緊固件連接失效的壓電阻抗監(jiān)測技術(shù)

常源隆，董鴻祥，王 強(qiáng)

(南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院， 南京 210023)

緊固件連接失效的壓電阻抗監(jiān)測技術(shù)

常源隆，董鴻祥，王 強(qiáng)

(南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院， 南京 210023)

針對緊固件連接失效的壓電阻抗監(jiān)測方法對設(shè)備要求高且損傷判斷方法不統(tǒng)一的問題，推導(dǎo)了壓電傳感器電導(dǎo)納實部的計算公式，根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果設(shè)計了結(jié)構(gòu)損傷診斷系統(tǒng)，研究通過壓電傳感器的電導(dǎo)納實部的頻率譜來檢測緊固件連接失效的可行性。試驗結(jié)果表明，根據(jù)壓電傳感器的電導(dǎo)納實部相對變化率頻譜可以準(zhǔn)確地判斷緊固件連接是否失效。

PZT壓電傳感器；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測；機(jī)電耦合原理；連接失效

在諸多實際工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、航空器、汽車以及空間桁架等結(jié)構(gòu)(如輸電鐵塔等)中，緊固件的使用是必不可少的。緊固件的松緊問題是結(jié)構(gòu)完整性檢查的一個重要環(huán)節(jié)，緊固件的松動可能會引起整個機(jī)構(gòu)的失效，造成災(zāi)難性的事故[1]。

目前對緊固件失效的監(jiān)測已經(jīng)存在大量研究：美國緬因州大學(xué)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中螺釘連接失效的監(jiān)測進(jìn)行了研究[2]；北京工業(yè)大學(xué)研究了螺釘松動對壓電元件特性的影響[1]；南京航空航天大學(xué)在小型環(huán)氧板上實現(xiàn)了螺釘松動的實時監(jiān)測[3]；西安熱工研究院對某臺兆瓦級風(fēng)力機(jī)塔上的高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行了無損檢測，并通過滲透檢測驗證了檢測結(jié)果的有效性[4]。然而，試驗對損傷信息的收集多采用昂貴的網(wǎng)絡(luò)分析儀，以較高頻率(≥50 kHz)進(jìn)行測量；對于損傷的判斷一般采用電阻抗譜的變化或通過乘法器分離所得的電導(dǎo)納實部譜的變化來表征，但前者由于壓電片阻抗有效值較大而變化不明顯，影響監(jiān)測可靠性，后者器件相對復(fù)雜而受外界干擾嚴(yán)重[6-12]進(jìn)行驗證。

筆者針對緊固件失效監(jiān)測中電導(dǎo)納實部信息的應(yīng)用，推導(dǎo)了壓電傳感器的電導(dǎo)納實部信息的計算公式，采用標(biāo)準(zhǔn)化總線式模塊實現(xiàn)了損傷診斷系統(tǒng)，克服了阻抗變化不明顯的問題，并進(jìn)行了驗證試驗。

1 結(jié)構(gòu)損傷的壓電阻抗監(jiān)測技術(shù)

當(dāng)對壓電傳感器施加一個交變電場時，由逆壓電效應(yīng)會產(chǎn)生一個周期性交變電磁力，通過壓電傳感器和結(jié)構(gòu)之間膠質(zhì)層的彈性力和阻尼力向結(jié)構(gòu)發(fā)出激勵；結(jié)構(gòu)反饋響應(yīng)后，響應(yīng)通過膠質(zhì)層反饋給壓電傳感器，使得壓電傳感器產(chǎn)生一個新的形變，由于正壓電效應(yīng)的存在而使得壓電傳感器的輸出電場發(fā)生改變，直觀上看相當(dāng)于壓電傳感器的電阻抗發(fā)生了變化。通過上述機(jī)電耦合原理，結(jié)構(gòu)損傷引起的機(jī)械阻抗的變化能夠反映到壓電傳感器電阻抗的變化上，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測[5]。

通過上述原理可以看出，壓電阻抗方法監(jiān)測損傷的核心是測量阻抗信息。測量阻抗的方法很多，常用的包括電橋法、諧振法、電壓電流法等。電橋法雖然精度較高但需要手動更換元器件來使電橋平衡；諧振法不僅精度較低，而且同樣需要手動調(diào)節(jié)元器件參數(shù)來使測量電路諧振。他們在測量壓電傳感器的阻抗譜中都因為工作量較大而不適用，所以筆者采用電壓電流法，測量電路原理如圖1所示。

圖1 電壓電流法的電路原理示意

圖中AC為頻率可控的交流信號源，PZT為壓電陶瓷片，Rm為串聯(lián)的分壓電阻，則有

(1)

式中:Zx為PZT壓電陶瓷片的阻抗;UA為測量電路中的激勵信號;UB為PZT壓電陶瓷片兩端的電壓信號。

根據(jù)郭振勇等[6]的研究結(jié)果，壓電傳感器的導(dǎo)納實部對結(jié)構(gòu)更加敏感，對壓電傳感器的導(dǎo)納實、虛部的頻率譜則還需進(jìn)行研究。由于阻抗與導(dǎo)納互為倒數(shù)，結(jié)合式(1)即可得到

(2)

式中：YX為PZT壓電片的導(dǎo)納。

因為壓電傳感器本身的電容特性，經(jīng)過壓電傳感器后，電壓信號會有一個幅度和相位的變化。假設(shè)兩路信號的相位差為θ，所以有

(3)

式中：UAm，UBm分別為UA，UB的幅值；G為電導(dǎo)納實部；B為電導(dǎo)納虛部。

G，B可由式(4)得出。

(4)

根據(jù)式(4)可看出，只需要得到兩路信號的幅值和相位差信息即可得到壓電傳感器在當(dāng)前頻率點的電導(dǎo)納實部和虛部。在確定頻率范圍內(nèi)，觀察損傷前后電導(dǎo)納實部頻譜的變化程度就可判斷損傷的程度。

在實際應(yīng)用中，只需以固定幅值、頻率可變的信號對壓電傳感器掃頻激勵，對傳感信號進(jìn)行采樣，通過對采樣所得數(shù)據(jù)和激勵信號進(jìn)行處理便可得到兩路信號的幅值比和相位差信息,進(jìn)而得到壓電傳感器的電導(dǎo)納實部頻譜，即可判斷損傷程度。

2 結(jié)構(gòu)損傷的壓電阻抗診斷系統(tǒng)設(shè)計

基于采集導(dǎo)納實部頻率譜的需要，采用了標(biāo)準(zhǔn)化總線模塊設(shè)備來設(shè)計損傷診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)設(shè)備的管理、數(shù)據(jù)存儲、信號分析以及監(jiān)測算法集成等功能。

2.1 系統(tǒng)硬件框架

筆者采用標(biāo)準(zhǔn)化總線式模塊，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接失效監(jiān)測系統(tǒng)的各部分功能，并通過總線實現(xiàn)對設(shè)備模塊的管理、數(shù)據(jù)通信和同步。圖2為硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)硬件主要由三部分組成：① 任意信號發(fā)生模塊，用以產(chǎn)生合適頻率的正弦激勵信號，加載到壓電傳感器電路中；② 數(shù)據(jù)采集模塊，用以實現(xiàn)壓電傳感器感應(yīng)信號的電荷放大和采集存儲；③ 控制管理和數(shù)據(jù)處理模塊，根據(jù)實時采集得到的傳感信號，采用先進(jìn)信號處理技術(shù)進(jìn)行分析和特征提取。上述三組模塊通過總線互聯(lián)，如測試系統(tǒng)典型的PXI總線、PCI總線，并由控制運算單元協(xié)調(diào)管理。

2.2 系統(tǒng)軟件流程

該損傷診斷系統(tǒng)的主要運行任務(wù)包括：系統(tǒng)管理和自診斷、選擇并產(chǎn)生合適的激勵信號、實時采集并存儲當(dāng)前狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號、采用先進(jìn)信號處理方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和特征提取、對試驗結(jié)果進(jìn)行實時顯示等。系統(tǒng)軟件的流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

在硬件系統(tǒng)初始化完成后，程序采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，每循環(huán)一次則改變激勵信號的頻率，而幅值和相位保持不變；循環(huán)需要的次數(shù)，從而采集到各個頻率點壓電傳感器傳感信號的幅值和相位信息。在各個頻率點上，將傳感信號與激勵信號的幅值相比得到幅值比，相位做相關(guān)處理得相位差，再根據(jù)式(4)即可得到壓電傳感器在當(dāng)前頻率點的電導(dǎo)納實部和虛部。在一定頻率變化范圍內(nèi)，掃描并記錄數(shù)據(jù)，然后繪出導(dǎo)納實部的頻率譜圖像，通過比較結(jié)構(gòu)輸出的頻率譜的變化，即可得到與鋁板結(jié)構(gòu)變化和損傷相關(guān)的信息。

3 系統(tǒng)驗證及試驗

3.1 系統(tǒng)設(shè)計驗證

按照上述設(shè)計思想，進(jìn)行了系統(tǒng)和試驗驗證，硬件系統(tǒng)設(shè)計主要采用了成熟的標(biāo)準(zhǔn)化PXI總線模塊及相關(guān)功能器件。其中，選用NI PXIe-8108控制器實現(xiàn)控制管理及數(shù)據(jù)處理模塊；選用NI PXI-5412任意函數(shù)發(fā)生卡實現(xiàn)信號發(fā)生模塊；選用NI PXIe-6361實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊。上述模塊按照PXI總線標(biāo)準(zhǔn)和接口集成在NI PXIe-1071機(jī)箱當(dāng)中，三者共同構(gòu)成試驗系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件實物如圖4所示，所具備的主要硬件參數(shù)指標(biāo)包括：振值2.97 mV～6 V可調(diào)、頻率0～20 MHz的正弦波輸出；8通道2 MS·s-1數(shù)據(jù)采集及存儲。

圖4 系統(tǒng)硬件實物圖

考慮到兼容性及穩(wěn)定性，系統(tǒng)軟件采用了LabVIEW軟件平臺，利用其良好的圖形化編程界面和豐富的信號處理控件，分別設(shè)計系統(tǒng)的各個功能模塊及算法經(jīng)，算法編譯之后作為子程序供軟件主程序調(diào)用。

軟件中主要應(yīng)用的算法有計算傳感信號與激勵信號相位差的算法。常用的相位差測量方法有過零點法、相關(guān)法和頻譜法。過零點法檢測相位適用于信號幅值較大的情況，如何準(zhǔn)確判定過零點是該方法的關(guān)鍵，因此易受噪聲的干擾。頻譜分析法對噪聲和干擾有一定的抑制作用，但是由于傅里葉變化中所用的參考信號都是標(biāo)準(zhǔn)的正弦和余弦信號，因此其對處理其他非正弦信號的效果較差，作用有限。相位相關(guān)法對于信號中的直流偏移、噪聲等干擾特別是隨機(jī)干擾，具有很強(qiáng)的抑制能力。系統(tǒng)設(shè)計中，采用了相關(guān)法計算相位差，計算公式如式(5)所示。

(5)

式中:Δφ表示相位差;Rxy(0)為兩信號互相關(guān)運算的結(jié)果在零點的值;Rx(0)，Ry(0)分別為單一信號自相關(guān)運算在零點的值。

綜上所述，隨著電力數(shù)據(jù)的激增，數(shù)據(jù)收集、存儲以及整理等工作的任務(wù)量也越來越大，而處理這些海量數(shù)據(jù)也給電網(wǎng)規(guī)劃體系建設(shè)帶來了新的挑戰(zhàn)。為此，我們需要對大數(shù)據(jù)時代下新型電網(wǎng)規(guī)劃體系存在的問題進(jìn)行分析，并全面分析新型電網(wǎng)規(guī)劃體系的構(gòu)架、數(shù)據(jù)獲取方式以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)在電網(wǎng)規(guī)劃體系中的應(yīng)用等內(nèi)容，以不斷完善電網(wǎng)規(guī)劃體系，促進(jìn)電力行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

采用相關(guān)法時，LabVIEW中內(nèi)置了對信號進(jìn)行自相關(guān)和互相關(guān)運算的函數(shù)，但需要注意，計算時要除相關(guān)運算的點數(shù)才是所求的相關(guān)運算結(jié)果。

3.2 系統(tǒng)試驗驗證 對上述系統(tǒng)的功能進(jìn)行了試驗驗證，采用了鋁合金板結(jié)構(gòu)為對象，鋁板尺寸(長×寬×厚)為30 cm×6 cm×1 mm。壓電傳感器粘貼在沿鋁板較長邊方向的中心線上，距離較短邊10 cm處。在試驗鋁板上距離壓電傳感器2 cm處打孔，在孔上安裝了一個螺栓。通過螺栓是否擰緊來模擬結(jié)構(gòu)的機(jī)械連接是否失效。試驗實物圖片如圖5所示。

圖5 試驗實物圖片

試驗采用峰峰值為8 V的正弦交流信號激勵。通過觀察試驗得知，當(dāng)分壓電阻取某一阻值時壓電傳感器兩端采集的信號的幅值變化明顯，且所采集信號的最高電壓不超過數(shù)據(jù)采集卡的量程，因此分壓電阻選擇此阻值。

對壓電傳感器的電導(dǎo)納實部頻譜在結(jié)構(gòu)連接失效檢測中的應(yīng)用進(jìn)行試驗，試驗分為重復(fù)性試驗和損傷試驗兩種。通過重復(fù)性試驗確定機(jī)械連接良好時頻譜是否在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定，試驗對連接良好的鋁板在不同的時間進(jìn)行4次測量，將得到的數(shù)據(jù)繪制成阻抗譜放在同一張圖中進(jìn)行比較，如圖6所示。通過損傷試驗確定相應(yīng)頻譜變化是否明顯，即是否可用于檢測結(jié)構(gòu)連接失效，試驗測試2組數(shù)據(jù)，第1組為結(jié)構(gòu)連接良好(此時將螺絲擰緊)時數(shù)據(jù)，第2組為結(jié)構(gòu)連接失效(此時將螺絲擰松)時數(shù)據(jù)。將兩組數(shù)據(jù)放在同一張頻譜圖中進(jìn)行比較，如圖7所示。

圖6 結(jié)構(gòu)連接良好時，重復(fù)性試驗得到的導(dǎo)納實部頻率譜

圖7 結(jié)構(gòu)連接損傷前后的電導(dǎo)納實部頻率譜

數(shù)據(jù)的變化率比數(shù)據(jù)的變化量能更直觀更準(zhǔn)確地反映出信號的波動，圖8給出了結(jié)構(gòu)連接良好時在不同時間測量采集的二、三、四組電導(dǎo)納實部數(shù)據(jù)相對于第一組的相對變化率，圖9給出了結(jié)構(gòu)機(jī)械連接失效后的相對變化率。

圖8 結(jié)構(gòu)連接良好時，重復(fù)性試驗得到的電導(dǎo)納相對變化率頻譜

圖9 結(jié)構(gòu)連接損傷后相對變化率頻率譜

由圖6和圖8可得出，在結(jié)構(gòu)連接良好的情況下，電導(dǎo)納的相對變化率在整個頻譜上相對較小，因此可認(rèn)為此時壓電傳感器的導(dǎo)納譜保持穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)機(jī)械連接檢測結(jié)果的一致性得到了保障。從圖7中可看出當(dāng)頻率小于2 350 Hz(第一個峰值)時，結(jié)構(gòu)機(jī)械連接失效后壓電傳感器的導(dǎo)納實部比機(jī)械連接失效前的??；而當(dāng)頻率大于2 350 Hz而小于2 750 Hz時，結(jié)構(gòu)機(jī)械連接失效后的導(dǎo)納實部比機(jī)械連接失效前的大。將損傷后的相對變化率頻譜與結(jié)構(gòu)完好時的相對變化率頻譜進(jìn)行比較可以看出：在結(jié)構(gòu)機(jī)械連接失效后電導(dǎo)納的特征變化極為明顯。

在相同試驗條件下，采用現(xiàn)有方法中常用的電阻抗有效值方法進(jìn)行三組試驗，分別為代表結(jié)構(gòu)連接良好時的對照組、重復(fù)試驗和損傷試驗。將三組試驗得到的阻抗譜繪于同一張頻譜中進(jìn)行比較，如圖10所示；并且，將其阻抗變化率頻譜繪于圖11中。

圖10 三組試驗的電阻抗有效值頻譜

圖11 電阻抗有效值變化率頻譜

為了更加直觀地得出損傷程度的變化，采用統(tǒng)計方法對頻譜變化程度進(jìn)行標(biāo)定，并將標(biāo)定結(jié)果定義為健康指數(shù)，這是一個無量綱的量，其能很好地反映導(dǎo)納實部譜的變化，從而與損傷的產(chǎn)生和擴(kuò)展有明顯的對應(yīng)關(guān)系。目前壓電阻抗應(yīng)用中標(biāo)定損傷程度的方法主要包括絕對值平方和均方根偏差兩種。筆者采用均方根偏差方法對導(dǎo)納實部頻譜進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定公式如式(6)所示。

(6)

式中：G(Zi,1)為參照組的電導(dǎo)納實部；G(Zi,2)為試驗組的電導(dǎo)納實部；i為第i個掃描頻率點；n為掃描點的個數(shù)。

健康指數(shù)(R)越大，說明頻譜變化程度越大，損傷程度越大，損傷點距離壓電傳感器越近。在重復(fù)性試驗中將第一組試驗作為參照，其余組作為試驗組；損傷試驗中將損傷發(fā)生前測得的數(shù)據(jù)作為參照，損傷發(fā)生后作為試驗組。標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

比較表1中的各組試驗的健康指數(shù)發(fā)現(xiàn)：在損傷未發(fā)生時，多次重復(fù)試驗中結(jié)構(gòu)的健康指數(shù)保持在相對穩(wěn)定且較小的狀態(tài)(在1.5附近波動)；損傷發(fā)生后，健康指數(shù)增大了數(shù)倍(達(dá)到了8.095)。這表明，通過測量并計算結(jié)構(gòu)的健康指數(shù)可以對結(jié)構(gòu)連接失效損傷進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，該方法具有可重復(fù)性和可行性，其結(jié)果較基于阻抗的診斷方法的結(jié)果愈加直觀、簡潔。

表1 各試驗組的標(biāo)定結(jié)果

4 結(jié)語

研究了針對緊固件連接失效的壓電阻抗監(jiān)測原理，給出了關(guān)于PZT有效電導(dǎo)納實部的測量方法，設(shè)計了基于壓電阻抗技術(shù)進(jìn)行緊固件連接失效損傷檢驗的試驗系統(tǒng)，繪制了PZT電導(dǎo)納實部的頻率譜和相對變化率頻譜，并對試驗結(jié)果進(jìn)行了標(biāo)定，驗證了電導(dǎo)納實部在低頻段對緊固件連接失效進(jìn)行檢驗的可行性。文章所用方法，擺脫了傳統(tǒng)方法中對價格昂貴的阻抗分析儀的依賴和對高頻信號的依賴，且易于實現(xiàn)，為利用壓電阻抗方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)機(jī)械連接失效在線實時監(jiān)測提供了理論依據(jù)和試驗基礎(chǔ)。

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Fastener Joint Failure Monitoring Technique Using Piezoelectric Impedance Method

CHANG Yuanlong, DONG Hongxiang, WANG Qiang

(College of Automation, Nanjing University of Post and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

The existing methods adopted to monitor the fastener joint failure based on electromechanical impedance method demand for high quality equipment. At the same time, there was a lack of a unified method on the judge of fastener joint failure. Formulas were derived and a monitoring system was designed to investigate the feasibility of a new method based on the frequency spectrum of the real part of electrical admittance. The ample evidence presented enables us reasonably to conclude that fastener joint failure can be well monitored using frequency spectrum of real part of electrical admittance in the way mentioned.

PZT actuator/ sensor； health monitoring; electromechanical coupling principle; joint failure

2016-11-16

國家自然科學(xué)基金重點資助項目(61533010)；中國博士后基金資助項目(2015M570401)；南京郵電大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院開放基金資助項目(XJKY15005)；南京郵電大學(xué)科研資助項目(NY215093)

常源隆(1995-)，男，主要研究方向為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

王 強(qiáng)(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、先進(jìn)智能傳感技術(shù)、信號與信息處理等，wangqiang@njupt.edu.cn

10.11973/wsjc201708003

TP211+.4；TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0011-05