1 引言
混凝土结构的健康监测主要包括缺陷损伤检测和应力应变检测。其中应力应变检测由于混凝土结构组成成分复杂显得较为困难，常用的检测方法包括有损和无损检测两种。实际工程中广泛使用的是能保证结构完整性的无损检测方法，如将应变片或者光纤传感器埋人混凝土结构中。对混凝土结构来说，压电陶瓷还具有抗腐蚀和抗高应力的特点。已经有研究尝试将压电陶瓷埋入混凝土结构中形成压电阵列传感网络来完成结构健康检测。在前期工作中，我们提出一种通过测量压电陶瓷的特性参数在应力作用下的变化来反映混凝土结构中的应力变化的压电机敏混凝土模块。研究表明埋入混凝土中的压电陶瓷的等效电路参数对应力的响应具有近似的线性特性，可以通过测量等效电路参数进行应力监测。但在研究中也发现，测量这些参数对应力的响应时会受到其他因素如温度变化的影响。
本文通过压电机敏混凝土模块中敏感元件PZT压电陶瓷在各种条件下的温度实验，研究了温度变化和埋入深度变化时PZT压电陶瓷特征频率和等效电路参数的温度特性。讨论了埋有压电陶瓷的混凝土敏感模块中存在的应力-温度交叉传感现象的成因。实验结果表明，可利用特征频率来解决PZT压电陶瓷的应力-温度交叉敏感。
2 实验
本文研究了PZT(Pb(Zr，Ti)O3)压电陶瓷各特性参数在埋入混凝土结构后对温度的响应，对比了两种压电陶瓷的温度特性，分别为相同几何尺寸(φ25mm×2mm)的硬性PZT-4和软性PZT-5H。PZT压电陶瓷是比较脆性的物质，而混凝土又是一种复杂的多相复合材料，其组成成分为砂、石、水泥胶块中的晶体、未水化的水泥颗粒，如果不作任何处理就将脆性的压电陶瓷片直接埋入混凝土结构中，在混凝土凝结过程中，混凝土体积会逐渐缩小并产生收缩应力，这种应力会导致埋入其中的压电陶瓷片上形成应力集中，损伤压电陶瓷。在前期研究中，提出了一种通过在压电陶瓷片外围覆盖一层橡胶层(单组分室温硫化硅橡胶)的方法来保护埋入混凝土中的压电陶瓷。
2.1 不同厚度橡胶层PZT压电陶瓷的温度实验
温度实验中使用了四种橡胶层厚度，分别为0.2，0.5，1，1.5mm。将覆盖不同厚度橡胶层的PZT压电陶瓷圆片直接放置于高低温交变湿热箱(SDJ402)中，通过调节温热箱内部温度来改变压电陶瓷所处的环境温度。测量压电陶瓷各特性参数采用Anritsu MS-4630B矢量网络分析仪。实验装置如图1所示。
2.1.1 覆盖不同厚度橡胶层的PZT压电陶瓷特征频率的温度特性
两种PZT压电陶瓷的谐振频率fr、反谐振频率fa和串联谐振频率fs的温度特性曲线如图2所示。从图2(a)中可以看出，同类PZT压电陶瓷在不同厚度橡胶层下谐振频率fr变化基本为一簇平行线，各曲线初始值有不同，但变化趋势相同。PZT-4压电陶瓷谐振频率fr随温度的增加而向高频端漂移，是近似线性的变化。通过分析计算，整个实验从-30～120℃变化过程中，PZT-4压电陶瓷的fr对温度的平均变化率为215.5Hz／10℃(10℃为实验所设测量温度点的温度间隔)，相对变化率为3.89％。而图2(a)中PZT-5H压电陶瓷的谐振频率fr表现的温度特性与PZT-4的就有所不同。谐振频率fr呈明显的非线性温度特性。在低于20℃时，fr是随温度升高而向低频漂移；而在接近20℃时，fr向低段漂移速度减慢，几乎不随温度变化而变化；当温度进一步升高，fr开始向反方向的高频漂移，随温度升高频率值也增加。
图2(c)为两种PZT压电陶瓷串联谐振频率fs的温度响应曲线。文献[9]提到在不计损失前提下，串联谐振频率fs是等于谐振频率fr的。而在实际情况下，fs同fr是有差异的。但从图2(a)和(c)可以看到，这种差异相对于其温度的变化率是很小的，两个特征频率fs和fr的温度响应曲线无论是PZT-4还是PZT-5H压电陶瓷的趋势基本一致。
2.1.2 覆盖不同厚度橡胶层的PZT压电陶瓷等效电路参数的温度特性
在前期研究中，研究了压电陶瓷的等效电路参数对外界变化载荷应力的响应情况。但测量这些参数对应力的响应时会受到其他因素如温度的影响。在温度实验中研究了PZT压电陶瓷的谐振点阻抗Zr和反谐振点阻抗Za的温度响应特性，其温度响应曲线如图3所示。
图3中两种PZT压电陶瓷的谐振点阻抗Zr和反谐振点阻抗Za都表现出对温度敏感的特征，大体趋势随温度的升高而降低的。这是因为PZT压电陶瓷的阻抗作为其电学性能的反映是同压电陶瓷晶体内部原子或分子对电子的束缚能力有关的，当温度升高时，电子的动能增加，使其更容易摆脱原子或分子的束缚。
图3中，PZT-4压电陶瓷的谐振点阻抗Zr在约60℃出现了一个小幅度的跳变，是由于PZT-4压电陶瓷在该温度点发牛的铁电-铁电相变造成的。而其反谐振点阻抗Za温度响应则不太规则，在低于约40℃时随温度的变化不大，当温度高于约40℃后，Za的温度曲线在该处产生一个拐点后随温度的升高而减小。而PZT-5H压电陶瓷的Zr温度曲线不像PZT-4那样存在着相变引起的跃变，而是随温度的升高逐渐降低，趋势减缓。其Za的随温度变化整体比较平缓，在约0℃以下时Za较为稳定，从0℃左右开始，Za随温度升高开始减小，变化率约为-50.17／10℃的线性变化，当温度超过90℃后，Za也几乎不再随温度升高而变化。
2.2 不同埋入深度情况下的PZT压电陶瓷等效电路参数的温度特性
在不同埋人深度条件下，两种PZT压电陶瓷的谐振点阻抗Zr和反谐振点阻抗Za的温度曲线如图4所示。从图4(a)中可以看到，PZT-4压电陶瓷在不同埋入深度条件下，其谐振点阻抗Zr的温度曲线已经偏离自由状态(埋人深度为0 mm)下的温度曲线。在同一温度点，埋入深度越深，Zr的温度曲线偏离自由状态幅度就越大。因为埋入深度越深，由于温度改变所影响的混凝土体积收缩变化量越大，施加在埋入的压电陶瓷上的应力也就越大，这与文献[5]指出的应力增加会使谐振点阻抗Zr增加是一致的。当温度不断升高，混凝土体积变化达到一定稳定程度，所造成的应力将逐渐变小，同时，Zr的增加随之减缓。这时的Zr的温度响应曲线与自由状态下的Zr的温度曲线接近，在图(a)中可以看见不同埋入深度的Zr温度曲线在高温段逐渐重合。PZT-5H压电陶瓷的Zr温度曲线变化与PZT-4压电陶瓷的Zr温度曲线变化类似。
而图4(b)中反谐振点阻抗Za的温度特性有所不同。由于反谐振点阻抗值是随应力的增加而减小，当温度降低使混凝土试件体积变化，在压电陶瓷上产生的收缩应力会加大，使Za值减小；但由上一个温度实验可以发现，温度降低会使得Za值增加，所以应力与温度对Za的影响是相反的，图4中在低温段各Za的温度曲线变化较平缓，其中PZT-4压电陶瓷的Za温度曲线虽然整体非线性较为严重，但在低温段曲线变化较为平缓。
3 结 论
压电陶瓷元件在外界物理条件(如应力、温度等)变化时，其特性将会在晶体层面发生变化，反映其特性的等效电路参数也将发生相应的变化。根据这一特性，可以通过测量等效电路参数来反映外界物理条件的变化，从而实现对应力或者温度的监测。但同时，由于压电陶瓷的特性会既受到应力的影响也受到温度的影响，因而在通过测量埋入混凝土中的压电陶瓷的等效电路参数来进行应力监测时，各参数的应力响应特性会受到温度变化的影响，出现应力-温度交叉传感现象。在我们的研究中发现压电陶瓷的特征频率具有对温度敏感而对应力不敏感的特性。利用这一特性，可采用最小二乘法多项式曲线拟合，结合数据融合等方法，补偿由于应力-温度交叉传感所带来的应力监测不确定性。
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