PL217993B1

PL217993B1 - Method of monitoring damages in the structure elements and a sensor to detect damages in the elements of the structures

Info

Publication number: PL217993B1
Application number: PL390193A
Authority: PL
Inventors: Marek Kokot; Jan Holnicki-Szulc
Original assignee: Adaptronica Spółka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością; Inst Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2014-09-30
Also published as: PL390193A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób monitorowania uszkodzeń w elementach konstrukcji za pomocą układu elektrycznego i czujnik uszkodzeń w elementach konstrukcji.The present invention relates to a method of monitoring failures in structural elements by means of an electrical system and a failure sensor in structural elements.

Znane są systemy, które pozwalają monitorować stan urządzeń lub konstrukcji (lub ich wybranych elementów) w sposób ciągły, także w trakcie ich normalnej eksploatacji. Systemy te zawierają układy pomiarowe wbudowane lub trwale połączone z elementami badanej konstrukcji. Rozwiązania technologiczne, które znalazły najszersze zastosowanie w zintegrowanych układach pomiarowych to przetworniki piezoelektryczne oraz światłowody. Elementy piezoelektryczne pełnią rolę zarówno wzbudników fal mechanicznych jak i lokalnych sensorów deformacji. Włókna światłowodowe, zawierające siatki Bragga lub skonfigurowane w układy interferometryczne, pełnią rolę czujników odkształceń. Systemy o zintegrowanych układach pomiarowych bazują na metodach wibracyjnych i propagacji fal. tzn. identyfikacja defektów odbywa się na drodze analizy zmian w dynamicznej odpowiedzi konstrukcji na zadane wymuszenie mechaniczne (odpowiedź konstrukcji „zdrowej” jest różna od odpowiedzi konstrukcji uszkodzonej).There are systems that allow you to monitor the condition of devices or structures (or their selected elements) continuously, also during their normal operation. These systems contain built-in measuring systems or permanently connected with the elements of the tested structure. Technological solutions that have found the widest application in integrated measurement systems are piezoelectric transducers and optical fibers. Piezoelectric elements act as both inductors of mechanical waves and local deformation sensors. Optical fibers containing Bragg gratings or configured with interferometric systems act as strain sensors. Systems with integrated measurement systems are based on vibration and wave propagation methods. ie defects are identified by analyzing changes in the dynamic response of the structure to the given mechanical input (the response of a "healthy" structure is different from that of a damaged structure).

Znane są również rozwiązania systemów monitorowania, w których rolę zintegrowanych czujników uszkodzeń pełnią układy elektryczne. Działanie systemów tego typu jest oparte na założeniu, że lokalne defekty lub deformacje w elementach konstrukcji wywołują zmiany parametrów elektrycznych (rezystancji, pojemności, impedancji) w zintegrowanym układzie elektrycznym. Monitorowanie stanu konstrukcji sprowadza się do zadania monitorowania zmian parametrów i ich lokalizacji w strukturze zespolonego układu elektrycznego. Z opisu patentowego US 5.184,516 znany jest układ czujników w postaci elastycznego obwodu drukowanego, przytwierdzanego do powierzchni badanego elementu konstrukcji, który zawiera układy tensometrów oporowych do lokalnych pomiarów odkształceń oraz układy równoległych ścieżek przewodzących do wykrywania pęknięć powierzchniowych (uszkodzenie na powierzchni elementu powoduje przerwanie połączenia elektrycznego). W zgłoszeniu wynalazku US 2005/0284232 A1 opisano elektryczny system monitorowania w postaci prostopadłych, wzajemnie izolowanych ścieżek przewodzących, wykonanych na powierzchni badanego elementu. Identyfikacja defektu jest wynikiem pomiaru zmian przewodności w każdej ze ścieżek. W zgłoszeniu wynalazku US 2006/0254366 A1 podobna sieć prostopadłych ścieżek przewodzących, jednak wzajemnie połączonych w punktach przecięcia (tzw. „grid”), jest monitorowana poprzez badanie zmian rezystancji pomiędzy wybranymi końcówkami ścieżek. W celu lokalizacji defektu jest stosowany iteracyjny algorytm pozwalający zawęzić miejsce wystąpienia defektu do małego obszaru.There are also known solutions for monitoring systems in which electrical systems play the role of integrated fault sensors. The operation of this type of systems is based on the assumption that local defects or deformations in structural elements cause changes in electrical parameters (resistance, capacitance, impedance) in an integrated electrical system. Structural condition monitoring comes down to the task of monitoring parameter changes and their location in the structure of a complex electrical system. From US 5,184,516 a sensor system in the form of a flexible printed circuit is known, attached to the surface of the tested structural element, which includes resistance strain gauge systems for local measurements of deformations and systems of parallel conductive paths for detecting surface cracks (damage on the surface of the element causes breaking the connection). electric). The invention application US 2005/0284232 A1 describes an electrical monitoring system in the form of perpendicular, mutually insulated conductive paths made on the surface of the tested element. Defect identification is the result of measuring the change in conductivity in each path. In the invention application US 2006/0254366 A1, a similar network of perpendicular conductive paths, but interconnected at the points of intersection (the so-called "grid"), is monitored by examining the changes in resistance between selected path ends. In order to locate the defect, an iterative algorithm is used to narrow down the place of the defect to a small area.

Zgodnie z wynalazkiem, na elemencie konstrukcyjnym lub wewnątrz jego struktury, który ma podlegać obserwacji mocuje się układ elektryczny zestawiony z elementów rezystancyjnych i pojemnościowych, o znanych parametrach elementów i ustalonej topologii połączeń. W układzie elektrycznym umieszcza się także grupę elementów rezystancyjnych, które nie ulegają uszkodzeniu mimo wystąpienia defektów w konstrukcji. Tak połączony z konstrukcją układ pobudza się w założonym przedziale czasu zmiennym sygnałem testowym, będącym złożeniem funkcji harmonicznej o częstotliwości z przedziału 1 Hz-10000 Hz oraz funkcji ograniczającej w postaci rozkładu Gaussa, funkcji trójkątnej lub funkcji harmonicznej o niższej częstotliwości. Jednocześnie, w tym samym przedziale czasu, rejestruje się odpowiedź układu w postaci dyskretnych przebiegów napięcia, mierzonych we wstępnie ustalonych węzłach pomiarowych. Odpowiedź układu, zmierzoną dla konstrukcji nieuszkodzonej czyli referencyjną, alternatywnie oblicza się na podstawie numerycznego modelu układu elektrycznego to znaczy, znając parametry elementów, topologię układu oraz kształt sygnału testowego, wyznacza się odpowiedź układu, stosując znane metody analizy obwodów elektrycznych (np. metodę potencjałów węzłowych). Ponadto, na podstawie modelu numerycznego układu, tworzy się zbiór wewnętrznych relacji w postaci macierzy wpływu, która jest podstawą algorytmu obliczeniowego w Metodzie Dystorsji Wirtualnych. Macierz ta jest zbiorem funkcji przejścia dla impulsowych wymuszeń prądowych przykładanych w elementach układu, w których zakłada się możliwość wystąpienia defektu.According to the invention, an electrical system composed of resistive and capacitive elements with known parameters of the elements and a predetermined connection topology is mounted on the construction element or inside its structure to be observed. The electrical system also includes a group of resistive elements that are not damaged despite defects in the structure. The system connected in this way is activated in the assumed time interval with a variable test signal, which is a combination of a harmonic function with a frequency in the range 1 Hz-10000 Hz and a limiting function in the form of a Gaussian distribution, a triangle function or a harmonic function with a lower frequency. Simultaneously, in the same time interval, the system response is recorded in the form of discrete voltage waveforms measured at predetermined measurement nodes. The system response, measured for an undamaged or reference structure, is alternatively calculated on the basis of the numerical model of the electrical system, i.e., knowing the component parameters, the system topology and the shape of the test signal, the system response is determined using known methods of electrical circuit analysis (e.g. the nodal potential method) ). Moreover, on the basis of the numerical model of the system, a set of internal relations is created in the form of an influence matrix, which is the basis of the calculation algorithm in the Virtual Distortion Method. This matrix is a set of transfer functions for impulse current excitations applied in the system elements in which the possibility of a failure is assumed.

W trakcie eksploatacji konstrukcji dokonuje się kontrolnych pobudzeń układu tym samym, zmiennym sygnałem testowym. W przypadku wystąpienia defektów w konstrukcji, uszkodzeniu mogą ulegać elementy pojemnościowe lub część elementów rezystancyjnych, przy czym uszkodzenie elementu pojemnościowego powoduje spadek wartości pojemności elektrycznej, natomiast uszkodzenie elementu rezystancyjnego powoduje spadek wartości konduktancji. Zmiany parametrów układu elektrycznego na skutek wystąpienia defektów w konstrukcji powodują zmianę dynamicznej odpowiedzi układu na zadany sygnał testowy.During the operation of the structure, control stimulations of the system are carried out with the same, variable test signal. In the event of defects in the structure, capacitive elements or part of the resistive elements may be damaged, while the failure of the capacitive element causes a decrease in the value of the electric capacitance, while the damage of the resistive element causes a drop in the conductance value. Changes in the parameters of the electrical system due to defects in the structure cause a change in the dynamic response of the system to a given test signal.

PL 217 993 B1PL 217 993 B1

Algorytm identyfikacji zmian parametrów w układzie elementów rezystancyjnych i pojemnościowych bazuje na gradientowej optymalizacji, w którym funkcja celu jest sformułowana jako średniokwadratowa różnica pomiędzy aktualnie zmierzoną odpowiedzią układu a odpowiedzią referencyjną. Wielkościami poszukiwanymi w procesie identyfikacji są tak zwane dystorsje wirtualne, które w sposób jednoznaczny modelują wpływ modyfikacji parametrów na dynamiczną odpowiedź układu. Posługując się procedurami optymalizacji (np. metodą największego spadku gradientu) rozwiązuje się problem odwrotny lokalizacji dystorsji wirtualnych, które wskazują na uszkodzone elementy układu, a tym samym, na miejsca wystąpienia defektów w strukturze konstrukcji.The algorithm for identifying parameter changes in the system of resistive and capacitive elements is based on gradient optimization, in which the objective function is formulated as the mean square difference between the currently measured response of the system and the reference response. The quantities sought in the identification process are the so-called virtual distortions, which uniquely model the impact of parameter modification on the dynamic response of the system. By using optimization procedures (e.g. the method of the highest gradient), the inverse problem of the location of virtual distortions is solved, which indicate damaged elements of the system, and thus the locations of defects in the structure of the structure.

Zastosowanie dynamicznej metody pozwala zredukować liczbę punktów pomiarowych, co oznacza mniejszą ilość połączeń pomiędzy układem sieci czujników a układem pomiarowym.The use of the dynamic method allows to reduce the number of measuring points, which means a smaller number of connections between the sensor network and the measuring system.

Przedmiotem wynalazku jest także czujnik uszkodzeń elementów konstrukcyjnych, który ma postać układu elektrycznego zintegrowanego z konstrukcją na jej powierzchni lub wewnątrz struktury elementu konstrukcyjnego. Układ składa się z elementów rezystancyjnych, ulegających zniszczeniu na skutek powstających uszkodzeń mechanicznych w konstrukcji, elementów rezystancyjnych trwałych oraz elementów pojemnościowych, które także mogą ulegać uszkodzeniu na skutek defektów w konstrukcji.The subject of the invention is also a structural element damage sensor, which has the form of an electrical system integrated with the structure on its surface or inside the structure of the structural element. The system consists of resistive elements that are damaged due to mechanical damage in the structure, permanent resistive elements and capacitive elements that may also be damaged due to defects in the structure.

Należy nadmienić, że elementy składowe układu elektrycznego mogą mieć niemal dowolną postać fizyczną i technologię wykonania, tzn. elementy rezystancyjne mogą mieć na przykład postać drutów oporowych, ścieżek przewodzących lub rezystorów dyskretnych, natomiast elementy pojemnościowe mogą mieć postać pokrywających się okładzin tworzących kondensator płaski lub kondensatorów dyskretnych.It should be noted that the components of the electrical system can have almost any physical form and manufacturing technology, i.e. resistance elements can be, for example, in the form of resistance wires, conducting paths or discrete resistors, while capacitive elements can take the form of overlapping facings forming a flat capacitor or capacitors discrete.

Elementy rezystancyjne o budowde nietrwałej tworzą w układzie strukturę otwartą, to znaczy nie istnieje pętla dla przepływu prądu utworzona z tych elementów. Elementy o budowie trwałej są w układzie rozmieszczone tak, aby tworzyły co najmniej jedno alternatywne połączenie dla przepływu prądu pomiędzy węzłami układu, do których dołączone jest zasilanie. Elementy pojemnościowe są usytuowane tak, aby co najmniej jeden węzeł każdego elementu rezystancyjnego o budowie nietrwałej był połączony z elementem pojemnościowym.Resistive elements of unstable construction form an open structure in the system, i.e. there is no current loop formed by these elements. The elements of permanent construction are arranged in the system to form at least one alternative connection for the flow of current between the nodes of the system to which the power is connected. The capacitive elements are positioned such that at least one node of each volatile resistive element is connected to the capacitive element.

Wynalazek w przykładach wykonania jest bliżej przedstawiony na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia przykładowy czujnik w postaci połączonych szeregowo klatek, a Fig. 2 inny przykład budowy czujnika.The invention is illustrated in more detail in the drawing in which Fig. 1 shows an exemplary sensor in the form of series-connected cages, and Fig. 2 shows another example of the sensor construction.

P r z y k ł a d.P r z k ł a d.

Zestawiono układ elektryczny w postaci szeregu dziesięciu klatek 1 o kształcie kwadratu, na którego bokach znajdują się elementy rezystancyjne 2 i 3, zaś na przekątnej znajduje się element pojemnościowy 4. Klatki 1 są połączone w ten sposób, że mają wspólny rezystor 2. Część rezystorów 2 została wykonana jako elementy nietrwałe, tzn. mogą one ulegać uszkodzeniu na skutek wystąpienia defektów w konstrukcji. Pozostałe elementy rezystancyjne 3 są elementami trwałymi. Rezystancja wszystkich elementów wynosi 10 kΩ, a pojemność elektryczna wynosi 100 nF. Układ został przytwierdzony do powierzchni badanego elementu konstrukcyjnego. Do skrajnego węzła 5 układu podłączono zasilanie, a do skrajnego węzła 6, leżącego po przeciwnej stronie, uziemienie. Następnie pobudzono układ sygnałem testowym w postaci funkcji harmonicznej o częstotliwości 250 Hz i amplitudzie 10 V, ograniczonej funkcją trójkątną, o czasie trwania 10 ms, jednocześnie rejestrując odpowiedź referencyjną układu w postaci dyskretnych przebiegów napięcia w trzech wybranych węzłach układu. Na podstawie modelu numerycznego układu wyznaczono macierz wpływu, która zawiera odpowiedzi układu w wybranych węzłach pomiarowych dla jednostkowych impulsowych wymuszeń prądowych przyłożonych w miejscach spodziewanych wystąpień defektów konstrukcji, czyli dla rezystorów 2 i elementów pojemnościowych 4. Otrzymano w ten sposób podstawę algorytmu obliczeniowego w Metodzie Dystorsji Wirtualnych. Następnie poddano element konstrukcyjny zmiennym obciążeniom, które doprowadziły do uszkodzenia struktury materiału konstrukcji, po czym dokonano ponownego pobudzenia układu elektrycznego takim samym sygnałem testowym jak uprzednio, doprowadzonym do tego samego węzła 5. Wykorzystując wyznaczone wcześniej odpowiedzi referencyjne układu oraz macierz wpływu, wyznaczono, na drodze gradientowej optymalizacji, rozkład dystorsji wirtualnych modelujących powstały stan uszkodzeń w układzie elektrycznym. Następnie, na podstawie zlokalizowanych uszkodzeń elementów układu, określono geometryczne miejsce wystąpienia defektu w konstrukcji.The electric system is arranged in the form of a series of ten square cages 1, on the sides of which there are resistive elements 2 and 3, and on the diagonal there is a capacitive element 4. The cages 1 are connected in such a way that they have a common resistor 2. Part of the resistors 2 was made as perishable elements, i.e. they may be damaged as a result of defects in the structure. The remaining resistance elements 3 are permanent elements. The resistance of all elements is 10 kΩ and the electrical capacity is 100 nF. The system was attached to the surface of the tested structural element. The power supply is connected to the extreme node 5 of the system and the earth to the extreme node 6 on the opposite side. Then the system was energized with a test signal in the form of a harmonic function with a frequency of 250 Hz and an amplitude of 10 V, limited by a triangular function, with a duration of 10 ms, simultaneously recording the reference response of the system in the form of discrete voltage waveforms in three selected nodes of the system. On the basis of the numerical model of the system, the influence matrix was determined, which contains the system responses in selected measurement nodes for unit impulse current excitations applied in the places of expected occurrence of structure defects, i.e. for resistors 2 and capacitive elements 4. Thus, the basis of the calculation algorithm in the Virtual Distortion Method was obtained. . Then, the structural element was subjected to variable loads, which led to damage to the structure of the structure material, and then the electrical system was restarted with the same test signal as before, sent to the same node 5. Using the previously determined reference responses of the system and the influence matrix, the following was determined by gradient optimization, distribution of virtual distortions modeling the resulting state of damage in the electrical system. Then, based on the localized damage to the system elements, the geometric location of the defect in the structure was determined.

Układ pokazany na rysunku Fig. 1 utworzony jest z połączonych w szereg, dziesięciu klatek 1 w kształcie kwadratu, o bokach złożonych z elementów rezystancyjnych 2 i 3 oraz elemencie pojemnościowym 4 na przekątnej. W skład układu wchodzą elementy rezystancyjne 2 o budowie nietrwałejThe circuit shown in Fig. 1 is made up of ten square-shaped cages 1 connected in series, the sides of which are resistive elements 2 and 3 and a capacitive element 4 diagonally. The system includes resistive elements 2 of unstable construction

PL 217 993 B1 oraz elementy rezystancyjne 3 o budowie trwałej, przy czym elementy rezystancyjne 2 o budowie nietrwałej są usytuowane na jednym zewnętrznym boku powstałej struktury oraz na ścieżkach poprzecznych. Elementy rezystancyjne 3 o trwałej budowie są rozmieszczone na drugim boku struktury. Skrajny zewnętrzny węzeł 6 jest przyłączony do uziemienia, zaś do zewnętrznego węzła 5 przyłączone jest zasilanie.And the resistive elements 3 of a permanent structure, the resistive elements 2 of perishable structure being disposed on one outer side of the resulting structure and on transverse tracks. Durable resistive elements 3 are disposed on the other side of the structure. The outermost node 6 is connected to ground, and a power supply is connected to the outer node 5.

Na Fig. 2 pokazano rozbudowany w szerz układ czujnika. Elementy rezystancyjne 2 o budowie nietrwałej tworzą jedną ścieżkę główną pomiędzy węzłem zasilania 5 a węzłem uziemienia 6 wraz z rozchodzącymi się na boki gałęziami. Elementy rezystancyjne 3 o budowie trwałej są rozmieszczone na dwóch alternatywnych ścieżkach bocznych, które łączą węzeł zasilania 5 i uziemienia 6. Elementy pojemnościowe 4 są włączone pomiędzy węzły na przekątnych klatek.Fig. 2 shows an extended sensor arrangement. Resistive elements 2 of unstable construction form one main path between the power node 5 and the earthing node 6 with the branches extending laterally. The permanent resistive elements 3 are arranged on two alternative side paths that connect the power node 5 and the ground 6. The capacitive elements 4 are connected between the nodes on the diagonals of the cages.

Claims

1. Method of monitoring damages in structural elements by means of an electrical system built into the structure of a structural element or permanently connected to an element of the tested structure, characterized in that a system consisting of resistive and capacitive elements with a known topology of connections between individual elements is connected to the structure of the tested structural element. , in which some of the resistance elements have a permanent structure, and then the system is energized with a variable test signal, causing a transient, the reference response of the undamaged system is recorded in the form of discrete voltage waveforms measured at predetermined measurement points and a set of internal relations in the form of a matrix is created which are the basis for the calculation algorithm in the Virtual Distortion Method, and then, during the operation of the structure, control stimulation of the system is carried out with the same variable test signal, and then using the current The system response not measured at the same measurement points, its changes in relation to the reference response are assessed and, with the use of optimization procedures, the reverse problem of the location of damaged elements of the electrical system with changed values of resistance or electrical capacity is solved, thus determining the location of the failure in the structure of the structural element.

2. The method according to p. A method according to claim 1, characterized in that the function describing the shape of the test signal is a combination of a harmonic function and a triangular limiting function, Gaussian distribution or a harmonic according to a lower frequency

3. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the frequency of the harmonic function is in the range 1 Hz-10000 Hz.

4. The method according to p. 1, characterized in that the algorithm for identifying parameter changes in the system of resistive and capacitive elements is based on gradient optimization, in which the objective function is formulated as the mean square difference between the responses measured for the damaged system and the reference responses measured for the undamaged system or determined on the basis of the numerical model .

5. Damage sensor in structural elements of the form of an electrical circuit, integrated in the structure material or on its surface, characterized in that the circuit includes resistive elements of a non-permanent structure, destroyed as a result of mechanical damage in the structure, arranged in such a way that they form a structure open, and permanent resistive elements that form at least one alternative path for current flow between power connected circuit nodes, and capacitive elements arranged so that each semi-permanent resistive element is connected to the capacitive element.