平衡位置)400 N。图16所示为本文采用的方波荷载及对应的传感器输出。从图16可以看出，在传感器输出响应中，无论在荷载上升或下降中都没有震荡现象出现，这一点对于结构动态测试是十分重要的。

图16 方波荷载及对应的传感器的响应

4 结论

本文开发一种用于土木工程结构性能监测的新型水泥基压电传感器。试验检测了传感器的频率独立性、线性度等基本性能。由研究结果可以得出以下结论:

(1)试验结果显示采用同一系列水泥基压电材料制成的传感器性能一致，表明本文开发的水泥基压电传感器的制作方法是可行而且可靠的。在制作水泥基压电传感器过程中开发的专门粘结材料具有高强度、高电阻和高防水性，适合用于压电材料传感单元的封装。

(2)在土木工程结构常用的自振频率范围内，水泥基压电传感器具有良好的频率独立性，同时其输出输入信号间的相位差基本接近于零，不存在滞后现象，这保证传感器在承受复杂荷载时，其输出波形不会发生变形和扭曲。

(3)水泥基压电传感器的输出电压幅值与输入荷载幅值间存在明显的线性关系。这一点在后续的组合荷载、随机荷载和方波荷载试验中得以验证。同时在承受方波荷载时，无论在荷载上升或下降中都不会出现震荡现象。

［1］欧进萍.重大工程结构智能传感网络与健康监测系统的研究与应用［J］.中国科学基金，2005，19(1):8－12.

［2］朱宏平，余璟，张俊兵.结构损伤动力检测与健康监测研究现状与展望［J］.工程力学，2011，28(2):1－11，17.

［3］张锋，王乘.压电晶体传感器激励模型及其在结构健康监测中的应用［J］.传感技术学报，2005，18(2):215－220.

［4］钱稼茹，张微敬，赵作周，等.北京大学体育馆钢屋盖施工模拟与监测［J］.土木工程学报，2009，42(9):13－20.

［5］Flynn Eric B，Todd Michael D.A Bayesian Approach to Optimal Sensor Placement for Structural Health Monitoring with Application to Active Sensing［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2010，24(4):891－903.

［6］毛江鸿，何勇，金伟良.新型埋入式长距离应变光纤传感器研制及性能研究［J］.传感技术学报，2011，24(2):190－195.

［7］毛江鸿，何勇，金伟良，等.分布式光纤传感器应变传递性能分析及试验研究［J］.传感技术学报，2011，24(10):1406－1411.

［8］赵晓燕，李宏男.基于压电陶瓷的混凝土裂缝损伤监测［J］.压电与声光，2009，31(3):437－439，443.

［9］Tawiea R，Lee H K.Piezoelectric-Based Non-Destructive Monitoring of Hydration of Reinforced Concrete as an Indicator of Bond Development at the Steel-Concrete Interface［J］.Cement and Concrete Research，2010，40(12):1697－1703.

［10］Xu Dongyu，Cheng Xin，Huang Shifeng，et al.Identifying Technology for Structural Damage Based on the Impedance Analysis of Piezoelectric Sensor［J］.Construction and Building Materials，2010，24(12):2522－2527.

［11］程书剑，刘西拉，方从启.混凝土结构埋入式传感器的耐久性研究［J］.四川建筑科学研究，2009，35(3):50－54，64.

［12］Yuen Ka-Veng，Kuok Sin-Chi.Ambient Interference in Long-Term Monitoring of Buildings［J］.Engineering Structures，2010，32(8):2379－2386.

［13］Li Z J，Zhang D，Wu K R.Cement-Based 0－3 Piezoelectric Composites［J］.Journal of the American Ceramic Society，2002，85(2):305－313.

［14］Li Z J，Zhang D.Cement Based Smart Material-Cement Matrix Piezoelectric Composites［J］.Concrete Science and Engineering，2001，3(10):116－120.