CN106233135A - 采用机电阻抗技术的结构健康监测系统 - Google Patents

Abstract

一种获取飞行器机械部件的结构健康状态的方法，所述方法通过使用换能器网络并运行同时作为致动器和传感器的每个换能器对每个关注频率点执行测量。通过每个任意频率点的正弦、恒定频率和任意振幅的电压波形单独激励用于轮询所述结构的每个换能器。专用硬件执行模拟的(模拟)量化，以测量每个换能器的电流和平均功耗。利用这两个变量，获得所监控结构不同区域的结构机电特征。

Description

采用机电阻抗技术的结构健康监测系统

相关申请的交叉引用

关于联邦资助的研究和开发的声明

无。

技术领域

这里的技术涉及电子感测和分析，并且更具体地涉及根据确定部件的机械阻抗来获取飞行器机械部件的结构健康状态的方法、系统和技术。

背景技术

飞行器部件在使用中会承受压力。虽然已知用于自动分析振动响应中的变化的技术，但是使用更加简单、更有效并且更少耗时的技术来自动感测和分析机械阻抗的变化将是有益的。

附图说明

结合如下附图，通过参考以下对于示例的非限制性的说明性实施例的详细描述，将更好和更全面的理解这些以及其它的特征和优点，其中：

图1示出了因压电片和被监控结构的相互作用而产生的示例性机电阻抗的一维模型。

图2示出了施加到换能器(transducer)上的激励的正弦电压v(t)与其相应的循环电流i(t)之间的示例相移。

图3示出了由换能器消耗的瞬时功率s(t)(虚线示出了平均功耗)。

图4(a)和4(b)示出了换能器的电阻抗的部分(4(a))和其消耗的电功率的部分(4(b))之间的示例关系。

图5是示出了如何测量和计算机电阻抗的电阻部分的示例的示意图。

图6是示出了用于测量监控网络中每个换能器的EMI FRF的示例的非限制性的专用数据采集系统的的示意性框图。

图7示出了引起EMI FRF中频率和/或振幅漂移的示例性温度环境影响。

图8是描述了用于测量每个EMI FRF以及评估可能的损坏而实现的示例的非限制性的过程的流程图。

具体实施方式

图1示出了包含集成的传感器-致动器压电片的机械系统的已知一维模型。结合到结构中的压电(PZT)片的波动方程的解导致了由公式1给出的频率相关的电导纳(admittance)：

$Y\left(\mathrm{\ω}\right)=i\mathrm{\ω}\mathrm{\α}\[{\mathrm{\ϵ}}_{33}^{-T}(1-i\mathrm{\δ})-\frac{Z_s\left(\mathrm{\ω}\right)}{Z_s\left(\mathrm{\ω}\right)+Z_{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{d}_{31}^2{\hat{Y}}_{II}^2\]---\left(1\right)$

公式1中，Y(ω)是电导纳(电阻抗的倒数)，z_a和z_s分别是PZT和该结构的机械阻抗，是在零电场下压电片在方向1上的复数杨氏模量，d₃₁是零应力下的压电耦合常数，是在零应力下的介电常数，δ是压电片的介电损耗角正切，以及α是压电片的几何常数。

该公式表明，结合在结构上的压电晶片的电阻抗与宿主结构的机械阻抗直接相关。在一定频率范围上的EMI与结构的频率响应函数(FRF)类似，其包含关于结构完整性的重要信息。

损伤引起结构刚度和/或阻尼的直接改变，并且改变系统的局部动态特性。因此，机械阻抗由于结构损坏而被改变。假设PZT压电片的特性保持恒定，则证明，z_s(ω)是唯一确定机电系统整体导纳的结构的阻抗。通过监视所测量的EMI和将其与对应于原始条件的基线测量进行比较，可以定性地确定是否已经发生初期结构损坏。

本文根据测量每个EMI FRF而提出的创新的方法是基于在每一个关注频率点，基于简单和简约的方程组计算有源换能器的机电阻抗的电阻部分。图2示出了施加到换能器上的正弦激励电压v(t)产生一个类似波形但具有相移θ的电流i(t)。公式2和3在数学上描述了这两个量，其中ω是以[rd/s]为单位的激励频率，V和I分别是激励电压和循环电流的幅值。

v(t)＝V sin(ωt) (2)

i(t)＝I sin(ωt+θ) (3)

通过将公式2乘以公式3获得换能器消耗的瞬时功率s(t)。公式4表示了该结果：

$S\left(t\right)=\frac{VIcos\left(\mathrm{\θ}\right)}{2}-\frac{VIcos\left(2\mathrm{\ω}t\right)cos\left(\mathrm{\θ}\right)}{2}+\frac{VIsin\left(2\mathrm{\ω}t\right)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{2}---\left(4\right)$

公式4中的第一项不随时间变化，并且包括了关于v(t)和i(t)的之间的相移的足够信息。图3示出了该项，它通常被称为平均功率。公式5在数学上将平均功率定义为v(t)和i(t)的之间的相移的函数：

$P\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{VIcos\left(\mathrm{\θ}\right)}{2}=V_{RMS}*I_{RMS}*cos\left(\mathrm{\θ}\right)---\left(5\right)$

在图4(a)中示出了压电换能器的复数阻抗Z的广泛接受的电模型，其中R代表阻抗的电阻(实数)部分，Xc代表电感(虚数)部分。图4(b)示出了相移θ、平均功率P、无功功率Q和视在功率S之间的关系。使用公式5、欧姆定律和图4中示出的关系，可以通过使用公式6来确定电阻R：

$R=\frac{P\left(\mathrm{\θ}\right)}{I_{RMS}^2}---\left(6\right)$

尽管平均功率直接依赖于θ，也没必要直接测量它。

如图5所示的非限制性的特别示例性电路能够直接测量P(θ)。精密高速模拟放大器51用于获得S(t)。低通滤波器52提供了精确的增益调节。RMS至DC转换器53用于以恒定电压值(DC)形式获得换能器中的循环电流的RMS值。微控制器54被用来协调传感网络并且通过软件使用公式(6)计算R。微控制器54可以执行存储在诸如随机存取存储器、只读存储器、闪存等非临时性存储设备中的软件指令。

对预先指定范围内的每个频率点重复所述的处理。

图5的电路通过使用换能器网络并运行同时作为致动器和传感器的每个换能器，对每个关注频率点执行测量，从而获取飞行器机械部件的结构健康状态。通过每个任意频率点的正弦、恒定频率和任意振幅的电压波形来个别激励用于轮询(interrogate)所述结构的每个换能器。专用硬件执行模拟的(模拟)量化以测量每个换能器的电流和平均功耗。利用这两个变量，获得所监视的结构的不同区域中的结构的机电特征。

图6中示出了更完整的框图，其中在示例的非限制性实施例中建议的元件的特征在于它们的功能和结构。计算机系统61实现人机接口(MMI)。可以实现几个不同的接口通信，从而与微控制器61通信。两个模拟至数字(AD)的通道62并不需要高采样速度，因为P_average和I_effective是DC值。每秒数千采样的采样速度就足够了。可编程数字数据合成器(DDS)63被用来生成精确的频率和幅度的正弦波。数字控制的固态模拟开关64是高度可靠的；这些开关在多路分解器(解码器)66和微控制器61的控制下单独地激活/去激活感测网络中的每个换能器。分流电阻67用于对每个换能器采样循环电流。

诸如图7中示出的温度的环境影响可引起EMI FRF中的频率和/振幅的漂移。后处理算法在温度和压力变化的已知范围内识别并且补偿这些漂移。

在图8中示出了用于损伤评估的一个完整的示例性的非限制性流程图。一直到步骤71，MMI加载/设置用于电流测量的参数，并且也可以执行进一步的校准。从72至73，在一个示例性的实施例中，所有的处理发生在微控制器内。从74向前，在这个示例性的实施例中，后处理动作和损坏评估发生在计算机系统内。

在开始、设置和校准之后，系统加载/设置参数(71)，并且激活PZT换能器。系统计算一个频率点，然后开始生成信号。获取并分别平均两种类型的信号获取(电流和功率))。随后直接根据I和P计算R。可以对多个频率点重复该处理。一旦对所希望的多个频率点的每一个都执行过该处理，则系统补偿了环境影响。然后，如果是为了基线而获取数据，则结果被存储，如果不是为了基线，则结果与先前存储的基线信息比较，基于基线评估损坏。如果检测到损坏，警报可以自动发送至飞行员、乘务员或维护人员。

本文的技术可以实现成方法、系统硬件、嵌入式固件和/或作为一个整体产品的软件，或作为为了实现相同或相似的目标而一起工作的一组零件的软件。

软件部分可以被组织成两个主要的组。第一组，被称为固件，可以嵌入在微控制器或任何其它处理系统内，其中预处理算法(平均、模拟和数字量化以及通信接口)被实现以验证、校正和传送测量结果至计算机系统。第二组，被称为分析软件，可以在单个或多个计算机(独立)，或者单独的其它处理系统或连接在网络中的其它处理系统中操作，其中远程操作和数据可视化是可能的。可以组合后处理算法(环境影响补偿)和损坏评估以识别早期阶段的结构改变(损坏)。

虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例描述了本发明，应该理解的是，本发明并不限于所公开的实施例，而是相反，意在覆盖包括在权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (13)

1.一种获取对象或者结构部件的健康状态的方法，该方法利用EMI技术通过使用同时作为传感器/致动器来操作的一个或者多个压电换能器对每个关注带宽频率点执行测量，所述方法包括：

a.对每个关注频率点，提供恒定频率和振幅的正弦波激励；

b.模拟量化所述换能器的RMS循环电流和平均功耗，从而直接测量机电阻抗的电阻部分；

c.补偿环境影响；以及

d.补偿静态和动态负载；

e.其中所述方法仅使用一个换能器来监控对象或者结构的预定区域的健康状态。

2.如权利要求1所述的方法，包括：使用专用电路执行所述换能器的平均功率和RMS电流这两者的模拟量化。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：使用一组后处理算法以补偿施加到所监控的结构或对象上的温度和压力的变化的影响。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括监控金属的或者非金属的对象或者结构的健康状态。

5.如权利要求1所述的方法，包括：避免FFT算法生成EMI FRF响应。

6.如权利要求1所述的方法，其中AD通道的采样速率仅需要每秒几千采样的采样速率，与施加到所述换能器上的激励频率无关。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述轮询频率的范围为20kHz至400kHz。

8.如权利要求1所述的方法，进一步包括：使用所述换能器作为激励器和传感器。

9.一种能够控制换能器的网络以监控较大结构的系统，包括：

激励器，该激励器被构造成对每个关注频率点采用正弦波激励来激励机械对象或者结构；

单个换能器，该换能器与所述机械对象或者结构耦合，用于监控所述对象或者结构的预定区域的健康状态；

模拟量化器，该模拟量化器量化所述换能器的RMS循环电流和平均功耗，从而直接测量机电阻抗的电阻部分；以及

处理器，该处理器与所述模拟量化器耦合，用于补偿环境影响以及静态和动态负载。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述激励器以恒定的频率和振幅这两者进行激励。

11.如权利要求9所述的系统，其中所述换能器和激励器包括相同的部件。

12.如权利要求9所述的系统，其中所述处理器管理所述网络中的多路复用/多路分用，并且包括阻抗计算。

13.如权利要求9所述的系统，其中所述系统是电池供电的便携系统。