CN109211980A - 基于压电阻抗原理的覆冰监测装置及方法 - Google Patents

基于压电阻抗原理的覆冰监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

基于压电阻抗原理的覆冰监测装置及方法，涉及结构监测和无损检测的研究领域。本发明是为了解决现有覆冰监测方法具有局限性的问题。本发明本发明提出基于压电阻抗原理的覆冰监测装置及方法，将轻薄型压电传感器粘贴于被测结构表面，通过测量得到压电传感器的电阻抗曲线，分析电阻抗曲线的变化特征，实现对结构物表面覆冰的开始时间和覆冰量的精确在线测量。

Description

基于压电阻抗原理的覆冰监测装置及方法
技术领域
本发明属于结构监测和无损检测的研究领域，尤其涉及固体表面覆冰的检测与监测。
背景技术
在冰冻气象条件下，工程结构表面会产生结冰现象。各种工程结构表面覆冰可能导致严重危害，如输电线路覆冰轻则引起线路闪络和跳闸，严重时会造成断线、倒塔等事故；公路路面覆冰会影响行车安全，给人民的生命财产安全带来严重威胁；斜拉桥上的斜拉索覆冰会改变斜拉索截面形状，形成不稳定的气动外形，引发各种类型风致振动，严重影响斜拉索及桥梁结构本身的安全，斜拉索覆冰坠落对桥上路人和行车安全也造成极大威胁和伤害；风力发电机叶片覆冰会导致其疲劳荷载增加，影响叶片结构寿命，改变叶片气动外形，影响发电效率等。覆冰现象与特定的气象条件有关，往往在短时间内发生且发展很快，精确的覆冰开始时间和覆冰量估计是采用除冰方法解决覆冰问题的关键。在覆冰早期，少量覆冰时除冰效果最好。
覆冰监测方法通常分为间接法和直接法两种。前者通过间接信息判断是否覆冰，如根据气象条件，包括温度、湿度、降水、风速等信息预测覆冰情况；又如覆冰导致的结构质量变化从而导致结构振动特性发生改变，使用加速度传感器测量结构振动分析振动频率来判断覆冰量等；间接法很难给出精确的覆冰开始时间和覆冰量。直接法由覆冰导致的一些物理特征的变化来衡量，例如力学特性、光的反射特性、导电导热特性变化等来判断覆冰。具体方法常见有：超声法，用于测量冰厚，但需要将超声传感器放置于待测结构内部。光反射法，利用光纤接收到的反射强度对透明冰的厚度进行估计。光学非接触法，用激光束射至覆冰表面，通过测量折射光的范围对覆冰特征进行估计。电阻或电容法，两个圆柱形探针之间的电容和电阻变化来估计结冰量，当结冰发生时，电容增加而电阻降低。上述各种方法均有其特殊的适用范围和使用不足之处，如超声法很难用于斜拉索表面覆冰监测。光发射法在长期使用时易受灰尘影响。光学非接触法依赖于大体积设备，且一般用于远程临时测量。电阻或电容法传感器结构稍复杂等。
发明内容
本发明是为了解决现有覆冰监测方法具有局限性的问题，现提供基于压电阻抗原理的覆冰监测装置及方法。
基于压电阻抗原理的覆冰监测装置，包括：压电传感器和阻抗分析仪，
压电传感器的采集端固定在结构体表面、并与结构体构成机电耦合系统，压电传感器用于采集电阻抗信号，压电传感器的电阻抗信号输出端连接阻抗分析仪的电阻抗信号输入端，阻抗分析仪用于将获得的电阻抗信号绘制成电阻抗曲线。
上述装置还包括显示设备，显示设备用于将阻抗分析仪绘制的电阻抗曲线显示出来。
基于压电阻抗原理的覆冰监测方法，包括以下步骤：
构造机电耦合系统步骤：将压电传感器的采集端固定在结构体表面，使压电传感器与结构体构成机电耦合系统；
绘制参考曲线步骤：使结构体表面结冰获得不同的结冰厚度集，利用压电传感器采集电阻抗信号，根据电阻抗信号绘制电阻抗曲线，将该电阻抗曲线作为不同厚度下的参考曲线；
绘制监测曲线步骤：在结构体表面实际结冰过程中，利用压电传感器实时采集电阻抗信号，每N个电阻抗信号绘制成一条电阻抗曲线，并将该电阻抗曲线作为该工况下的监测曲线；
覆冰监测步骤：将监测曲线分别与不同厚度下的参考曲线进行对比，找出监测曲线最接近的参考曲线，则结构体表面实际结冰厚度最接近该参考曲线所对应的结冰厚度越接近，其中N为正整数。
上述方法所述的覆冰监测步骤中还包括：
根据下式获得当前工况下的相对均方根偏差R：
其中，表示第j条监测曲线中第i个频率点的电导值，表示第j-1条监测曲线中第i个频率点的电导值，电导值为电阻抗信号倒数的实部，i＝1,2,3,...,N；
判断相对均方根偏差R是否大于0.05，是则表示当前工况下结构体表面冰厚度增加，否则表示当前工况下结构体表面冰厚度不变，环境温度改变。
上述方法中还能够利用温度补偿方法剔除电阻抗信号中的温度影响。
上述方法中压电传感器表面进行防水处理。
上述方法中利用阻抗分析仪绘制电阻抗曲线。
本发明提出基于压电阻抗原理的覆冰监测装置及方法，将轻薄型压电传感器粘贴于被测结构表面，通过测量得到压电传感器的电阻抗曲线，分析电阻抗曲线的变化特征，实现对结构物表面覆冰的开始时间和覆冰量的精确在线测量。
本发明与传统的覆冰监测方法相比，使用的压电传感器轻薄，对结构物影响小；装置结构简单、无复杂电路、耐久性好、安装方式简单、价格低廉；监测方法中数据分析方法简单，通过后期数据分析可实现对温度影响的剔除和对结冰厚度的精确估计；可实现结构物表面覆冰的长期在线监测，及时为除冰行动提供准确结冰信息。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的基于压电阻抗原理的覆冰监测装置的结构示意图；
图2为具体实施方式三所述的基于压电阻抗原理的覆冰监测装置的结构示意图；
图3为具体实施方式四斜拉索聚乙烯护套结冰试验中测得的频率范围为160kHz-210kHz内对应不同覆冰厚度的电导曲线图；
图4为采用相对RMSD(root-mean-square deviation，均方根偏差)法计算的不同冰厚和不同温度下的相对RMSD值，横坐标为次数。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的基于压电阻抗原理的覆冰监测装置，具体的，如图1所示，其中：结构体1、方形压电陶瓷传感器2、两芯屏蔽信号线3、阻抗分析仪4、PC机5。
由于压电传感器的正逆压电效应，压电传感器具有机电耦合的特性。因此将方形压电陶瓷传感器2的采集端粘贴(可利用耦合剂或黄油粘贴)在结构体1表面、并与结构体1构成机电耦合系统。该系统的机械阻抗与压电传感器的电阻抗之间存在定量关系。方形压电陶瓷传感器2用于采集电阻抗信号，通过测量压电传感器的电阻抗，可推断系统的机械阻抗。方形压电陶瓷传感器2的电阻抗信号输出端通过两芯屏蔽信号线3与阻抗分析仪4的电阻抗信号输入端相连，阻抗分析仪4用于将获得的电阻抗信号绘制成电阻抗曲线，阻抗分析仪4的曲线输出端连接PC机5的曲线输入端，PC机5用于将阻抗分析仪绘制的电阻抗曲线显示出来。
具体实施方式二：本实施方式是基于具体实施方式一所述的覆冰监测装置实现的覆冰监测方法，具体如下：
在结构物未覆冰状态，可使用阻抗分析仪测量一组压电传感器的电阻抗随频率变化曲线作为参考曲线。具体的，当结构体1表面无覆冰时，使用阻抗分析仪4进行测量，得到无覆冰时的参考曲线。
当结构物表面开始覆冰时，结构物、冰和压电传感器三者组成的系统的机械阻抗会发生变化，此时使用阻抗分析仪测量获得当前状态下的电阻抗曲线，通过对该曲线与参考曲线的差异分析，可以判断结构物表面已经开始覆冰，并且差异越大，冰厚越大。具体的，当结构体1表面发生结冰现象时，冰会同时覆盖压电陶瓷传感器2及其所在的表面，此时使用阻抗分析仪4进行测量，得到电阻抗曲线，该电阻抗曲线与无覆冰时的参考曲线相比较，进行差异性分析，通过分析结果判断结构物表面是否覆冰。
实际应用时，还可以事先测量不同冰厚对应的电阻抗曲线，分析曲线变化规律，利用该规律可以实现对结冰厚度的估算。并且通过连续采集，可以判断覆冰开始时间，进一步分析可以估计覆冰量或覆冰厚度。
具体实施方式三：本实施方式所述的基于压电阻抗原理的覆冰监测装置，具体的，如图2所示，其中：斜拉索聚乙烯护套6、圆形压电陶瓷传感器7(直径为12mm，厚度为1mm)、两芯屏蔽信号线8、阻抗分析仪9、PC机10。
圆形压电陶瓷传感器7的采集端使用环氧树脂胶粘贴在斜拉索聚乙烯护套6表面、并与斜拉索聚乙烯护套6构成机电耦合系统，圆形压电陶瓷传感器7用于采集电阻抗信号，圆形压电陶瓷传感器7的电阻抗信号输出端通过两芯屏蔽信号线8与阻抗分析仪9的电阻抗信号输入端相连，阻抗分析仪9用于将获得的电阻抗信号绘制成电阻抗曲线，阻抗分析仪9的曲线输出端连接PC机10的曲线输入端，PC机10用于将阻抗分析仪绘制的电阻抗曲线显示出来。
具体实施方式四：本实施方式是基于具体实施方式三所述的覆冰监测装置实现的覆冰监测方法，具体如下：
在未结冰状态下结构体表面结冰厚度H＝0，在频率范围160kHz和210kHz之间测得一条电导曲线，即图3中曲线11。该曲线单位为电导，是电导纳的实部，而电导纳是电阻抗的倒数。曲线11可作为后续进行差异性分析的参考曲线。随后斜拉索聚乙烯护套6在低温实验室中进行了结冰模拟试验(即：使H值增加)，在室内零度以下环境中通过喷水的方式在斜拉索聚乙烯护套6表面结冰。通过喷水量和喷水次数控制结冰厚度H。图3中沿虚线箭头方向依次为在不同结冰厚度下测得的电导曲线。曲线12为结冰最厚的工况约H＝9.12mm。上述试验过程中温度变化可以忽略。
在结构体表面实际结冰过程中，利用压电传感器实时采集电阻抗信号，每N个电阻抗信号绘制成一条电阻抗曲线，并将该电阻抗曲线作为该工况下的监测曲线；将监测曲线与图3中多个参考曲线进行对比，监测曲线越接近参考曲线，则结构体表面实际结冰厚度越接近参考曲线所对应的H。
从图3中可以看出，结冰与否以及结冰厚度对电导曲线的峰值和形状均有很大影响，随着冰厚增加，曲线峰值对应的频率右移，峰值对应的电导值下降，曲线逐渐变得平坦。上述曲线之间的差异可采用相对均方根偏差，即相对均方根偏差R来进行定量分析，如式(1)所示：
其中，表示第j条监测曲线中第i个频率点的电导值，表示第j-1条监测曲线中第i个频率点的电导值，电导值为电阻抗信号倒数的实部，i＝1,2,3,...,N，其中N为正整数。
判断相对均方根偏差R是否大于0.05，是则表示当前工况下结构体表面冰厚度增加，否则表示当前工况下结构体表面冰厚度不变，环境温度改变。
在实际工程应用中，压电传感器表面需进行防水处理，该防水处理不应太厚，以保证压电传感器的灵敏度。结构物覆冰时应保证冰也同时覆盖压电传感器。此外，无论结构物表面覆冰与否，如果外界温度发生变化，阻抗分析仪测量得到的电阻抗曲线也会因温度改变而发生变化，此时需要使用温度补偿方法来剔除温度影响，以免误判断为结构覆冰。
本发明中使用的阻抗分析仪可以是通用的高精度阻抗分析仪，如Agilent 4294A，也可以是其他用途或自行研制的阻抗分析装置。

Claims (7)

1.基于压电阻抗原理的覆冰监测装置，其特征在于，包括：压电传感器和阻抗分析仪，
压电传感器的采集端固定在结构体表面、并与结构体构成机电耦合系统，压电传感器用于采集电阻抗信号，压电传感器的电阻抗信号输出端连接阻抗分析仪的电阻抗信号输入端，阻抗分析仪用于将获得的电阻抗信号绘制成电阻抗曲线。
2.根据权利要求1所述的基于压电阻抗原理的覆冰监测装置，其特征在于，还包括显示设备，显示设备用于将阻抗分析仪绘制的电阻抗曲线显示出来。
3.基于压电阻抗原理的覆冰监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
构造机电耦合系统步骤：将压电传感器的采集端固定在结构体表面，使压电传感器与结构体构成机电耦合系统；
绘制参考曲线步骤：使结构体表面结冰获得不同的结冰厚度集，利用压电传感器采集电阻抗信号，根据电阻抗信号绘制电阻抗曲线，将该电阻抗曲线作为不同厚度下的参考曲线；
绘制监测曲线步骤：在结构体表面实际结冰过程中，利用压电传感器实时采集电阻抗信号，每N个电阻抗信号绘制成一条电阻抗曲线，并将该电阻抗曲线作为该工况下的监测曲线；
覆冰监测步骤：将监测曲线分别与不同厚度下的参考曲线进行对比，找出监测曲线最接近的参考曲线，则结构体表面实际结冰厚度最接近该参考曲线所对应的结冰厚度越接近，其中N为正整数。
4.根据权利要求3所述的基于压电阻抗原理的覆冰监测方法，其特征在于，覆冰监测步骤中还包括：
根据下式获得当前工况下的相对均方根偏差R：
其中，表示第j条监测曲线中第i个频率点的电导值，表示第j-1条监测曲线中第i个频率点的电导值，电导值为电阻抗信号倒数的实部，i＝1,2,3,...,N；
判断相对均方根偏差R是否大于0.05，是则表示当前工况下结构体表面冰厚度增加，否则表示当前工况下结构体表面冰厚度不变，环境温度改变。
5.根据权利要求4所述的基于压电阻抗原理的覆冰监测方法，其特征在于，利用温度补偿方法剔除电阻抗信号中的温度影响。
6.根据权利要求3或4所述的基于压电阻抗原理的覆冰监测方法，其特征在于，压电传感器表面进行防水处理。
7.根据权利要求3或4所述的基于压电阻抗原理的覆冰监测方法，其特征在于，利用阻抗分析仪绘制电阻抗曲线。
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