结构健康监测使用高频机电阻抗签名

文摘

最新进展的概述机电阻抗- (EMI)基础结构健康监测提出了。EMI的方法的基本原理是使用高频激励意义上的局域结构。阻抗的变化表明结构的变化,进而表明损害出现。准确的EMI模型基于reverberation-ray矩阵的方法介绍了关联签名物理参数的变化结构损伤检测。比较与其他数值结果和实验数据验证模型。简要评价实施EMI的可行性方法被认为是和一些物理参数对电磁干扰技术的影响进行了讨论。

1。介绍

在过去的几十年,结构健康监测(SHM)被认为是一个有用的工具为提高结构的安全性和可靠性,从而降低运营成本(1]。已研制出许多单孔位微吹气扰动技术从而在文献[2- - - - - -4量化和定位结构的损害,基于全球或当地的审讯的结构5]。虽然这些单孔位微吹气扰动检测的方法有其特定优势损害的结构,存在的缺陷可能会限制他们的应用程序在某些方面。在全球动态技术,例如,众所周知,结构受到低频励磁,只有前几模式形状和相应的固有频率可以准确提取。因为局部损失很难改变全局参数如固有频率、弯曲模式形状,和模式形状数据,只有大型的损失可以被检测出来。同时,信号获得使用这些方法更容易受环境振动噪声污染较低频率低于100赫兹尤其是[5]。其他典型的当地技术,如超声波技术,声发射,和影响回波测试,需要昂贵和复杂的硬件以及训练有素的专业运营商(6]。

另一方面,机电阻抗(EMI)基础结构健康监测表明承诺成功监测和发现轻微改变结构完整性(5- - - - - -9]。EMI方法的一个关键方面是利用压电陶瓷片作为并列的传感器和执行器。应用压电陶瓷作为actuator-sensor同时,压电陶瓷片连着一个结构是由一个固定的交变电场。生成一个表面电荷在回应一个应用机械应力(直接影响),反之,产生机械应变响应一个外加电场(逆效应)。机电阻抗定义为应用电压的比值和由此产生的电流可以由一个商用阻抗分析仪测量。尽管结构机械阻抗与结构刚度和阻尼等属性是很难获得第一手,测量阻抗直接相关监测结构的机械阻抗,也存在结构破坏的影响。因此,通过观察压电陶瓷机电阻抗的补丁,可以获取的信息监测结构的损伤(10]。

一般来说,提取EMI签名在高频率(通常10 - 500千赫)(11]。在这些频率,波长的激发非常小,因此足够敏感结构完整性检测微小变化。许多实验研究[5,12- - - - - -19]显示EMI的具体优势技术在传统的无损评价方法。太阳et al。12)第一次使用EMI技术检查lab-sized桁架结构。艾尔斯et al。13]提出了定性impedance-based健康监测方法在实时民用基础设施,如桥梁损伤评估关节。Soh et al。14]研究智能压电陶瓷的性能补丁在钢筋混凝土桥梁健康监测加载过程中不同阶段。公园等。15- - - - - -17]证明了这项技术的能力和有效性检测损害composite-reinforced混凝土墙壁,1/4-scale桥元素,分别和管接头。巴拉和Soh5)采用阻抗信号监测的可行性讨论钢筋混凝土结构受到基础振动的条件。木香et al。18,19)检测单个分层复合材料正交异性层合板在一个通过压电换能器的EMI签名在结构。这些实验研究表明机电阻抗信号的收集和处理是非常容易实现通过一个安捷伦4294 a阻抗分析仪和EMI技术检测微小的变化高度敏感结构完整性使用测量数据。然而,理想的健壮的损伤诊断方案不能仅仅确定损害赔偿在非常早期的阶段,还提供了一些估计或严重损坏的程度,甚至损伤定位所使用的传感器分辨率(20.]。因此,适当的工具所需的模拟监控系统适应监控结构。

阻抗方法的概述2003以前总结(21]。本文旨在提供一个更新的最新进展概述EMI-based结构健康监测。EMI技术的基本原理是首先综述部分2。最近开发的方法,集成了一个精确的电磁干扰模型,惯性效应的压电陶瓷片和粘合剂的粘结特性考虑,有一个稳定的高频结构动力学分析方法,reverberation-ray矩阵的方法,是描述的部分3。基于各种来源的文献,部分4提供了一个讨论与EMI-technique相关参数的正确选择。EMI-based SHM的最近的一些应用方法的复杂配置是注意到部分5。本文以一个简短的总结。

2。传统的电磁干扰模型

梁等。22解决,这两种方法包括静态方法和动态有限元方法有一些缺点在分析活性物质系统的动态响应和阻抗建模技术是更适合反映一个活跃的系统的物理本质。然后构建一个简单的一维模型来描述压电陶瓷片和主机之间的交互结构如图1。压电陶瓷片是保税完全使用高强度粘合剂的表面结构,以确保更好的机械作用和假设薄酒吧进行轴向振动响应应用交流电压。一个单自由度系统然后考虑如图2中,压电陶瓷棒的一端固定,另一端连接到主机结构。根据这一模型,压电陶瓷片的本构关系可以表示如下(22]:

在哪里是应变,压力,复杂的法规遵循零电场,压电常数,电位移;复杂的介电常数和吗是介电损耗的因素。通过求解的方程和压电条连接到外部结构的机械阻抗点,以下表达式的电导纳(阻抗的逆)可以获得频域(23]:

在哪里是电导纳,和压电陶瓷的机械阻抗,结构,分别和一个是复杂的杨氏模量和压电陶瓷片的几何常数,分别和是圆频率。应该注意的是,尽管(2)是来自于一个单自由度系统,它还适用于2 d或非常复杂的结构(16]。

虽然预测之间的良好匹配的解决方案通过一维阻抗模型(22,23),实验结果达到了,周et al。24)指出,机械阻抗耦合在不同坐标方向应考虑二维结构的横向阻抗影响传感器动态主机结构。由于推导,电导纳的解析表达式是获得基于二维阻抗模型(25]:

在哪里,泊松比;,和高度,宽度,和压电陶瓷晶片的长度,分别和 在哪里表示,表示,和是直接的阻抗,和分别是主机结构的横向阻抗,然后呢和压电陶瓷片的机械阻抗吗x和y方向,分别。

虽然上述方程的分析推导基于二维模型是准确的,实验困难限制他们直接申请提取的主机结构的机械阻抗26]。因此,一个有效的机械阻抗模型(26,27)是改善现有的开发模型,机械的压电陶瓷片和宿主之间的相互作用结构是不受限制的压电端点,它扩展了在有限大小的压电陶瓷片(26]。电阻抗的最后获得的表达式是基于经典的一维模型类似。

在经典的阻抗模型中,一个关键问题是获得机械阻抗的解析表达式,它被定义为(阻抗计算结构动力响应,,对应于一个任意的力量F在换能器的驱动点22]。)对于一些简单的结构,如轴棒(28- - - - - -30.,梁29日- - - - - -31日),圆形环(32,33],薄板[24,34,35),和贝壳36),机电阻抗的解析表达式可以容易获得基于阻抗建模方法。然而,当损害赔偿中诱导结构可能导致材料性质的非均匀性,分析配方是非常困难的。例如,尽管Zagrai和Giurgiutiu [34]分析制定解决方案基于EMI光谱和圆板的力学响应,当损伤诱导到板时,假设圆板的轴对称轴向和弯曲振动是站不住脚的,解析解不损伤诊断的盘子。

为了获得损害信息通过使用机电阻抗信号的变化,有必要建立改进的EMI信号之间的相关性和结构完整性的变化。有限元法(FEM)似乎是另一种为目的(6,11,30.,37- - - - - -40]。然而,有限元法通常是受到大量的有限元素的一个固有的缺点,因此大量的节点应该涉及准确预测结构的高频响应。随着有限元模型变得更好的,相关的质量和刚度矩阵将增加的大小,因此要求存储和计算时间成为关键。谱元法等其他方法(10和里兹法35)已经应用于定量识别结构破坏。但仍有一定的困难与高频分析限制他们的应用程序impedance-based健康监测的定量分析。传递矩阵法(TMM)是非常强大的分析由许多成员组成的结构(包括损坏的成员)因为合成联立方程的数量可以大大降低。然而,重要的数值困难在高频限制了其应用程序如果计算完全在电脑上执行41]。

此外,它被认为在古典力传输阻抗模型是在两端的压电陶瓷片在中间粘结层完全无视基于销力模型。然而,在实验中Soh et al。14]和Giurgiutiu Zagrai [29日),发现补丁和主机之间的粘结结构可能受损。结合破坏发生时,签名获得补丁被扭曲了。事实上,它已被许多研究人员(40,42- - - - - -45),压电陶瓷片的完美结合显著影响输出EMI签名,应该仔细研究。

由于压电陶瓷patch-adhesive-host结构耦合结构系统的复杂性和动态分析的难度在高频范围如上所述,大多数存在的电磁干扰技术的分析模型无法关联签名结构的物理参数的变化,无法提供进一步的信息损失的本质。为了开发一个更精确的模型来提高灵敏度的阻抗签名结构损害,应解决两个关键问题,一是寻求一个合适的模型来模拟压电陶瓷的行为patch-adhesive-host结构耦合结构系统,另一个是找到一个强大的高频动态分析技术。

3所示。基于MRRM准确的电磁干扰模型

在一些存在的电磁干扰模型(26,27,42],惯性项的压电陶瓷片是被忽视的,主机结构的机械阻抗是假定为一个常数的补丁附件。然而,由于高频电场与典型传播波长与致动器的长度,应该考虑执行机构的惯性效应46,47]。此外,由于压电陶瓷片和主机之间的应变/应力转移身体结构通过粘结层,实现更准确的模型为提高签名损害的敏感性调节粘结层的性质应该发达。经典的剪力滞后的解决方案是受雇于克劳利和路易斯48和通和罗49,50]分析压电作动器的智能结构的元素。巴拉和Soh42]扩展这种方法开发的机电阻抗模型胶着地保税piezo-transducers在准静态均衡和预测之间的良好匹配观察和测量数据的解决方案。同时考虑惯性效应下的致动器和胶粘剂的性质,燕et al。51- - - - - -56),开发了一个精确的EMI模型检测损失在经典棒(51[],Mindlin-Herrmann棒52],直梁[54- - - - - -56)和框架结构(53]。通过一束Euler-Bernoulli胶着地和对称与两个压电陶瓷片作为一个例子,我们在下面说明这个电磁干扰模型。

如图3压电陶瓷片,一对是保税对称和胶着地到顶部和底部表面的非齐次梁是由一个固定的交变电场的阶段。压电陶瓷片的运动方程,这被认为是在一维轴向应变状态46,47),可以写出来

在哪里轴向位移,和E质量密度和杨氏模量,厚度(下标吗p表明压电陶瓷片)。是压电陶瓷片之间的界面剪切应力(梁)和粘合剂和不同粘结长度,然后呢t是时间变量。另一方面,债券层是在纯剪切基于剪切滞后模型(48]:

在哪里G粘结层的剪切刚度,和轴向位移和横向梁的挠度,分别。下标的年代和一个分别对应于主机梁和粘合层。

Euler-Bernoulli梁,然后,我们可以得到以下关系:

在哪里米和问分别是弯矩和剪切力,然后呢我和的区域和横截面积,分别。由于推导,我们可以获得横向变形的解决方案如下:

在这和()待定常数,()中定义55]。对于一个任意的梁段没有结合压电陶瓷片,表示为著名的解决方案

在哪里。然后,reverberation-ray矩阵的方法(MRRM),最初提出的Pao et al。57- - - - - -59研究瞬态响应的弹性成员组成的一个平面桁架,然后由Pao和陈60,61年和陈的研究小组62年,63年]高频动态分析,扩展调查智能结构系统的动力。在MRRM,第一步是建立一个全球散射关系如下:

在哪里问是源向量,,是全球向量与即将离任的波浪,,是全球向量与到达波(57- - - - - -63年]。然后,根据独特的智能结构的物理现实,我们可以得到总阶段关系:

在哪里是总相移矩阵(57- - - - - -63年),和包含相同的元素,但在不同的订单测序。两个向量和可以通过置换矩阵有关吗作为

在哪里U是一个方阵在每一行包含一个单位元素,以及一个单位在每一列元素。从(10),(11)和(12),我们得到

在哪里被称为reverberation-ray矩阵(57- - - - - -63年]。然后获得

因此,所有待定常数(8)和(9从()可以解决14)。注意,这个阶段矩阵不包含指数函数有大量积极的指数,因此数值不稳定通常遇到在传统的传递矩阵法(TMM)是可以避免的。这是一个适当的应用程序的关键MRRM高频动态分析的结构。最后,电导纳(或电阻抗)单压电片可以获得如下:

详细的推导过程可以在找到55在这里,省略了简洁。

数值结果和实验测量验证的有效性和精度目前准确的电磁干扰模型。观察图4TMM RMM、获得的,两条曲线分别,很难区分在低频范围小于约13 kHz。然而,在高频率范围(TMM千赫),数值不稳定出现,与well-performed MRRM。

实验结果进一步分析预测相比,目前的模型图5在19-33 kHz的频率范围。很明显,大多数实验观察到山峰突出相关的阻抗特征共振频率使用分析模型可以预测。此外,目前的模型能够检测梁的破坏(见图6),并可以定位损害结合曲率振型法(64年)(见图7)。在数据6和7,D意味着有效均匀损伤大小通过某些梁段(65年]。界面性质的影响也调查了如图8(是剪滞参数(48,55])。由于不完美的结合,阻抗特征显著改变。此外,准确的EMI模型扩展到Mindlin-Herrmann棒(52],得票率最高梁[54[],破解连续梁56),和框架结构(53,取得了一些有意义的研究成果为结构健康监测。

4所示。确定的参数

在电磁干扰技术中,它是非常重要的选择可用的压电陶瓷片结构健康监测。因为压电陶瓷片的一边是保税到监控结构,这条边的电极应该包装的另一边补丁(5]。压电陶瓷的大小应该使压电陶瓷换能器足够小不侵入;也就是说,他们不显著影响主机结构的动态属性(66年]。因此,它是发现,压电陶瓷片的大小范围从5到15毫米,厚度从0.1到0.3毫米最适合检测损失在大多数结构如钢和钢筋混凝土结构。

上一节中提到的,具体的EMI方法在其他单孔位微吹气扰动技术的优势是它的高灵敏度的损失。因此,有必要的激发波长小于破坏被检测到的特征长度(67年]。一般来说,在高频电阻抗测量的范围30 - 400千赫(20.]。在这种高频范围,激发足够小而敏感的波长检测小结构完整性的变化。在EMI方法中,包含20 - 30的峰值频率范围似乎是合适的选择,因为更高密度的模式意味着包含有更多的结构信息结构的条件(12]。频率高于200赫兹发现有利的本地化的感应,当频率低于70 kHz范围覆盖更大的感应区域。Peairs et al。68年)说,通常由试验和错误选择的频率范围,通常包括诱导可移动的模拟损伤。频率范围选择的调查表明,范围传感器/作动器的共振与impedance-based更好的监测方法。

由于高频电磁干扰技术中使用的激励,有效的监控范围的敏感性和压电换能器仅限于其附近(附近67年]。基于知识通过各种案例研究,据估计,传感区域一个压电陶瓷可以从0.4米不等(传感半径)复合结构在简单的金属横梁(2米20.]。这种感应区域的局部性质提供了一个优势,阻抗传感器不太敏感的边界条件变化或任何操作振动,通常影响低阶全球模式。另一方面,这个特征有限的传感范围通常需要一个活跃的传感网络系统对于真实世界的应用程序(69年- - - - - -73年]。

在现实生活中,实际结构不断受到某种形式的外部荷载和温度变化等外部动作。实验和统计调查表明,EM导纳签名获得不断加载结构不同于获得损害赔偿存在时的结构和电纳签名是一个更好的指标比电导检测损失的签名结构(74年]。

虽然常规的压电片被发现是不适合在低温下损伤诊断通过一系列的实验和另一种类型的传感器基于智能材料应该寻求(75年),EMI技术仍然可以用于积极监测结构的损害,即使存在明显的温度变化在正常温度范围内(CC)。

实际上,几乎所有可用的传感器都是小的压电陶瓷片的电磁干扰的方法,但一些特殊的传感器/执行器如压电陶瓷惯性执行机构(76年],换能器压电堆栈(77年),和水泥基压电陶瓷复合材料78年)是用来满足实用要求或为结构健康监测主机结构相匹配。此外,传统的电磁干扰的方法,包括运行线路之间的本地传感器和数据采集系统将不再是微不足道的。相关的成本管理和维护这样一个系统可以非常高。因此,一个impedance-based无线传感器节点结构健康监测是由Mascarenas et al。79年第一次。

尽管EMI轻微损害赔偿方法非常敏感的结构和EM签名,可以直观地观察到变化,有必要使用统计技术来量化。是著名的许多类型的非参数指标如均方根偏差(RMSD),平均绝对百分偏差(MAPD),协方差(x),相关系数(CC)被认为是量化EMI导纳的变化签名(80年]。在这些非参数指标,RMSD似乎最合适的损伤指数描述结构破坏(80年),已被许多研究人员采用的结构健康监测72年,74年,81年- - - - - -84年]。此外,混合动力技术集成神经网络的特性阻抗的方法提出了一些定量损伤分析(85年]。在这种损伤识别方案,impedance-based方法检测和定位结构损伤并提供损伤指示绿色/红色光的形式使用修改后的RMSD首先,然后是神经网络用于估计结构损伤的严重程度。

5。最近的应用程序

除了一些简单的结构,如轴棒(28- - - - - -30.,梁29日- - - - - -31日,76年,86年,87年),圆形环(32,33],薄板[24,34,35,70年,82年,88年,89年],壳[36),和框架结构(12,79年,81年,84年),实验实施EMI-based结构健康监测技术已成功进行一些复杂的结构。检测裂缝、松散连接的管道,在金属结构损害,脱粘、分层复合材料结构受到许多研究人员报道。

砌体墙下步加载了EMI方法(15]。五个压电陶瓷片的一面墙上。压电陶瓷片的四个补丁保税在角落里和一个额外的压电陶瓷的中心。墙的多个裂缝出现的负荷增加。可以看出,EMI测量非常敏感的损伤和从观察和损伤指标图表的位置损伤大约可以预测。

Lim et al。90年)采用一种新的方法进行结构鉴定和损伤检测使用智能压电换能器。在这种方法中,机械阻抗可以使用一维、二维电磁干扰耦合方程。损伤诊断的可行性很好展示了通过应用程序在不同的实验室型铝制梁等工程结构铝桁架和混凝土立方体。

混凝土梁的试验研究和曾的混凝土板73年)表明,压电陶瓷晶片表面能够检测裂缝深度。当压电陶瓷片太远或太近损伤,检测损伤的晶片出现不能成功。此外,使用RMSD索引的话,这样的后期技巧能得出准确的伤害的严重程度和位置,即使在早期阶段。同样,Giurgiutiu et al。91年]应用压电晶片活跃传感器老化飞机结构监测结构损伤的发病和进展如疲劳裂纹和腐蚀。

波尔et al。92年)实现了实验和理论研究表明阻抗方法的有效性在监测碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料。低速冲击损伤,引入,由阻抗的变化检测签名。等其他类型的碳纤维增强塑料纤维断裂和分层也可以利用电阻抗断层扫描(93年]。

EMI的可行性早期混凝土强度获得监测传感技术也提出了胫骨和哦94年]。实验结果表明,电磁干扰对早期混凝土的强度发展签名是敏感和RMSD价值也很强的相关性与早期混凝土的强度发展。

由于高频励磁,EMI-based健康监测技术是对次要缺陷非常敏感的结构,不受任何远场变化的影响。方法已成功应用于各种结构从航空(29日,95年)土木结构(1,7,14,15,94年),是理想的跟踪和损失在不同结构的在线监测

6。总结

的开发和应用的概述机电impedance-based提出了结构健康监测。虽然EMI初期赔偿方法非常敏感的结构,它主要发达只是定性的健康监测和未能关联签名结构的物理参数的变化。为了发展一个理想的健壮的损伤检测方案利用压电签名,一个分析模型,模拟监控系统的智能结构系统是必要的。首先,一些传统的电磁干扰模型和讨论他们的应用程序和一个精确的基于MRRM EMI模型进一步建议作者。比较与其他数值结果和实验数据验证目前的电磁干扰模型。压电陶瓷的大小的影响,激励频率范围,压电陶瓷片的传感范围;和外部行动EMI结构健康监测技术然后说;大部分的讨论也可以发现在其他引用。最后,实现EMI的可行性方法检测各lab-sized结构损害。在未来的研究中,我们应该更加注意实际结构在实际条件下的测试而非实验室检测。 Moreover, appropriate high-frequency structural theories shall be developed to adapt to the frequency range used in the EMI-technique, which is much higher than that implied in the conventional structural theories.

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号10725210),中国国家基础研究项目(没有。2009 cb623200),中国浙江省自然科学基金(没有。Y107796),宁波中国自然科学基金(2009号。2008 a610101 a610148)。

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