CN101858888B - 基于含金属芯压电纤维的结构损伤定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于含金属芯压电纤维的结构损伤定位装置，其包括信号发生器、贴设在待进行健康监测的结构表面的一组Lamb波激励元件、布置于待进行健康监测的结构表面的第一、第二含金属芯压电纤维单元、数据采集卡、功率放大器和电荷放大器。基于本发明的结构损伤定位装置无需知道Lamb波在被监测结构中的传播速度，只需要测量MPF花形结构中每根MPF的响应信号幅值，而且可以使用的频带范围宽，可以实现在复杂板结构中进行在线实时损伤定位。本发明可以广泛应用于各向异性复合材料结构以及复杂的航空壳体结构的损伤监测。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种用于工程结构健康监测的装置，尤其涉及一种可以进行结构损伤定位的装置。
二、背景技术
结构健康监测技术是一门利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息，对结构中存在的不安全因素在早期就加以控制和消除的新型交叉学科。目前，结构健康监测技术主要分为主动监测和被动监测技术。被动监测技术通过传感器测量结构的响应，感知外界的温度、机械、电学或化学变化，这些机械和非机械的信号产生后通过传感器来确定。在被动监测技术里，传感元件始终处于被动接受状态，只有结构状态发生变化，产生相应的物理量时，传感元件才起作用。而主动监测技术则首先需要对监测结构施加激励信号，使用传感器接受结构的响应信号，通过比较结构损伤前后传感器响应信号的异同来监测结构的健康状况。在主动结构健康监测技术中，基于超声Lamb波的结构健康监测技术是一种典型的，也是目前研究较为热门的主动监测技术。这种方法一般是针对航空、建筑等板结构的健康监测，在板结构的一个位置粘贴超声换能器对结构进行激励，激励信号就在结构中产生Lamb波，通过在结构另一位置粘贴传感器接受Lamb波信号，当传感器接受的信号偏离了结构在正常健康状态下的参考信号时，就表明结构发生了异常情况。
在基于Lamb波的主动结构健康监测中，一般采用压电元件作为Lamb波驱动器和传感器的。然而，传统的压电功能器件以块状和片状居多，非常容易损坏，不适合粘贴在曲面结构表面；而且由于体积较大，不易与基体结构集成，当埋入基体结构时，对结构的强度和可靠性有很大的影响。因此开发轻质、结构细小、易与基体结构集成的薄膜或纤维状压电功能元件是一个必然的发展趋势。含金属芯压电纤维(MPF)是一种新型压电功能器件，其中心为一根金属芯，中间层为压电陶瓷，外层为溅射的一层金属层。因此，中心的金属芯和外层金属层可以作为两个电极，所以单根MPF就可以作为驱动器和传感器。其结构细小(直径300μm左右)，非常易于与基体结构集成或者粘贴在基体结构表面。而且其一个很大的优点在于传感Lamb波具有很强的方向性。因此，MPF作为超声Lamb波传感器用于结构健康监测装置中受到了很大关注。
传统的基于Lamb波的结构损伤定位技术一般都是采用三角测量Lamb波传播的时差来定位的。这种测量Lamb波传播时差的定位技术一个前提就是必须知道Lamb波在结构中的传播速度，然而，对于一些复杂板结构如航空壁板、壳体结构、复合材料结构等，很难获得Lamb波在其中的传播速度，而且各向异性材料结构中各方向波速还不相同。所以在这些复杂结构中，基于测量Lamb波传播时差的主动监测定位装置将很难应用。
三、发明内容
1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种应用于复杂板结构的结构损伤定位的装置，该装置中的传感元件为含有金属芯的压电纤维。
2、技术方案：
为了解决上述技术问题，本发明的包括信号发生器、贴设在待进行健康监测的结构表面的Lamb波激励元件、布置于待进行健康监测的结构表面的第一、第二含金属芯压电纤维单元、数据采集卡、功率放大器和电荷放大器，所述的含金属芯压电纤维单元由三根等长的第一、第二、第三含金属芯压电纤维组成，第一含金属芯压电纤维、第二含金属芯压电纤维和第三含金属芯压电纤维互成60度角布置，即这三根等长的含金属芯压电纤维呈等边三角形的形状，但相互不连接，并且各自在两端引出电极供电路连接时使用，一般地，可以将这种呈这种结构设置的含金属芯压电纤维单元称为MPF花形结构，MPF即为含金属芯压电纤维的简称；信号发生器产生的信号经过功率放大器放大后施加给Lamb波激励元件，Lamb波激励元件在结构中产生Lamb波；第一、第二含金属芯压电纤维单元传感Lamb波产生的电压信号经过电荷放大器传递给数据采集卡，至此，完成对Lamb波信号的采集；数据采集卡可与工控监测显示单元连接，这样可以通过观察波形来判断损伤的位置，从而完成结构损伤的定位。
本发明采用两个MPF花形结构实现结构的损伤定位，其根据电阻应变花的原理，一个电阻应变花可以确定结构的主应变的方向，因此，根据同样的原理，一个花形结构的压电纤维传感器组合可以确定结构中应力波产生的主应变方向，那么两个花形结构的传感器组合就可以确定结构中应力波源的位置。MPF传感Lamb波具有很强的方向性，因此非常适合组合为花形结构进行结构中的Lamb波波源定位。一个MPF花形结构可以确定结构中Lamb波主应变场的方向，那么间隔适当距离的两个MPF花形结构就可以确定Lamb波波源位置。压电元件激励产生的Lamb波在遇到结构损伤时会发生散射，因此，结构损伤可以看成Lamb波散射波源。通过两个MPF花形结构传感结构损伤前后的信号，结构损伤后的信号减去结构健康状况下的信号就可以得到损伤的散射信号，则两个MPF花形结构就可以确定损伤的位置。
3、有益效果
基于本发明的结构损伤定位装置无需知道Lamb波在被监测结构中的传播速度，只需要测量MPF花形结构中每根MPF的响应信号幅值，而且可以使用的频带范围宽，可以实现在复杂板结构中进行在线实时损伤定位。本发明可以广泛应用于各向异性复合材料结构以及复杂的航空壳体结构的损伤监测。
四、附图说明
图1是本发明所使用的含金属芯压电纤维(MPF)结构图；
图2是本发明的MPF花形组合结构示意图；
图3是结构损伤定位原理图；
图4本发明的结构损伤定位装置原理图。
五、具体实施方式
如图1所示，为本发明采用的含金属芯压电纤维(MPF)的结构示意图，中心为一根金属芯，中间为压电陶瓷，压电陶瓷的外层为溅射的一层金属层。因此金属芯和外层金属层就可以作为两个电极，单根MPF就可以作为传感器与驱动器，因其结构本身的特点，其传感Lamb波具有很强的方向性，因此很适合做成如图2所示的花形结构，即采用三根MPF互成60度组成MPF花形结构。根据类似电阻应变花的原理，60度MPF花形结构可以确定结构中Lamb波应变场的方向，两个一定距离的MPF花形结构就可以确定结构中Lamb波波源(损伤位置)。
如图4所示，本实施例的基于含金属芯压电纤维的结构损伤定位装置，包括信号发生器、贴设在待进行健康监测的结构表面的Lamb波激励元件、布置于待进行健康监测的结构表面的第一、第二含金属芯压电纤维单元、数据采集卡、功率放大器和电荷放大器，所述的含金属芯压电纤维单元由三根等长的第一、第二、第三含金属芯压电纤维1、2、3组成，第一含金属芯压电纤维1、第二含金属芯压电纤维2和第三含金属芯压电纤维3互成60度角布置；信号发生器发出脉冲信号，经过功率放大器放大后施加给Lamb波激励元件，第一、第二含金属芯压电纤维单元传感Lamb波产生的电压信号经过电荷放大器传递给数据采集卡；数据采集卡与监测显示单元连接，在计算机里储存数据以及进行定位程序运算。
如图3所示，本实施例的装置具体损伤定位实施步骤如下：
步骤1：当结构处于健康状况(没有损伤)时，粘贴在结构表面的压电片激励产生的Lamb波被两个MPF花形结构直接接收，此时的接收的信号为健康信号。此健康信号经过电荷放大器放大，数据采集卡采集后储存在计算机上作为参考信号；
步骤2：当结构发生损伤时，压电片激励产生的Lamb波除了直接被MPF花形结构接收的以外，还有一部分Lamb波经过损伤发生散射，散射波也会被MPF花形结构接收。此时的信号经过电荷放大器放大，数据采集卡采集到的即为损伤信号。损伤信号与之前储存的健康信号的差信号即为损伤的散射信号。
步骤3：MPF花形结构由三根长度相同的MPF互成60度组成，根据类似电阻应变花的原理，三根MPF的响应信号可以确定结构中Lamb波主应变场。因此，根据MPF花形结构1中三根MPF响应的差信号可以确定结构中损伤散射Lamb波产生的主应变场方向，即坐标系中与x轴所成角度φ1，同样根据MPF花形结构2中的三根MPF响应的差信号可以确定角度φ2。由角度φ1和φ2根据几何关系就可以确定损伤散射Lamb波波源即损伤位置。
参考信号(即健康信号)事先储存在计算机里，当采集到损伤信号后，由差信号通过Labview程序计算角度φ1与φ2，然后通过两个角度根据几何关系程序可以计算出交点即损伤位置。因此，整个损伤定位过程可以在线实时完成。定位过程中不需要测量MPF响应的时间信号，只需要测量每根MPF响应的电压幅值信号。因此不需要知道Lamb波在被测结构中的波速。
Claims (2)
1.一种基于含金属芯压电纤维的结构损伤定位装置，其特征在于，包括信号发生器、贴设在待进行健康监测的结构表面的一组Lamb波激励元件、布置于待进行健康监测的结构表面的第一、第二含金属芯压电纤维单元、数据采集卡、功率放大器和电荷放大器，所述的第一、第二含金属芯压电纤维单元均由三根等长的第一、第二、第三含金属芯压电纤维(1、2、3)组成，第一含金属芯压电纤维、第二含金属芯压电纤维和第三含金属芯压电纤维互成60度角布置；信号发生器产生的信号经过功率放大器放大后施加给Lamb波激励元件，第一、第二含金属芯压电纤维单元传感Lamb波产生的电压信号经过电荷放大器传递给数据采集卡；数据采集卡与监测显示单元连接。
2.如权利要求1所述的基于含金属芯压电纤维的结构损伤定位装置，其特征在于，所述的Lamb波激励元件为圆形压电片。
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