文摘
监测钢桥的疲劳开裂许多桥所有者和机构的高利息。由于各种各样的恶化和桥的位置缺陷来源,目前还没有单一的方法可以检测并解决全球潜在来源。在本文中,我们提出了一个双模传感方法集成声发射和超声波检查基于低调的压电晶片的使用有源传感器(静脉)。介绍研究背景和压电传感原理后,静脉裂纹检测在被动声发射模式是首先提出。他们的声发射检测能力验证通过静态和紧凑的张力疲劳试验。使用同轴电缆布线,静脉AE信号质量已得到改进。活跃的超声波检查是由损伤指数和波成像方法。本文中的结果表明,这样一个集成的被动声发射检测与主动超声波传感技术的飞跃从当前周期的做法和主观视觉检查和桥梁管理主要是基于过去的表现的历史。
1。介绍
根据联邦高速公路管理局(供)国家桥库存(NBI) 2007、结构缺陷和功能过时桥梁的数量是72524年和79792年,分别为(1]。大约有10000座桥梁被构造时,更换,或恢复在美国每年花费超过50亿美元,每年总成本包括维护和例行操作更高(1]。随着库存继续年龄,例行检查实践将不够及时识别领域的关注,并提供足够的信息来桥所有者为安全和维护优先做出明智的决定。连续监测是理想的长期评估;监测领域的问题,如改造或以前的维修或监视面积与已知的缺陷,在安排检验。持续的监控也可以用于破坏情况下有一个担忧,恐怖主义,和/或桥元素的完整性。因此,监测钢桥的疲劳开裂是所有者和机构感兴趣的许多桥梁。
为了解决这个迫切需要,作者对小说进行研究和有前途的传感方法一起获取能源的设备来减少固有的戏剧性的不确定性为钢桥检查和维护计划(2]。这个研究的一个挑战是重点发展的双压电晶片活跃传感器用于疲劳裂纹检测。合并后的示意图使用声发射检测在早期疲劳裂纹的存在而主动传感允许裂缝成像和量化的使用最小数量的传感器。
1.1。裂纹检测钢桥结构
疲劳裂纹的监测桥梁已接近使用共振或宽带与声发射传感器。声发射监测能够检测裂纹扩展行为(3- - - - - -7)和评估结构的完整性,如桥梁和飞机(8,9]。声发射数据最近已经直接关系到钢裂纹增长率代表紧凑的张力(CT)标本。这种发展前景持有在职桥梁的预后(10]。方法具有显著的优势,破解的精确位置不需要以评估目的。相反,传感器结合适当的算法定位和量化活跃裂纹活动的能力。据报道,声发射技术是如此敏感,疲劳裂纹可以成功检测到即使裂纹长度可能小于10μ米(5,7]。然而,在被动监控的一个挑战是,声发射依靠一个活跃的裂纹增长过程。同时,虽然声发射传感可以检测裂缝在其早期阶段,它一般不能提供信息裂纹大小或裂纹增长率,除非提供一个初始的大小。
从历史上看,AE信号与专门设计和制造AE传感器捕获。传统AE传感器的压电晶体作为保护和封装的传感元素耦合在一起好声耦合的耐磨护板。频率控制的内容和传感器的灵敏度是压电晶体的几何和属性以及晶体的住房。
1.2。压电晶片活跃传感器
压电晶片活跃传感器(静脉)可以作为一个活跃的传感或被动的设备或网络使用压电原理和提供机械和电气变量之间的相关性。它们可以永久地附着在结构监测条件,能在主动导波审讯或被动AE传感模式。静脉之间的传输驱动和传感和主机结构是通过胶粘剂层。粘合剂层(图1)作为一个剪切层,机械效应是通过剪切的影响(11]。
静脉的一个重要特征,它们有别于传统的超声波传感器,是他们能力的令人兴奋的多个引导兰姆波模式单一频率。至少有两个羊肉模式,A0 S0,同时现有的产品波频率和结构厚度(产品)下降的范围0 ~ 1 MHz-mm。在大产品价值,更多的模式。此外,由于内在的色散特性,兰姆波模式传播速度不同和速度变化与频率,使信号解释复杂化损伤检测。一个单模敏感损害是单孔位微吹气扰动的大多数应用程序所需的。这可能是实现通过波调优12]。波的过程优化试图修改励磁参数激发某种模式检测指定类型或破坏的实例(12]。通过仔细选择静脉长度在一个奇怪的或甚至多个波长的一半,一个复杂的应变最大值和最小值出现(图模式2)。自几个羊模式,每个都有自己的不同的波长,同时共存,选择羊肉模式可以通过选择适当的调谐频率和静脉维度。
(一)
(b)
静脉优化提出了图的一个例子2为7毫米平方静脉安装在1毫米2024 - t3铝合金板。实验振幅图在图2(一个)显示板被研究,可以确定S0调谐频率在200 kHz,振幅的A0模式是最小化而S0的模式依然强劲。通过选择激发频率,因此,可以获得单模损伤诊断(13]。理论预测图2 (b)与实验结果是一致的。
1.3。对现场应用静脉双模式检测
杜邦et al。14)演示了使用嵌入压电细晶圆检测的可能性AE信号复合材料。在主体项目,我们正在开发一种双模式传感方法使用低调的无线静脉网络能源风能和/或环境振动能量(15]。尽量减少能源消耗,一方面,设想,只有四个静脉将用来监测裂纹增长。另一方面,双模式传感允许静脉在被动AE经营模式在整个监测过程中,除非重要的AE事件被检测到,说明结构的主要裂缝的存在。AE事件被识别时,可以切换到主动模式静脉审问导波传播的桥梁结构评估裂纹大小和位置。最终,整个钢桥可能与可视化映射与导波审讯裂纹损伤。
2。声发射检测静脉被动模式
主题项目,我们适应静脉与AE传感器来检测应力波频率成分集中在150 kHz的声音信号传播衰减最小和背景噪音由于摩擦结构组件。
2.1。静脉作为AE传感器
实验室检测进行探讨静脉应用程序作为AE传感器。一个典型的商业R15I (http://www.pacndt.com/downloads/Sensors/Integral%20Preamp/R15I-AST.pdfAE传感器是用来校准测量。两个样本用于测试。一个是1.6毫米厚2024铝板,另一个是19毫米厚A572年级50钢结构面板。标本都装有7毫米直径0.2毫米厚圆静脉材料Americanpiezo APC 850年(http://www.americanpiezo.com/apc-materials/choosing.html)使用m - 200胶粘剂应变仪使用的标准安装。R15I传感器安装使用热熔胶。
测试设置如图3。PAC DiSP (http://www.pacndt.com/index.aspx?go=products&focus=/multichannel/disp.htm)系统是用于执行数据采集。静脉是连接到一个前置放大器通道1。前置放大器有100 - 1200千赫内置过滤器,可以容纳40 dB的信号放大。R15I传感器内部有一个内置的前置放大器增益也40 dB和连接通道2。介绍了AE事件铅笔芯断裂(拉钮)。橡胶手套是用来避免引起电气干扰通过触摸板。
(一)
(b)
2.1.1。铝板测试
第一部分的工作,1.6毫米厚的铝板,大约300毫米到300毫米,是用于测试静脉AE检测。静脉和R15I相邻放在板上,大约165毫米的板边拉钮是应用。总共五拉钮各种领先的规模应用。静脉传感器检测到所有的相对振幅被R15I,总结如表1。
图4显示的波形和频率谱第三行表中描述的测试1。在该测试中,0.5毫米HB铅笔心被打破的边缘板平面外的方向(压下来,涌现)。检测到AE信号振幅的两个传感器是相同的(78分贝)。2200 mV的静脉给一个峰值信号与噪声200 mV,导致信噪比(信噪比)约11、21 dB。R15I波形相比,静脉的反应明显保鲜储藏格在早期S0对应模式到来之后,缓慢的到来A0模式。
(一)
(b)
看着AE波形通过静脉和R15I呈现在图4注意到,尽管这两个波形比较信号峰值振幅、静脉显示更高的楼噪音(圈)的一部分。AE检测,需要传感器显示了良好的信噪比。在这种情况下,地板噪声对静脉太高,需要降低。
扩大的早期静脉响应如图5(一个)。快速S0模式和缓慢但高度分散A0模式显然是礼物。PlotRLQ所产生的平面外位移波形(PlotRLQ是一个计算机程序,计算理论波形由加法兰姆波模式的贡献兴奋指定矩张量来源在指定深度内板基于经典的兰姆波理论)计算出这种情况如图5 (b)。静脉波形之间的协议和理论预测是明显的,特别是对于S0模式,最早的反应的一部分。小的差异来自于粗糙的外表开始的A0模式和相对A0振幅达到顶峰后突然下降。这可能要归功于中描述的静脉传感器孔径效应(12]。
(一)
(b)
2.1.2。钢板测试
的第二部分工作是进行19-mm厚钢板。0.5毫米HB拉钮应用表面的板距静脉约72毫米。R15I传感器粘在板拉钮的距离为98毫米。
拉钮被检测到静脉73分贝的AE振幅与87 dB R15I探测到。图中提供的波形及其频谱6。静脉信号表现出强烈的负向的飙升73分贝的振幅,600 mV峰值拟合。背景噪音约150 mV,导致信噪比约为4到12 dB。静脉钢板的信噪比远低于铝板。
(一)
(b)
通过检查频率谱,它可以指出,静脉的主要频率成分超出200 kHz,展示一个更广泛的频率响应与共振R15I AE传感器类型。
2.2。静脉AE检测在紧凑的张力测试
紧凑的张力(CT)相同的材料制成的标本中使用的钢板部分2。1被使用。标本显示在图的几何形状7。定制夹具设计和制造安装CT标本。环张力负载最小1 KN最大50 KN的使用材料应用于标本伺服液压控制的机械测试机器。疲劳试验进行了下load-controlled模式1赫兹的频率。夹计是用来测量裂纹嘴张开位移(CMOD)澄清裂缝开启和关闭和确定CMOD的大小。表面裂缝也监控与高分辨率的光学记录显微镜。两组独立的AE传感器,即R15I和静脉监控过程。他们连接到传感器公路二世(http://www.pacndt.com/products/Remote%20Monitoring/AE_Sensor_Highway.pdf数据采集系统通过前置放大器。这两组传感器的数据分别进行了分析与AEwin (http://www.pacndt.com/index.aspx?go=products&focus=/software/aewin.htm)软件。
(一)
(b)
裂纹定位的结果从静脉传感器和R15I CT测试期间在图所示8。R15I传感器检测到1171之前AE事件失败而静脉检测只有54事件。图8(一个)给的累积声能R15I与裂纹张开位移和静脉。当静脉发现数量少的声学活动,他们发现裂纹时,裂纹扩展规模达到0.83毫米。我们可以看到在图8 (b)、静脉本地化越来越集中在裂纹尖端相比R15I检测图8 (c)。这被认为是主要是由于增强R15I传感器的灵敏度,从而使源位置由于反射在小规模的实验室标本。
(一)
(b)
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2.3。对现场应用静脉适应
在验证测试中,发现静脉钢标本展出高地板上噪声标准R15I AE传感器相比,因此,提供一个贫穷的信噪比的比例。对现场应用提高信号质量,降低噪声背景层,我们改善静脉使用同轴电缆安装类似于用于R15I传感器。哄的盾牌是连接钢板非常接近静脉,而中心导体连接到静脉的正电极,如图9。
检测一个0.3毫米拉钮约20毫米远离同轴电缆连接静脉评估(图10)。其余的设置保持一样的测试部分2.1.2。由此产生的波形振幅的71分贝,大约400 mV。背景层清晰可辨减少噪音和近似10 mV。因此,信噪比测量在40或32 dB,相比显著提高12 dB节中给出2.1.2。
3所示。静脉活跃模式裂缝传感
明显的开裂后的双模式传感原理,确定了被动模式AE检测、主动模式使用pitch-catch审讯传感是诱发量化通过损伤裂纹增长指数和阵列成像。静脉网络组成的几个传感器空间分布在板板可以用来询问一个传感器生成导波和其他人得到结构响应。当一个弹性兰姆波传播和穿越的结构、波散射发生在所有的方向,那里是一个由于损伤材料特性的变化。散射信号定义为测量之间的差异的开发过程中损伤和基线信号在初始阶段。利用散射信号的一个优点是减少造成的影响边界或其他结构特点,否则兰姆波分析复杂化。
3.1。伤害指数评价
我们假设的唯一来源是裂纹检测兰姆波的变化。还以为是,海浪在直接路径旅行板结构。因此,我们的兰姆波信号分析的目的是提取的伤害从测量感官数据特征。在这个研究损伤指数(DI)的定义是16] 的协方差和给出的 在哪里是价值和意味着什么是数据集的长度。和的标准偏差吗和分别与他们的产品给出
活跃的传感实现CT测试期间提出了部分2。2,四个静脉被用来执行pitch-catch波传播审讯,标志和编号,如图(11日)。使用上面定义的损伤指数的定义,DI曲线被绘制在不同裂纹长度如图11 (b)为所有pitch-catch路径。DI增加当裂纹增长。沿着传感器检测P0 P1最敏感,其次是一个沿着传感器P1 P3自路径垂直于裂纹发展道路。DI的增量曲线也与疲劳载荷下的裂纹扩展。
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3.2。阵列成像
数组映射成像方法有不可思议的能力结构和现有的损伤,提供定性评估结构完整性的一种手段。稀疏阵列使用散射信号从一个传感器网络构建一个诊断图像。形象建设是基于三角测量原理和由转移回散射信号在时间量定义的收发两用机位置pitch-catch模式中使用。假设一个单一损伤散射位于点结构的散射信号从发射机对接收机包含了一个波包造成的损害。旅行的总时间是由发射机的位置吗在,接收方在,,因为 在哪里旅行兰姆波的群速度,假定常数。当波包转移通过定义的传感器数量和损伤的确切位置,也就是说,,理想的高峰将转移回到原点。如果波包由数量转向与否则情况下(如定义和),峰值不会改变正确的来源。为一个未知的伤害,一定的散射信号,可能损害构成椭圆轨道的位置与发射机和接收机作为焦点。定位损伤,椭圆从其他散射(或网络)收发两用机对需要(三角)。对于一个给定的网络传感器,总共将不考虑使用互惠散射信号。在位置的像素值被定义为 在哪里获得的散射信号来自哪里th发射机和接收机。超声阵列成像的原理及应用的细节,可以发现在17]。
裂纹检测进行了示范1毫米厚的铝板。成像是由four-PWAS网络评估为中心的模拟的发丝裂缝内,如图12(一个)。18毫米的毛细裂纹在盘子里,然后裂纹长度增加到23毫米,导致5毫米的增长。兰姆波用来进行成像S0模式在310 kHz波长大约17毫米。
(一)
(b)
裂缝的图像结果如图18毫米12 (b),给一个明确的检测有两个突出点代表两个裂纹技巧;因此,他们可以用来估算裂纹扩展的裂纹长度和监控。第一个裂纹18毫米约为17.09毫米的第二个23毫米约为22.47毫米。5.38毫米的裂纹增长因此与阵列成像测量方法的误差约7.6%的实际增长相比,5毫米(从18毫米到23毫米)。
4所示。结论
压电晶片活跃传感器(静脉)已经取得了极大的进步在过去十年中在结构健康监测,但他们暴露在民用基础设施几乎没有讨论到目前为止。这里介绍的工作打算探讨静脉应用攷虑监测基础设施(例如,民用钢桥)使用声发射和活跃的波传播传感。实验室演示铝薄和厚的钢板,静脉已经证明AE传感器。同轴电缆连接的使用大大提高了静脉波形信噪比,使其更适合现场应用。疲劳裂纹的静脉AE检测CT标本显示,它可以提供与相对集中在裂纹尖端检测声发射事件的数量少于R15I AE传感器。静脉活跃模式传感用导波传播可以查询结构和定量的估计,并提供一个明确的迹象,说明通过损伤裂纹增长指数或阵列成像。提出的双模式传感静脉方法表明其有前途的应用insitu公司钢桥梁的健康监测和诊断。
确认
本文进行了美国商务部的支持下,国家标准与技术研究所的技术创新项目合作协议70 nanb9h9007数量。作者还要感谢艾德里安·波洛克博士从Mistras组对他提出被动遥感深刻的评论。