基于壓電阻抗法的結(jié)構(gòu)損傷檢測技術(shù)進展

張玉祥,張　鑫,陳家照,李知佳

(第二炮兵工程大學， 西安 710025)

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基于壓電阻抗法的結(jié)構(gòu)損傷檢測技術(shù)進展

張玉祥,張鑫,陳家照,李知佳

(第二炮兵工程大學， 西安 710025)

摘要：為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的快速在線檢測，研究基于壓電阻抗(EMI)法的無損檢測技術(shù)十分必要?？偨Y(jié)了國內(nèi)外在EMI方面的研究進展，全面概括了應(yīng)用EMI的單位和個人在此方面取得的成果，并介紹了基于EMI檢測損傷的經(jīng)驗及成熟度，對后續(xù)開展基于EMI的結(jié)構(gòu)檢測具有指導意義。

關(guān)鍵詞：損傷檢測；壓電阻抗；脫粘

無論是民用的飛機、橋梁、火車、汽車等，還是軍用的火箭、導彈、航母、潛艇等，其安全性和可靠性都非常重要。在這些結(jié)構(gòu)長期服役的過程中，由于結(jié)構(gòu)載荷、溫度載荷以及人為因素等的作用，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)不同程度的損傷或破壞，從而導致安全性和可靠性降低，甚至造成重大災(zāi)難性事故[1]。為了及時掌握結(jié)構(gòu)的損傷狀況，需對結(jié)構(gòu)件進行實時在線檢測。

1壓電阻抗技術(shù)介紹

用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的壓電阻抗(EMI)技術(shù)是利用全局振動理論來檢測結(jié)構(gòu)局部損傷的新技術(shù)。其基本原理是[2]:結(jié)構(gòu)損傷引起結(jié)構(gòu)機械阻抗的變化，利用壓電材料的機電耦合效應(yīng)，當對主體結(jié)構(gòu)粘結(jié)的壓電片施加交流電場時，壓電材料由于逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生機械振動，并帶動主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動；主體結(jié)構(gòu)的機械振動又傳遞到壓電材料上，通過正壓電效應(yīng)使壓電片產(chǎn)生電響應(yīng)，表現(xiàn)為電阻抗的變化，在壓電材料的電阻抗信號中就包含結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的信息，通過與結(jié)構(gòu)在無缺陷時壓電片的電阻抗譜比較，可以確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷發(fā)展情況，由此可對結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測與損傷診斷。該技術(shù)最初被應(yīng)用于尖端武器運載工具的研制并取得很大成功，目前已在各個工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用并逐步發(fā)展成一種常規(guī)方法。

EMI技術(shù)的優(yōu)點有：①采用的工作頻率較高(10 kHz～2 MHz，即為PZT(壓電陶瓷)的驅(qū)動電場頻率)，故其對初始階段的損傷及結(jié)構(gòu)整體的微小變化非常敏感，便于及時采取有效措施。② 敏感范圍限于壓電陶瓷附近的一定區(qū)域，遠場作用將被隔離，使之可準確地識別損傷位置。③ 壓電陶瓷在正常工作條件下呈現(xiàn)出良好的性質(zhì)：線性范圍大、反應(yīng)快、重量輕、效費比高、長期穩(wěn)定性好。④既可作為驅(qū)動器也可作為傳感器[3]。

2EMI檢測理論模型

EMI檢測理論建模與分析是EMI技術(shù)應(yīng)用于損傷檢測的理論基礎(chǔ)，很多學者對EMI檢測模型開展了研究。1994年美國弗吉尼亞工學院和州立大學的LIANG等[4]首次建立了壓電片電阻抗與被測結(jié)構(gòu)機械阻抗的解析關(guān)系，即一維結(jié)構(gòu)的EMI檢測模型。隨后ZHOU將LIANG的模型擴展到二維模型[5]，但利用該二維模型很難從試驗或計算得到的電阻抗譜(EMI信號)中提取反映結(jié)構(gòu)振動特性的機械阻抗。BHALLA等[6]提出了有效阻抗的概念，按照有效阻抗建立的二維檢測模型便于提取被測結(jié)構(gòu)的機械阻抗，更適合于損傷檢測。當壓電片厚度較大時，二維模型不能很好地預(yù)測EMI響應(yīng)信號，ANNAMDAS等[7]提出了考慮PZT(鈦鋯酸鉛陶瓷)三維振動的壓電阻抗模型。以上幾種模型建立了壓電片的電導納與結(jié)構(gòu)機械阻抗的關(guān)系，從壓電片的電阻抗變化就能判斷結(jié)構(gòu)機械阻抗發(fā)生了改變，即結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)了損傷，但是并不能得出具體損傷類型、損傷位置和損傷物理參數(shù)。為了通過反問題求解的方法得到結(jié)構(gòu)具體的損傷物理參數(shù)，有學者通過對特定對象進行研究，建立了包含結(jié)構(gòu)損傷參數(shù)的壓電阻抗檢測理論模型。王丹生等[8]考慮單壓電片驅(qū)動下鋼梁的縱向振動和彎曲振動，得到了兩端自由的壓電智能梁的機械阻抗解析式，由此可以建立壓電片電阻抗信號與結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)之間的解析模型。嚴蔚等[9-11]通過將含損傷的桿、梁結(jié)構(gòu)處理為節(jié)段均勻結(jié)構(gòu)，采用傳遞矩陣法和回傳矩陣法建立了含損傷參量的壓電阻抗模型。徐福后等[12]將壓電片的橫向和縱向慣性力均加以考慮，采用了傳遞矩陣法建立了含裂紋損傷的Timoshenko梁結(jié)構(gòu)檢測模型。上述方法的特點是,即使在較高頻率范圍時仍能保持較高的計算精度，但目前只能應(yīng)用于一維結(jié)構(gòu)，對于板殼結(jié)構(gòu)還有待進一步研究，為此很多學者采用近似解析法:XU等[13]利用p-Ritz法建立了梁、板結(jié)構(gòu)的含損傷參數(shù)的壓電阻抗檢測模型；YANG等[14]采用p-Ritz法建立了薄殼結(jié)構(gòu)損傷檢測的壓電阻抗模型。采用p-Ritz法在頻率較低(小于20 kHz)時，模型預(yù)測與試驗較吻合，隨著頻率增大，預(yù)測精度隨之降低，另外，p-Ritz法不適用于復(fù)雜彈性邊界條件下的結(jié)構(gòu)。徐福后等[15]研究了適用于任意彈性邊界條件下的勢函數(shù)，利用Rayleigh-Ritz法建立了任意邊界條件下?lián)p傷梁、板結(jié)構(gòu)的EMI檢測模型。以上研究主要集中在梁、桿、板、殼結(jié)構(gòu)，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)還不能通過解析的方法得到含損傷參數(shù)的檢測模型。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)的壓電阻抗建模分析通常采用數(shù)值方法。YANG等[16]通過有限元軟件ANSYS進行了壓電阻抗響應(yīng)分析，驗證了有限元方法分析的可行性和有效性。蔡金標等[17]建立了由壓電片-黏結(jié)層-主體結(jié)構(gòu)組成的耦合系統(tǒng)的三維有限元模型，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合。張玉祥等[18]利用有限元方法建立了復(fù)雜橡膠結(jié)構(gòu)的有限元模型，并對橡膠老化過程進行了仿真研究，結(jié)果表明EMI技術(shù)可以用于橡膠老化監(jiān)測。雖然有限元方法可以對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行EMI響應(yīng)分析，但當頻率較高時，需要將網(wǎng)格劃分很細，導致計算量大、耗時長。采用解析法與數(shù)值法相結(jié)合的方法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)EMI響應(yīng)進行分析，不需要對整個壓電智能結(jié)構(gòu)進行有限元分析，只需要對其中的被測結(jié)構(gòu)進行有限元分析，因而顯著地減少了計算量、提高了計算效率，該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于多孔板結(jié)構(gòu)壓電阻抗法建模與分析[19]，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的損傷檢測模型的建立和快速分析提供了可能。

3結(jié)構(gòu)損傷的識別

航空航天單位對復(fù)合材料的無損檢測都十分重視，其中重要的一項就是材料的界面脫粘損傷檢測[20]。常用的界面脫粘檢測技術(shù)包括超聲波檢測、X射線檢測、激光檢測、CT檢測、紅外和微波等檢測方法[21]，甚至有些單位用到了中子探測技術(shù)，但由于中子探測技術(shù)要求較高、條件苛刻、費用昂貴、操作不便，因此很少普及。

目前最常用的超聲波檢測方法僅能用于多層界面的表層界面檢測而不能檢測深層缺陷，且該技術(shù)可檢測的缺陷較少，不能全面反映結(jié)構(gòu)的質(zhì)量狀況，也無法實現(xiàn)在線檢測。X射線檢測對于操作人員要求較高，同時設(shè)備體積龐大、價格昂貴，另外X射線屬于高能射線，對人體也有極大危害。CT檢測對于剝離度小于0.01 mm的脫粘檢測比較困難[22]。激光全息檢測技術(shù)應(yīng)用的主要障礙是物體的剛性運動和溫度對檢測的影響，而我國在這方面的技術(shù)尚不成熟，設(shè)備穩(wěn)定性和實時性都比較差，還處于實驗室階段[23]；國外的技術(shù)雖然先進，但發(fā)達國家的軍工技術(shù)對我國是封鎖的。紅外檢測技術(shù)在檢測粘接結(jié)構(gòu)方面，對面板的厚度和材料的導熱系數(shù)都有一定的要求，面板太厚或材料的導熱系數(shù)太高都會影響檢測靈敏度，因此在檢測某些粘接結(jié)構(gòu)時受到了限制[24]。微波檢測能實現(xiàn)非接觸測量，能快速連續(xù)工作，設(shè)備也較簡單，但是由于集膚效應(yīng)，微波檢測不能深入到金屬或其他導電材料，因而不能檢測以金屬或碳纖維等導電材料為外層的復(fù)合結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷；再者，微波檢測局部缺陷的靈敏度還被微波的波長限制，小于波長的缺陷檢測不出來[25]。

王召巴等利用相控陣技術(shù)實現(xiàn)了不等厚金屬非金屬復(fù)合構(gòu)件的脫粘檢測。他通過板波誘發(fā)波超聲檢測技術(shù)，采用一收一發(fā)兩個探頭在金屬(鋼)基體的外側(cè)檢測內(nèi)部多界面脫粘，有效解決了聲波穿過高聲阻抗鋼板進入低聲阻抗非金屬材料時呈現(xiàn)出的反射率大、透射率小的問題[26]。屈文忠等采用試驗與仿真相結(jié)合的方法，研究了鋼板結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)的損傷狀況，初步建立了導納譜與損傷間的關(guān)系；并進行鋁板結(jié)構(gòu)受沖擊時的損傷檢測，識別出了沖擊的大致位置。蘇眾慶將壓電片深埋于高鐵每節(jié)車廂轉(zhuǎn)向架中，用超聲導波的方法實現(xiàn)在線檢測疲勞或應(yīng)力裂紋。美國Giurgiutiu教授采用壓電片進行了多項試驗，為今后的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)損傷檢測奠定了基礎(chǔ)。

4基于EMI技術(shù)的損傷識別

如何通過實測的電阻抗信號譜準確識別損傷位置和損傷程度一直是壓電阻抗法研究的重點內(nèi)容。

有學者在含損傷參數(shù)的EMI檢測模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合實測EMI信號譜，通過反問題求解的方法得到了結(jié)構(gòu)的損傷物理參數(shù):XU[13]等結(jié)合實測的EMI信號譜，利用遺傳算法求解出相應(yīng)的物理損傷參數(shù)值，徐福后等[27]在建立含損傷參數(shù)的物理模型的基礎(chǔ)上，采用粒子群算法從實測EMI信號譜中反向求解出結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)。上述基于模型的損傷識別方法可以準確地識別出結(jié)構(gòu)損傷參數(shù)，但由于對含損傷參數(shù)的EMI檢測模型研究較少，目前只能用于簡單結(jié)構(gòu)處于特定邊界條件時的損傷檢測。

針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，EMI技術(shù)通常需要結(jié)合有限元方法，對損傷物理參數(shù)進行定量識別，NAIDU等[28]采用EMI技術(shù)和有限元分析相結(jié)合的方法用高階模態(tài)進行了損傷位置識別研究。TSENG等[29]提出了一種參數(shù)優(yōu)化算法更新結(jié)構(gòu)的有限元模型，并結(jié)合EMI技術(shù)進行損傷定位。但是根據(jù)所謂的“大拇指法則”(即一個波長范圍內(nèi)至少需劃分7～10個單元才能獲得有意義的結(jié)果)，在高頻分析中，需要劃分大量的單元，導致節(jié)點數(shù)目增多，在損傷識別過程中，需要多次迭代計算，每計算一次，都需要對結(jié)構(gòu)重新離散，從而極大影響損傷識別效率，如何提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的定量損傷識別效率需要進一步研究。

上述方法需要建立解析模型或者有限元模型，對于實際的復(fù)雜結(jié)構(gòu)精確建模通常比較困難，為此有不少學者對不依賴具體物理模型的損傷識別方法進行了研究。LOPES等[30]采用阻抗法結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析在損傷定量識別方面作了一些探討，通過試驗驗證能夠較準確識別損傷程度和多處損傷。危玉蓉等[31]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和EMI技術(shù)相結(jié)合的方法成功檢測了鋁板中的裂紋。沈星等[32]將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于EMI檢測技術(shù)中，利用訓練后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快速并精確地判斷出松動的螺栓位置。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以識別結(jié)構(gòu)損傷的位置和程度，但針對不同的結(jié)構(gòu)、不同的損傷都需要有大量樣本，而實際結(jié)構(gòu)的樣本往往不易獲得，因此阻礙了該方法在基于EMI技術(shù)的損傷識別中的廣泛應(yīng)用。

還有一種常用的方法是通過分析損傷前后壓電阻抗信號譜的偏離程度對損傷程度進行判別，偏離度通常采用數(shù)學統(tǒng)計量衡量，統(tǒng)計量越大，表示損傷越嚴重，常用的統(tǒng)計量包括均方差[33](RMSD)、平均絕對偏差[34](MAPD)、協(xié)方差[35](COVARIANCE)、相關(guān)系數(shù)[36](CCD)等，TAWIE等[37]對上述幾種統(tǒng)計量進行了比較研究。采用這種方法簡單易于操作，能快速判斷結(jié)構(gòu)損傷，卻不能得到結(jié)構(gòu)損傷的具體物理參數(shù)，在判別損傷發(fā)展趨勢時也有可能得到與事實相違背的結(jié)論，這通常與所選取的檢測激勵頻率是否合適有關(guān)，采用不同的激勵頻率獲得的壓電阻抗信號譜進行損傷程度判別有可能得到不同的結(jié)果，只有采用對損傷敏感的激勵頻率才能夠正確判別損傷發(fā)展趨勢，如何確定對損傷敏感的頻率還需要進一步研究[36-38]。

快速準確地判別結(jié)構(gòu)有無損傷、損傷發(fā)展趨勢[39]，高效地定量識別復(fù)雜結(jié)構(gòu)損傷參數(shù)，將損傷識別方法推廣應(yīng)用于實際工程結(jié)構(gòu)是基于EMI技術(shù)的損傷識別的發(fā)展方向[40]。

5基于EMI的結(jié)構(gòu)脫粘損傷研究進展

在航空航天領(lǐng)域，CHAUDHRY等[41-42]將壓電陶瓷驅(qū)動器/傳感器粘貼在飛機的尾部，應(yīng)用壓電阻抗法對遠場損傷和局部損傷進行了檢測，研究表明壓電阻抗法對遠場損傷不敏感，但能夠有效地檢測局部區(qū)域小損傷。蔡金標等通過建立有限元模型，研究了在測量結(jié)構(gòu)脫粘時粘貼層特性的變化對壓電信號阻抗測量的影響。SEELEY等[43]通過試驗研究了驅(qū)動器部分脫粘對智能復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。TONG等[44]提出了一個含有部分脫粘的壓電智能梁模型，并分析了脫粘對結(jié)構(gòu)驅(qū)動和傳感的影響。SUN等對閉合回路下壓電驅(qū)動器脫粘進行了研究，發(fā)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生脫粘并且驅(qū)動器/傳感器的脫粘會非常明顯地降低控制效率。鄭世杰[45]提出了一個新的加強假定應(yīng)變壓電固體單元，采用相同坐標值但不同節(jié)點號的方法模擬脫層，利用該單元分析了傳感器、驅(qū)動器脫開對結(jié)構(gòu)動力學特性的影響。周勇等[46]提出了一個壓電層板矩形單元，對壓電驅(qū)動器和基體部分脫粘后對結(jié)構(gòu)變形的影響進行了初步的研究。YAN等通過內(nèi)聚力單元研究了PZT薄膜和基體之間的界面脫粘[47]?？紤]到在機械載荷和電載荷共同作用下，界面脫粘可能會擴展，導致壓電片傳感精度或控制效率進一步降低，甚至完全失效，大連理工大學工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室白瑞祥等采用三維有限元模型，建立了基于虛裂紋閉合技術(shù)的界面斷裂單元，并且通過有限元軟件ABAQUS的用戶自定義單元UEL功能實現(xiàn)，對部分脫膠的壓電復(fù)合材料梁在電壓作用下的脫膠前緣的能量釋放率進行了模擬分析，所得結(jié)論對界面脫粘損傷擴展模式的判定提供了參考依據(jù)[48]。張玉祥等建立了基于壓電阻抗法的脫粘損傷檢測模型，并利用小型檢測儀初步對于普通金屬的脫粘情況進行了試驗，試驗效果良好；艾春安等也對固體火箭發(fā)動機粘接結(jié)構(gòu)研究較為深入，用不同方式開展了對結(jié)構(gòu)黏接質(zhì)量的研究[49]。

6發(fā)展前景及應(yīng)用展望

根據(jù)EMI技術(shù)的原理可知，其可檢測范圍包含裂紋、疏松、氣泡、砂眼、孔洞、夾渣、脫粘和未焊透等缺陷，是在不損壞材料和制品情況下進行內(nèi)部和表面的各種缺陷檢測及材料評價的一種無損檢測技術(shù)。它的應(yīng)用將會大大提高結(jié)構(gòu)損傷檢測的效率，使檢測設(shè)備朝著小型化、圖像化、智能化、清潔化的方向發(fā)展，并推廣應(yīng)用至工業(yè)領(lǐng)域的多層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料的損傷在線檢測。結(jié)合其他方法，如量子粒子群算法(QPSO)使檢測脫粘等結(jié)構(gòu)損傷的精度得到進一步提高。

(1) 選擇檢測設(shè)備，尋找最合適的元器件、最優(yōu)化的傳感器布置，如將現(xiàn)在的AD5933更換為開發(fā)板，擴大檢測頻域范圍。

(2) 加入環(huán)境因素，如溫度、濕度、光照等，確保惡劣復(fù)雜環(huán)境時的適應(yīng)性。

(3) 改進檢測方法，實現(xiàn)由現(xiàn)場接觸式向遠程監(jiān)控式的轉(zhuǎn)變。

(4) 優(yōu)化檢測模型，使復(fù)雜的大型系統(tǒng)中任一損傷都能得到及時、敏感、準確檢測。

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Development on Detecting Technique of Structure Damage Based on EMI

ZHANG Yu-xiang, ZHANG Xin, CHEN Jia-zhao, LI Zhi-jia

(The Second Artillery Engineering University, Xi′an 710025, China)

Abstract：In order to resolve the problem of the rapid on-line detection of structural damage, studying the research development of nondestructive testing technology based on the EMI is necessary. This paper systematically summarizes the research progress of EMI method in recent years at home and abroad, comprehensively sums up the achievements achieved by units and individuals who apply the EMI, and introduces the experience and maturity of damage detection based on EMI in various damage cases, which will have guiding significance on the structure testing based on EMI hereafter.

Key words:Damage detecting; EMI; Debonding

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)01-0069-06

DOI:10.11973/wsjc201601019

作者簡介：張玉祥(1963- )，男，博士生導師，主要從事動力系統(tǒng)檢測與故障診斷、系統(tǒng)綜合性能分析與評估方面的研究工作。

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51275517,51105364)

收稿日期：2015-05-20