紧固件连接失效的压电阻抗监测技术

常源隆，董鸿祥，王 强

(南京邮电大学 自动化学院， 南京 210023)

紧固件连接失效的压电阻抗监测技术

常源隆，董鸿祥，王 强

(南京邮电大学 自动化学院， 南京 210023)

针对紧固件连接失效的压电阻抗监测方法对设备要求高且损伤判断方法不统一的问题，推导了压电传感器电导纳实部的计算公式，根据推导结果设计了结构损伤诊断系统，研究通过压电传感器的电导纳实部的频率谱来检测紧固件连接失效的可行性。试验结果表明，根据压电传感器的电导纳实部相对变化率频谱可以准确地判断紧固件连接是否失效。

PZT压电传感器；结构健康监测；机电耦合原理；连接失效

在诸多实际工程结构，如桥梁、航空器、汽车以及空间桁架等结构(如输电铁塔等)中，紧固件的使用是必不可少的。紧固件的松紧问题是结构完整性检查的一个重要环节，紧固件的松动可能会引起整个机构的失效，造成灾难性的事故[1]。

目前对紧固件失效的监测已经存在大量研究：美国缅因州大学对复合材料结构中螺钉连接失效的监测进行了研究[2]；北京工业大学研究了螺钉松动对压电元件特性的影响[1]；南京航空航天大学在小型环氧板上实现了螺钉松动的实时监测[3]；西安热工研究院对某台兆瓦级风力机塔上的高强度螺栓进行了无损检测，并通过渗透检测验证了检测结果的有效性[4]。然而，试验对损伤信息的收集多采用昂贵的网络分析仪，以较高频率(≥50 kHz)进行测量；对于损伤的判断一般采用电阻抗谱的变化或通过乘法器分离所得的电导纳实部谱的变化来表征，但前者由于压电片阻抗有效值较大而变化不明显，影响监测可靠性，后者器件相对复杂而受外界干扰严重[6-12]进行验证。

笔者针对紧固件失效监测中电导纳实部信息的应用，推导了压电传感器的电导纳实部信息的计算公式，采用标准化总线式模块实现了损伤诊断系统，克服了阻抗变化不明显的问题，并进行了验证试验。

1 结构损伤的压电阻抗监测技术

当对压电传感器施加一个交变电场时，由逆压电效应会产生一个周期性交变电磁力，通过压电传感器和结构之间胶质层的弹性力和阻尼力向结构发出激励；结构反馈响应后，响应通过胶质层反馈给压电传感器，使得压电传感器产生一个新的形变，由于正压电效应的存在而使得压电传感器的输出电场发生改变，直观上看相当于压电传感器的电阻抗发生了变化。通过上述机电耦合原理，结构损伤引起的机械阻抗的变化能够反映到压电传感器电阻抗的变化上，从而实现结构的损伤监测[5]。

通过上述原理可以看出，压电阻抗方法监测损伤的核心是测量阻抗信息。测量阻抗的方法很多，常用的包括电桥法、谐振法、电压电流法等。电桥法虽然精度较高但需要手动更换元器件来使电桥平衡；谐振法不仅精度较低，而且同样需要手动调节元器件参数来使测量电路谐振。他们在测量压电传感器的阻抗谱中都因为工作量较大而不适用，所以笔者采用电压电流法，测量电路原理如图1所示。

图1 电压电流法的电路原理示意

图中AC为频率可控的交流信号源，PZT为压电陶瓷片，Rm为串联的分压电阻，则有

(1)

式中:Zx为PZT压电陶瓷片的阻抗;UA为测量电路中的激励信号;UB为PZT压电陶瓷片两端的电压信号。

根据郭振勇等[6]的研究结果，压电传感器的导纳实部对结构更加敏感，对压电传感器的导纳实、虚部的频率谱则还需进行研究。由于阻抗与导纳互为倒数，结合式(1)即可得到

(2)

式中：YX为PZT压电片的导纳。

因为压电传感器本身的电容特性，经过压电传感器后，电压信号会有一个幅度和相位的变化。假设两路信号的相位差为θ，所以有

(3)

式中：UAm，UBm分别为UA，UB的幅值；G为电导纳实部；B为电导纳虚部。

G，B可由式(4)得出。

(4)

根据式(4)可看出，只需要得到两路信号的幅值和相位差信息即可得到压电传感器在当前频率点的电导纳实部和虚部。在确定频率范围内，观察损伤前后电导纳实部频谱的变化程度就可判断损伤的程度。

在实际应用中，只需以固定幅值、频率可变的信号对压电传感器扫频激励，对传感信号进行采样，通过对采样所得数据和激励信号进行处理便可得到两路信号的幅值比和相位差信息,进而得到压电传感器的电导纳实部频谱，即可判断损伤程度。

2 结构损伤的压电阻抗诊断系统设计

基于采集导纳实部频率谱的需要，采用了标准化总线模块设备来设计损伤诊断系统，实现设备的管理、数据存储、信号分析以及监测算法集成等功能。

2.1 系统硬件框架

笔者采用标准化总线式模块，实现结构连接失效监测系统的各部分功能，并通过总线实现对设备模块的管理、数据通信和同步。图2为硬件系统结构框图。

图2 硬件系统结构框图

系统硬件主要由三部分组成：① 任意信号发生模块，用以产生合适频率的正弦激励信号，加载到压电传感器电路中；② 数据采集模块，用以实现压电传感器感应信号的电荷放大和采集存储；③ 控制管理和数据处理模块，根据实时采集得到的传感信号，采用先进信号处理技术进行分析和特征提取。上述三组模块通过总线互联，如测试系统典型的PXI总线、PCI总线，并由控制运算单元协调管理。

2.2 系统软件流程

该损伤诊断系统的主要运行任务包括：系统管理和自诊断、选择并产生合适的激励信号、实时采集并存储当前状态下的结构响应信号、采用先进信号处理方法进行数据融合和特征提取、对试验结果进行实时显示等。系统软件的流程如图3所示。

图3 软件流程图

在硬件系统初始化完成后，程序采用循环结构，每循环一次则改变激励信号的频率，而幅值和相位保持不变；循环需要的次数，从而采集到各个频率点压电传感器传感信号的幅值和相位信息。在各个频率点上，将传感信号与激励信号的幅值相比得到幅值比，相位做相关处理得相位差，再根据式(4)即可得到压电传感器在当前频率点的电导纳实部和虚部。在一定频率变化范围内，扫描并记录数据，然后绘出导纳实部的频率谱图像，通过比较结构输出的频率谱的变化，即可得到与铝板结构变化和损伤相关的信息。

3 系统验证及试验

3.1 系统设计验证

按照上述设计思想，进行了系统和试验验证，硬件系统设计主要采用了成熟的标准化PXI总线模块及相关功能器件。其中，选用NI PXIe-8108控制器实现控制管理及数据处理模块；选用NI PXI-5412任意函数发生卡实现信号发生模块；选用NI PXIe-6361实现数据采集模块。上述模块按照PXI总线标准和接口集成在NI PXIe-1071机箱当中，三者共同构成试验系统。系统硬件实物如图4所示，所具备的主要硬件参数指标包括：振值2.97 mV～6 V可调、频率0～20 MHz的正弦波输出；8通道2 MS·s-1数据采集及存储。

图4 系统硬件实物图

考虑到兼容性及稳定性，系统软件采用了LabVIEW软件平台，利用其良好的图形化编程界面和丰富的信号处理控件，分别设计系统的各个功能模块及算法经，算法编译之后作为子程序供软件主程序调用。

软件中主要应用的算法有计算传感信号与激励信号相位差的算法。常用的相位差测量方法有过零点法、相关法和频谱法。过零点法检测相位适用于信号幅值较大的情况，如何准确判定过零点是该方法的关键，因此易受噪声的干扰。频谱分析法对噪声和干扰有一定的抑制作用，但是由于傅里叶变化中所用的参考信号都是标准的正弦和余弦信号，因此其对处理其他非正弦信号的效果较差，作用有限。相位相关法对于信号中的直流偏移、噪声等干扰特别是随机干扰，具有很强的抑制能力。系统设计中，采用了相关法计算相位差，计算公式如式(5)所示。

(5)

式中:Δφ表示相位差;Rxy(0)为两信号互相关运算的结果在零点的值;Rx(0)，Ry(0)分别为单一信号自相关运算在零点的值。

综上所述，随着电力数据的激增，数据收集、存储以及整理等工作的任务量也越来越大，而处理这些海量数据也给电网规划体系建设带来了新的挑战。为此，我们需要对大数据时代下新型电网规划体系存在的问题进行分析，并全面分析新型电网规划体系的构架、数据获取方式以及非结构化数据在电网规划体系中的应用等内容，以不断完善电网规划体系，促进电力行业的持续发展。

采用相关法时，LabVIEW中内置了对信号进行自相关和互相关运算的函数，但需要注意，计算时要除相关运算的点数才是所求的相关运算结果。

3.2 系统试验验证 对上述系统的功能进行了试验验证，采用了铝合金板结构为对象，铝板尺寸(长×宽×厚)为30 cm×6 cm×1 mm。压电传感器粘贴在沿铝板较长边方向的中心线上，距离较短边10 cm处。在试验铝板上距离压电传感器2 cm处打孔，在孔上安装了一个螺栓。通过螺栓是否拧紧来模拟结构的机械连接是否失效。试验实物图片如图5所示。

图5 试验实物图片

试验采用峰峰值为8 V的正弦交流信号激励。通过观察试验得知，当分压电阻取某一阻值时压电传感器两端采集的信号的幅值变化明显，且所采集信号的最高电压不超过数据采集卡的量程，因此分压电阻选择此阻值。

对压电传感器的电导纳实部频谱在结构连接失效检测中的应用进行试验，试验分为重复性试验和损伤试验两种。通过重复性试验确定机械连接良好时频谱是否在一定范围内稳定，试验对连接良好的铝板在不同的时间进行4次测量，将得到的数据绘制成阻抗谱放在同一张图中进行比较，如图6所示。通过损伤试验确定相应频谱变化是否明显，即是否可用于检测结构连接失效，试验测试2组数据，第1组为结构连接良好(此时将螺丝拧紧)时数据，第2组为结构连接失效(此时将螺丝拧松)时数据。将两组数据放在同一张频谱图中进行比较，如图7所示。

图6 结构连接良好时，重复性试验得到的导纳实部频率谱

图7 结构连接损伤前后的电导纳实部频率谱

数据的变化率比数据的变化量能更直观更准确地反映出信号的波动，图8给出了结构连接良好时在不同时间测量采集的二、三、四组电导纳实部数据相对于第一组的相对变化率，图9给出了结构机械连接失效后的相对变化率。

图8 结构连接良好时，重复性试验得到的电导纳相对变化率频谱

图9 结构连接损伤后相对变化率频率谱

由图6和图8可得出，在结构连接良好的情况下，电导纳的相对变化率在整个频谱上相对较小，因此可认为此时压电传感器的导纳谱保持稳定，结构机械连接检测结果的一致性得到了保障。从图7中可看出当频率小于2 350 Hz(第一个峰值)时，结构机械连接失效后压电传感器的导纳实部比机械连接失效前的小；而当频率大于2 350 Hz而小于2 750 Hz时，结构机械连接失效后的导纳实部比机械连接失效前的大。将损伤后的相对变化率频谱与结构完好时的相对变化率频谱进行比较可以看出：在结构机械连接失效后电导纳的特征变化极为明显。

在相同试验条件下，采用现有方法中常用的电阻抗有效值方法进行三组试验，分别为代表结构连接良好时的对照组、重复试验和损伤试验。将三组试验得到的阻抗谱绘于同一张频谱中进行比较，如图10所示；并且，将其阻抗变化率频谱绘于图11中。

图10 三组试验的电阻抗有效值频谱

图11 电阻抗有效值变化率频谱

为了更加直观地得出损伤程度的变化，采用统计方法对频谱变化程度进行标定，并将标定结果定义为健康指数，这是一个无量纲的量，其能很好地反映导纳实部谱的变化，从而与损伤的产生和扩展有明显的对应关系。目前压电阻抗应用中标定损伤程度的方法主要包括绝对值平方和均方根偏差两种。笔者采用均方根偏差方法对导纳实部频谱进行标定，标定公式如式(6)所示。

(6)

式中：G(Zi,1)为参照组的电导纳实部；G(Zi,2)为试验组的电导纳实部；i为第i个扫描频率点；n为扫描点的个数。

健康指数(R)越大，说明频谱变化程度越大，损伤程度越大，损伤点距离压电传感器越近。在重复性试验中将第一组试验作为参照，其余组作为试验组；损伤试验中将损伤发生前测得的数据作为参照，损伤发生后作为试验组。标定结果如表1所示。

比较表1中的各组试验的健康指数发现：在损伤未发生时，多次重复试验中结构的健康指数保持在相对稳定且较小的状态(在1.5附近波动)；损伤发生后，健康指数增大了数倍(达到了8.095)。这表明，通过测量并计算结构的健康指数可以对结构连接失效损伤进行准确监测，该方法具有可重复性和可行性，其结果较基于阻抗的诊断方法的结果愈加直观、简洁。

表1 各试验组的标定结果

4 结语

研究了针对紧固件连接失效的压电阻抗监测原理，给出了关于PZT有效电导纳实部的测量方法，设计了基于压电阻抗技术进行紧固件连接失效损伤检验的试验系统，绘制了PZT电导纳实部的频率谱和相对变化率频谱，并对试验结果进行了标定，验证了电导纳实部在低频段对紧固件连接失效进行检验的可行性。文章所用方法，摆脱了传统方法中对价格昂贵的阻抗分析仪的依赖和对高频信号的依赖，且易于实现，为利用压电阻抗方法进行结构机械连接失效在线实时监测提供了理论依据和试验基础。

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Fastener Joint Failure Monitoring Technique Using Piezoelectric Impedance Method

CHANG Yuanlong, DONG Hongxiang, WANG Qiang

(College of Automation, Nanjing University of Post and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

The existing methods adopted to monitor the fastener joint failure based on electromechanical impedance method demand for high quality equipment. At the same time, there was a lack of a unified method on the judge of fastener joint failure. Formulas were derived and a monitoring system was designed to investigate the feasibility of a new method based on the frequency spectrum of the real part of electrical admittance. The ample evidence presented enables us reasonably to conclude that fastener joint failure can be well monitored using frequency spectrum of real part of electrical admittance in the way mentioned.

PZT actuator/ sensor； health monitoring; electromechanical coupling principle; joint failure

2016-11-16

国家自然科学基金重点资助项目(61533010)；中国博士后基金资助项目(2015M570401)；南京邮电大学先进技术研究院开放基金资助项目(XJKY15005)；南京邮电大学科研资助项目(NY215093)

常源隆(1995-)，男，主要研究方向为结构健康监测

王 强(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向为结构健康监测、先进智能传感技术、信号与信息处理等，wangqiang@njupt.edu.cn

10.11973/wsjc201708003

TP211+.4；TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0011-05