摘要：通过对压电智能材料的简单介绍，分析总结了压电智能材料在结构健康监测技术的应用，从压电材料的微观机理出发，分析了压电陶瓷片在土木工程中的应用，最后阐述了压电智能材料运用结构病害检测技术可以准确、实时地检测结构的健康情况，为人们掌控结构运行的状况提供依据，并指出了一些仍存在的问题，有待深入研究解决，为压电智能材料在工程中的实际应用及研究提出些许建议。
关键词：智能材料；健康监测；压电陶瓷
中图分类号：TU52 文献标识码：A 文章编号：1674-3261(2016)01-0016-04
随着现代科技的发展,人们对于建筑结构的质量要求越来越严格,而任何的建筑结构的性能均会随着时间慢慢劣化,从而使结构过早地退出服役,这大部分是由于材料不断老化、使用过度、超负荷、环境条件下的侵蚀，同时大部分建筑缺乏维护和检测措施等各种原因,使得结构性能难以满足要求。所以对于建筑结构进行有效的实时的健康监测显得极其重要。由于智能材料在建筑结构中的广泛应用，将压电智能材料与结构集成为一体所形成的压电智能结构，逐渐被人们重视并深入研究。此种结构通过传感材料，驱动材料以及信号处理器与结构本身构成一个完整的结构健康监测系统，该系统通过自身对外界环境的感知能力进行信息处理，发出指令并且自行执行和完成相应程序，从而实现对结构的自行检测并有效地诊断结构所存在地缺陷（如裂纹，钢筋锈蚀等）的位置和程度。由此可以保证结构能够得到及时地修复，及时地加固，从而提高了结构的安全性。随着“智能结构”观点的提出，智能材料逐渐兴起，压电陶瓷、光导纤维、压电高分子材料、形状记忆合金、碳纤维混凝土、磁致伸缩材料等智能材料在土木工程中已经得到了广泛的应用[1]。其中压电陶瓷类有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅(PZT)和锆钛酸铅镧(PLZT)，其中锆钛酸铅(PZT)具有高介电常数和高机电耦合系数[2-3]，以其较低的成本、可靠性好、操作简单、敏感度高等特点[4]在结构的健康监测和损伤识别技术的研究和应用方面一直备受关注。
1压电智能材料对结构病害检测的技术
压电智能材料及其与结构组成的系统为结构的病害检测提供了新的研究方向。此前，基于压电智能材料在土木工程中对结构病害监测的方法可概括为主动监测和动态监测2种方法。而主动检测中还包括压电波动法、压电阻抗法等[5]。
1.1主动监测技术
结构检测系统的主动监测技术是在材料或者结构的表面粘贴驱动材料,通过主动激发询问激励信号(如应力波),然后在材料或者结构的表面其他地方接收该激励信号传播形成的响应信号，并结合相应的控制算法来实现结构振动的主动控制。它所具有的优点是，将传感材料和驱动材料联合使用，利用实时在线的信号采集方式进行长期的持续监测，并且该方法对结构中的微小损伤比较敏感，对外界环境的干扰具有一定免疫作用，所需维护费用少，操作简单，节省人力，可以比较准确地呈现出结构所处的实际状态，因而得到了普遍应用。主动监测中的压电波动法和压电阻抗法相对应用较广泛，具体应用与分析如表1。
1.2动态检测技术
目前，压电材料普遍应用在结构的静变形控制能、安全评定、健康监测等多个领域[6]。压电材料对结构内部状态改变时做出的响应具有较高的敏感度，从而使得其适应于结构的动态检测。压电动态监测技术是通过传感器所发出的信号变化来检测结构的损伤状态，从所观测到的众多检测信号中分析出对损伤最敏感的参数指标，结合相关的知识以及仪器，相应的分析方法来实现对结构损伤状态的判别与评定。这种方法只需要运用传感器就可以完成对结构的健康监测，此种检测应用操作简单，在结构自振动状态的检测中应用比较广泛[7]。应该根据不同的适用范围，不同的需要选择相应的方法来达到理想的检测效果,具体应用与分析如表2。
2压电材料的微观机理
不同的压电材料，有着不同的特性,与不同的基体结合，使用方法不同，所发挥的作用亦不同。压电智能材料既可以作为驱动材料又可以作为传感材料，在建筑结构健康监测、航天、医学等领域有着广泛的应用前景。
2.1压电陶瓷的微观机理
压电陶瓷经过人工极化后形成了压电体，带有一般材料不具有的性质—压电性。微观机理顾名思义，需对材料的晶体的微观结构进行分析，晶体要成为压电体首先必须是电介质，其次在晶体的微观结构中不存在对称中心，另外在晶体内部必须存在正负电荷中心。压电性是压电晶体在压力作用下发生极化而在两端表面出现电位差的性质。以Fx方向作用力来说明压电晶体所产生压电效应的机理，如图1所示，说明作用力与压电电偶极矩分布关系及压电性简化原理。没有经过处理的压电陶瓷晶体颗粒是各向同性而不具有压电性的，需通过在高温作用下施加电场而使随机取向晶体出现高度同向，形成具有压电性的压电陶瓷[8]。压电陶瓷中产生的放电或充电原理与电容器的原理非常相似，通过其内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充来实现，如图2所示，为压电陶瓷的电畴极化及压电效应形成的微观机理。
2.2压电陶瓷片的嵌入方式
将压电智能材料制成传感元件和驱动元件，可以应用到建筑结构病害检测与损伤识别技术中。压电陶瓷片(PZT片)与主体结构怎样集成，集成效果如何，主要取决于结构主体的材料特性，而集成效果的好坏将会对观测数值的精确性和检测结果的有效性产生影响。目前，PZT片与建筑结构主体的集成方式主要有粘贴式和埋入式2种[9]。2.2.1粘贴式粘贴式集成是将PZT片通过环氧树脂等胶结材料直接粘贴于结构主体表面。该集成方式具有操作简便,对结构没有损伤,PZT片受力状况清晰等优点，适合于已有建筑结构的监测。但是由于PZT片长期裸露在结构表面,没有保护，容易遭受较多外界环境因素的影响，导致其观测数据存在一定的偏差。目前，该种集成方式主要利用PZT片阻抗技术和Lamb波技术等对混凝土结构复合板、钢结构的病害检测与损伤识别中[10]。2.2.2埋入式埋入式集成方式则是把压电传感元件和驱动元件埋入到建筑结构内部，在一定程度上减少了外界环境因素对PZT片工作性能的影响，提高了检测结果的可靠性。同时，埋入式集成法能够有效延长传感器和驱动器的使用寿命，较适用于建筑工程结构的长期、动态、实时的健康监测与损伤识别。埋入式集成法能够有效地解决PZT片的因自身材质脆弱容易引起损坏而影响监测结果的问题。Song等[11]将压电智能传感设备采用埋入式集成法与混凝土T型梁集成为一个整体，对结构内部缺陷(裂缝)进行监测。刘智等[12]改进了埋入式压电陶瓷片的封装技术，并把此种改进技术应用到建筑结构的健康检测中，最后取得了良好的效果。
3压电智能材料在土木工程中的应用
从1989年日本某教授提出“智能材料”的概念以来，迅速引起了世界的广泛关注[13]。压电陶瓷材料以其质量轻、免疫力强、响应快、耐湿、耐热、结构简单、可靠性好等优点得以在结构健康监测与损伤识别中广泛应用。如今不少人采用压电材料制成多种传感器,用来测量各种结构状态下的压力、速度、加速度等。国外对压电陶瓷类的智能材料的应用研究主要集中在结构振动控制与结构形状的自适应控制2个方面。从1991年，美国就应用压电技术建立了压电陶瓷结构声主动控制系统(ASAC)[14-15]，1993年美国还研制了含有主动控制的压电复合材料结构，随后不断有研究人员利用压电陶瓷作为加速传感器和驱动器研究了在不同复杂激励条件下压电层结构的主动控制等问题[16]。我国相对来说对智能材料的研究起步较晚，且现在仍处于初级研究阶段。不过同样有大量研究人员在该方面取得的研究成果不断涌现。明清等[17]通过将压电智能材料制作成压电智能传感器粘贴在建筑结构的表面，完成了对结构内部所存在的缺陷的监测。阎石等[18]利用压电陶瓷传感器的波动法进一步研究,并且结合混凝土实际工作中常常容易出现的内部缺陷及其特点,研究出一套新型的便携式的健康监测系统,并顺利应用到了实际当中；艾亿谋等[19]采用压电有限元分析方法，研究了压电材料对柔性悬臂梁的振动控制的影响，所得振动效果显著，为结构抗震提供了又一重要参考依据。在智能材料对结构的损伤识别方面，基于压电波动理论，通过分析压电智能材料所接收到的应力波来研究建筑结构的损伤情况。首先将压电智能材料制作成驱动器使其产生激励波，再将另外的压电智能材料制作成传感器用来接收信息波。由于建筑结构内部所存在的空洞、疏松、分层或者钢筋锈蚀等缺陷将会影响波的传播过程，消耗播的传播能量,进而削弱波的传播幅值，由此可以从波的传播能量的损失大小与结构内部的损伤程度之间的关系，并通过分析传播前的波与传感器接受到的传播后的波的幅值、频率等特征的不同，再利用相应的信号处理技术及均方根指标来判断结构内部的损伤程度及损伤位置[20]。廖彦宇等[21]采用埋入式的嵌入方式将压电智能材料与混凝土框架结构集成为一个整体的系统，然后通过施加拟动力和拟静力，研究结构的健康状态，并通过研究结果有效地判别了结构地健康状态及其发展趋势。以上这些关于压电智能材料在建筑结构中的应用研究,大多是将压电材料制成传感器和驱动器,用不同的方法与建筑结构集成,却还存在许多问题和不完善的地方,例如由于压电驱动器自身的特点,其应用在实际的建筑结构中,当遇到地震或者强风作用时,不能相应地进行实时的位置变换,这些问题都需要进一步研究解决。
4结束语
智能传感材料是具有特殊性质的新兴材料，在对工程结构健康监测技术中有其独特的优势和特点，发展前景十分广阔。智能材料的运用涉及到材料学、力学、生物学、化学等多项学科的知识。目前，关于智能材料具体应用到实际工程当中以及其应用的方式等问题的研究仍然处于初级阶段，存在着很多问题和不完善的地方，例如由于压电驱动器自身的特点，其应用在实际的建筑结构中，当遇到地震或者强风作用时，不能相应地进行实时的位置变换，这些问题都需要进一步地研究解决。另外，在今后的工作中加强智能材料性质的提升和智能材料与结构集成后的适应性和耐久性等方面的研究，具有重要意义。这可以使工程师能够全方位掌控结构运行状况，一旦出现问题可以及时修复和补救，从而有效地延长结构的使用寿命，增加结构的安全可靠度。
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作者：仝芳 董锦坤 范艳超 单位：辽宁工业大学 土木建筑工程学院
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