基于压电陶瓷的智能结构监测与损伤诊断

1 引言

随着我国土木行业的飞速发展，建筑结构朝着高层化、复杂化而演变。针对建筑结构的损伤演化进行实时监测已成为研究的热点之一。压电陶瓷是一类具备压电效应的智能材料，其通过正负离子偏移产生的自发极化能够实现机械能和电能相互转换，因此常作为重要的敏感元器件应用于压电传感器、致动器和换能器等电子设备，为结构健康监测提供了新的技术路径 [1，2]。压电陶瓷根据是否含有铅元素可分为含铅压电陶瓷（以 PZT（Lead Zirconate Titanate，锆钛酸铅）压电陶瓷为代表）与无铅压电陶瓷（以 KNN（Potassium Sodium Niobate，铌酸钾钠）压电陶瓷为代表）。PZT 压电陶瓷是一类运用最为广泛的压电陶瓷，该类陶瓷能量转化率高、驱动与传感能力强。然而，PZT 压电陶瓷也存在多种弊端，较高的烧结温度易导致含铅氧化物挥发，污染影响环境，影响人体健康 [3]。因此，寻找一种足以替代 PZT 压电陶瓷的环保高性能材料是研究的热点之一。KNN 基压电陶瓷具有优异的压电性能和较高的居里温度，被认为是最有望部分取代铅基压电陶瓷的候选材料之一 [4]。该体系陶瓷的逆压电系数在缺陷偶极子设计下可达 2700pm/V ，远超 PZT-5H 的 590pm/V 。同时，KNN 基压电陶瓷无铅无毒，符合国家绿色制造标准。KNN 基压电陶瓷的不断突破致使其未来有望成为压电材料的主流方向之一。

随着科学技术的不断进步，土木工程智能化水平的也在不断的被提升，压电陶瓷作为一种具有优异机电耦合性能的功能陶瓷，在建筑结构健康监测中的应用受到了广泛关注。结构在外部荷载作用下产生微小变形，压电陶瓷中压电效应的存在导致机械受力的情况下获得输出的电信号，从而实现应力、应变、裂纹及振动等结构状态参数的实时监测。在实际工程中，压电陶瓷传感器常被用于裂缝识别、损伤定位、疲劳评估等任务，特别适用于混凝土梁桥、高层结构、地基基础、隧道衬砌等多种土木构件。由于压电陶瓷器件具有体积小、响应快、频率范围宽等特点，可嵌入或贴敷于结构不同部位，实现多点分布式监测，构建结构的智能感知网络[5]。

2 压电陶瓷测结构智能元件的安装

压电智能监测结构根据压电陶瓷传感器与结构之间的结合方式，主要分为埋入式与表面粘贴式两种形式[6]。

2.1 埋入式压电陶瓷传感器

埋入式压电陶瓷传感器通常在结构施工阶段预埋入结构内部。这种传感器布置方式具有显著的结构适应性优势，能够在结构受力变形过程中保持良好的界面协同性，从而实现对结构内部应力与应变动态响应的高精度捕捉，真实反映结构状态。

此外，由于埋入式的方式中，压电陶瓷作为传感器被结构材料包裹。因此，该方式下的压电传感器对外部环境的适应能力以及抗干扰能力较强，增强了该传感器服役的长期稳定性和监测可靠性。其次，结构外部荷载环境的变化会导致埋入式压电传感器信号变化，直接反映建筑结构内部的变化，例如裂纹萌生、微损伤裂纹扩展。对于内部结构变化的灵敏监测，有利于实现结构早期损伤的识别，为建筑结构的维护和修复提供参考依据，避免造成较大的经济损失。另外，由于该方式下的压电陶瓷传感器在施工阶段埋入建筑结构内部，因此该传感器与结构之间的结合方式对结构外形基本无影响。由此可见，该方法尤其适用于对外观性要求较高的建筑结构。

然而，该压电陶瓷传感器和结构之前的结合方式也存在一些局限性。首先，该方式下，压电传感器的维修较为复杂且成本高昂。在实际服役环境下，埋入式压电传感器的故障，通常需要破坏原有建筑结构才能进行传感器的维修或者换装，该过程不仅破坏了结构，并且还会有影响建筑结构的正常使用。此外，该结合方式仅适用于结构施工初期，因此其适用范围非常有限。另外，研究表明安装位置的差异将严重影响传感器性能甚至导致失效，因此该传感器和结构的结合方式对传感器安装精度要求极高。

2.2 表面粘贴式压电陶瓷传感器

压电陶瓷传感器与建筑结构的结合方式除了上述的埋入式，还有表面粘贴式。该结合方式下，该类压电传感器可以在结构建筑的任一阶段进行布设，适用范围较埋入式更广泛，其不仅适用于新建建筑，也适用于既有建筑。除此之外，表面粘贴式的结合方式，还可以布设在建筑结构的任意位置，且数量也可以根据监测需求进行灵活调整。对于关键部位可以实施定位监测，实现高精度的状态识别与损伤定位。

与埋入式维护困难不同的是，表面粘贴式在传感器出现损坏或性能衰退时不需要破坏结构本体便可以实现，由此可见该结合方式下的压电陶瓷传感器具备更高的灵活性和可操作性。因此，表面粘贴式在长期监测的建筑物中得到广泛使用。

然而，表面粘贴式的压电传感器也存在固有的局限性。首先，长期暴露在外部环境中导致其容易受到外部环境的影响（例如，温度、湿度以及雨水冲刷），可能导致传感器灵敏度的下降或者性能衰减甚至失效。此外，与埋入式不同的是，表面粘贴式还会涉及到粘贴界面耦合效率的相关问题。现有的研究表明，粘贴不密实或者在外环境下出现老化，传感器易发生信号失真或者检测盲区，该现象在振动荷载或者长期使用条件下更为突出。另外，表面粘贴式对于粘贴于建筑物的表面，因此该特征表明其并不适用于对于外观要求较高的建筑物。

3 结论

综上所述，埋入式和粘贴式两种压电传感器和建筑结构的结合方式在监测系统中各具有不同的优势，适用于不同的建筑结构需求。其中，埋入式压电传感器由于对内部缺陷具备较好的灵敏度，适合应用于新建结构的长期嵌入式监测。表面粘贴式压电传感器具有安装灵活、维护便捷等优势，更适用于对既有建筑结构的后期加装与长期状态评估。因此，在实际工程中应该根据结构类型、监测目标及施工条件合理选择传感器布设方式，以实现监测效率与系统可靠性的兼顾。

参考文献：

[1] 岳秀珍 . 基于物联网的建筑结构智能化健康检测方法 [J]. 中国 建 筑 金 属 结 构 ，2025，24（08）：19-21.DOI：10.20080/j.cnki.ISSN1671-3362.2025.08.007.

[2] 张洋洋 . 基于 BIM 技术的建筑结构施工质量动态监测与质量提升策略研究 [J]. 中国品牌与防伪 ，2025，（06）：158-160.

[3] Chen S， Dong X， Mao C， et al. Thermal Stability of （1 − x） BiScO3 − xPbTiO3 Piezoelectric Ceramics for High-Temperature Sensor Applications[J]. Journal of the American Ceramic Society，2006， 89（10）： 3270-3272.

[4] Wu J. G.， et al.， Giant Piezoelectricity in Potassium-Sodium Niobate Lead-Free Ceramics， Journal of the American Chemical Society， 2014， 136（8）： 2905–2910.

[5] Cahill P， O’Keeffe R， Jackson N， et al. Structural health monitoring of reinforced concrete beam using piezoelectric energy harvesting system[C]//EWSHM-7th European workshop on structural health monitoring. 2014.

[6] 孙威 . 利用压电陶瓷的智能混凝土结构健康监测技术 [D]. 辽宁 ： 大连理工大学 ，2009. DOI：10.7666/d.y1602286.