主動(dòng)Lamb波健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

蘇宇航，李繼承

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院珠海檢測(cè)院，廣東 珠海 519000）

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是一種基于智能材料和智能結(jié)構(gòu)思想發(fā)展起來(lái)的多學(xué)科綜合交叉技術(shù)。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法的不同，該技術(shù)可以分為主動(dòng)監(jiān)測(cè)和被動(dòng)監(jiān)測(cè)。作為主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的重要方式，Lamb波檢測(cè)技術(shù)具有傳播距離遠(yuǎn)、對(duì)小損傷敏感、能夠?qū)崿F(xiàn)損傷定量定位等突出特點(diǎn)，在飛機(jī)平尾大軸、風(fēng)機(jī)葉片、盆式絕緣子等結(jié)構(gòu)的裂紋損傷監(jiān)測(cè)中得到了應(yīng)用。目前，該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)集中在不同形狀結(jié)構(gòu)中Lamb波的傳播特性，Lamb波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建和小型化，損傷定位定量算法。

1 主動(dòng)Lamb波監(jiān)測(cè)原理

Lamb波是在薄板結(jié)構(gòu)中傳播的特殊類(lèi)型超聲波，具有多模態(tài)和頻散特性。通過(guò)求解Lamb波的頻散方程可以得到不同材料、不同厚度條件下相速度和群速度頻散曲線，進(jìn)而得到不同模態(tài)Lamb波的傳播速度。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，當(dāng)被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜時(shí)，多種模態(tài)的Lamb波信號(hào)相互疊加，給后期信號(hào)分析帶來(lái)較大難度。通過(guò)調(diào)整激勵(lì)信號(hào)的頻率，使用較低的檢測(cè)頻率，可以減少高階模態(tài)的激發(fā)，在被檢測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部?jī)H保留低階模態(tài)，通常選用A0和S0模態(tài)作為檢測(cè)模態(tài)。

Lamb波信號(hào)的發(fā)射和接收元件均使用PZT傳感器，該種傳感器由鋯鈦酸鉛陶瓷經(jīng)燒結(jié)制成，具有正逆壓電效應(yīng)，可以同時(shí)作為發(fā)射和接收傳感器使用?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中所用到的PZT傳感器采用底面翻邊工藝制作，即將底面鍍膜電極從側(cè)面延伸到上表面，上下表面的鍍膜電極之間使用絕緣溝槽分隔開(kāi)。使用強(qiáng)力膠將PZT傳感器粘貼到被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)表面，兩者之間的結(jié)合力要足夠強(qiáng)，膠水層的厚度和剛度會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。常用膠水包括環(huán)氧樹(shù)脂膠和快干膠，快干膠使用方便但只適用于短期監(jiān)測(cè)，隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的延長(zhǎng)快干膠的黏結(jié)力會(huì)出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。

環(huán)境溫度的變化會(huì)影響Lamb波對(duì)于損傷的定位精度，因?yàn)闇囟葧?huì)導(dǎo)致聲波傳播速度的變化。對(duì)于溫差變化較大的監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，在后期進(jìn)行信號(hào)處理過(guò)程中需要對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)，潮濕環(huán)境會(huì)加速PZT傳感器表面電極的老化失效，傳感器封裝過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行防水處理。避免將PZT傳感器粘貼于應(yīng)力集中或存在加大應(yīng)力的部位，放置PZT傳感器出現(xiàn)裂紋而提前報(bào)廢。

2 Lamb波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主動(dòng)Lamb波監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)施過(guò)程中，需要將特定類(lèi)型的激勵(lì)電壓信號(hào)加載到發(fā)射傳感器上，多個(gè)接收傳感器形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，在不同損傷周期接收發(fā)射傳感器傳出的Lamb波信號(hào)，提取反映損傷類(lèi)型和損傷位置的信息，實(shí)現(xiàn)損傷監(jiān)測(cè)。

整套主動(dòng)Lamb波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含信號(hào)發(fā)射裝置、功率放大裝置、接收放大裝置、信號(hào)采集裝置和控制裝置。其中，信號(hào)發(fā)射裝置的主要作用是輸出電壓激勵(lì)信號(hào)，可以使用波形發(fā)生器、波形發(fā)射卡、具有波形發(fā)射功能的芯片如AD9851等。信號(hào)發(fā)射裝置輸出的電壓信號(hào)幅度較低，通常不高于±10V，需要借助功率放大裝置將激勵(lì)信號(hào)的電壓放大到50V以上施加到發(fā)射傳感器的上下電極之間。

接收傳感器感應(yīng)到的電壓信號(hào)比較微弱，需要借助電荷放大器進(jìn)行信號(hào)放大，并將放大后的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置顯示保存。常用的信號(hào)采集裝置包括美國(guó)NI公司的6366數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)字示波器。控制裝置由個(gè)人計(jì)算機(jī)承擔(dān)，主要用于信號(hào)發(fā)射和數(shù)據(jù)采集過(guò)程的控制，以及信號(hào)處理和損傷成像。

3 試驗(yàn)研究

本研究構(gòu)建的主動(dòng)Lamb波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，包含AFG3051C任意波形發(fā)生器、ATA3900功率放大器、NI 6366數(shù)據(jù)采集卡、5015A型電荷放大器、個(gè)人計(jì)算機(jī)。圖2所示為本研究選用的一維鋁板檢測(cè)試樣。鋁板的尺寸為500mm×80mm×10mm，在其上粘貼2片PZT傳感器，位置見(jiàn)圖2。PZT傳感器的尺寸為φ20mm×2mm。使用PZT1作為發(fā)射傳感器，PZT2作為接收傳感器。首先，在結(jié)構(gòu)沒(méi)有損傷的狀態(tài)下，利用波形發(fā)生器和功率放大器對(duì)PZT1進(jìn)行信號(hào)激勵(lì)，所用激勵(lì)信號(hào)為5波峰正弦調(diào)制信號(hào)。PZT2接收結(jié)構(gòu)處于健康狀態(tài)下的Lamb波信號(hào)。之后，利用線切割方法在PZT1和PZT2之間制作裂紋損傷，裂紋的長(zhǎng)度為5mm和8mm，寬度為0.1mm。在完成裂紋加工后，利用PZT2傳感器接收結(jié)構(gòu)處于不同損傷狀態(tài)下的Lamb波信號(hào)。

圖1 主動(dòng)Lamb波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖2 PZT傳感器和裂紋設(shè)置示意圖

利用主動(dòng)Lamb波技術(shù)對(duì)圖2所示的平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)時(shí)，裂紋缺陷的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致其附近傳播的Lamb波信號(hào)產(chǎn)生散射信號(hào)，通過(guò)提取并分析該散射信號(hào)可以獲得裂紋損傷的位置和尺寸變化。由于Lamb波傳播過(guò)程中的多模態(tài)和頻散特性，接收傳感器信號(hào)中包含多個(gè)反射波形的疊加，如何從接收信號(hào)中提取出反映裂紋特性的波形信號(hào)是該項(xiàng)技術(shù)的研究難點(diǎn)。最常用和最簡(jiǎn)便的方法是將結(jié)構(gòu)損傷前后的反射信號(hào)做差，在模態(tài)和聲速確定的情況下根據(jù)差信號(hào)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間可以確定出損傷的位置。通過(guò)多個(gè)傳感器形成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以大致確定出損傷的形狀和大小。

圖3所示是出現(xiàn)裂紋損傷后，接收傳感器PZT2接收到的反射信號(hào)和結(jié)構(gòu)沒(méi)有裂紋時(shí)反射信號(hào)的差信號(hào)結(jié)果。所使用的檢測(cè)模態(tài)為A0，檢測(cè)頻率為100kHz，在鋁板中的聲速為3021m/s，損傷散射信號(hào)的峰值和激勵(lì)信號(hào)之間的時(shí)間間隔為6.8×10-5s，表明裂紋和發(fā)射傳感器PZT1之間的距離為205mm。隨著裂紋尺寸的增大，缺陷反射信號(hào)幅度增大，直達(dá)信號(hào)幅度降低。

圖3 裂紋損傷檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)主動(dòng)Lamb波技術(shù)的檢測(cè)原理構(gòu)建了相應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng)，以鋁板為檢測(cè)對(duì)象，對(duì)裂紋損傷進(jìn)行了定位檢測(cè)，證明了所構(gòu)建系統(tǒng)的有效性。作為一種具有監(jiān)測(cè)面積大、損傷定位精度高的監(jiān)測(cè)技術(shù)，主動(dòng)Lamb波技術(shù)在檢測(cè)裝置的集成化和小型化方面仍需要繼續(xù)發(fā)展。