教程案例icshmim2016成都research on active damage visualization using metal core piezoelectric fiber rosette

1、基于含压电的主动损伤成像研究，（南京航空航天大学机械结构力学及，季宏丽，南京，210016，中国）摘要：结构健康监测技术的研究能够及时预知或检测结构中的微小损伤，极大地提高了结构的使用及安全性。基于 Lamb 波的主动结构健康监测方法利用布置在不同位置的压电传感器激励和接收 Lamb 波信号，通过损伤反射波的速度。本文利用基于含路程计算来损伤出现的位置。然而，该方法需要提前获取 Lamb 波的-core Piezoelectric Fiber）花形传感器对 Lamb 波传感具有方压电（M向性的特性，提出了一种无需 Lamb 波波速信息的损伤方法。该方法通过计算 Lamb 波角度误差对损伤可能出

2、现的位置进行成像。此外，本文分析了区域内不同位置的角度分辨率，实现了对区域精度的预估。盲区，利用压电线阵扩大了范围，有效避免了盲区的出现。实验结果表明，利用压电线阵和 MPF 花形传感器可以精确地对损伤位置进行成像。：主动结构健康监测；主动损伤成像；含压电；角度分辨率；Research on Active Damage Visualization using MPiezoelectric Fiber RosetteWang Yuhai, QiuJinhao, Zhang Chao, Ji Hongli-coreThe State key Laboratory of Mechanics and

3、Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics Astronautics,Nanjing, 210016, China;Abstract:Structure Health Monitoring (SHM) techniques enable online prediction and detection for small damages in many advanced structures, and thus provide possibilities for life extension and re

4、liability of the wholestructures. One limitation of the traditional Lamb waves based SHM method which uses time-of-flight approach tolocalize damages is the requirement of the wave velocities. This paper used m-core piezoelectric fiber (MPF)rosettes which are sensitive to wave propagation directions

5、 and proposed a damage visualization method without requiring Lamb wave velocities. The damage localization was implemented by measuring the error of wave propagation directions. Based on calculating the direction resolution at different points of interest, the damage localization accuracy was analy

6、zed. In addition, a linear PZT array was used to enlarge the area of decent localization accuracy. Experimental results indicated that the generator (linear PZT array) and receiver (MPFrosettes) pair can localize the damages with high accuracy.Keywords: active structural health monitoring；active ima

7、ging method；mresolution;-core piezoelectric fibers; angle基金项目：973 计划项目,项目编号：2015CB057501；“高校基本科研业务费专项资金资助，No.NE2015001 & NE2015101 & NP2016201”；省 333 工程 BRA2015310；江苏高校优势学科建设工程资助项目引言1.1MPF 对 Lamb 波的响应随着科技不断的发展和进步，人们对材料的结构特性更加趋向于智能化和多功能。但是材料和结构在服役过程中，由MPF 作为一种新型的压电传感器5，其几何结构如图 1 所示。MPF 包含三部分：

8、金属（铂）芯、表面电极和压电陶瓷。于工作环力载荷和疲劳腐蚀效应等众多因素的影响，材料和结构会出现各式各样 压电陶瓷表面电极的损伤，从而对结构的安全性能产生的威胁。甚至在损伤未被及时发现时，导致材料结构内部遭到致命性破坏，对个人的人生安全造成。因此，人们对现代材料和结构的健康状况愈发重视。为了保障物质和人身安全性，结构健康监测技术被提了出来。结构健康监测技术是指利用集成在结构伸缩运动中的先进驱动/传感网络，实时地获取图 1 MPF 的几何结构图MPF 的内部中心为与结构健康状况相关的信息，并结合相关的先进信号处理技术，提取结构的特征参数， 从而识别结构的健康状态1。因此，开展针对材料和结构的结构

9、健康监测技术有着重 要的工程意义2。基于 Lamb 波的主动结构健康监测方法是利用布置在不同位置的压电传感器激励和接收 Lamb 波信号，通过损伤反射波的， 半径𝑅𝑚 为 50𝑢𝑚维，而压电陶瓷包裹着压电陶瓷纤表面溅射一层薄薄的金属层作为表面电极。由于 MPF 同时具有表，因此，单根 MPF 就面电极和内部可以作为激励或者传感元件。MPF半径𝑅𝑐 一般为 300um，长度 L 根据需要，一般为1030mm。相比于一般的压电元件，MPF 细小的结构使其易于粘贴在结构表面或者嵌入到结构内部。而且，由于

10、MPF 内部含路程来损伤出现的位置。传统的基于Lamb 波的方法都是通过三角导波的到达时间进行的，比如 delay-and-sum 算法3， 而精确的波速测量是该算法的决定性因素。由于Lamb 波的波速在复合材料结构不同方向上存在细微的差异4，而且由于 Lamb 波有，因此克服了传统压电陶瓷的脆性，使其具有更广泛的工程应用。如图 2 所示，将单根 MPF 粘贴在厚度为 2d 的各向同性铝板上，单根 MPF 的有效长度为 L，MPF 的长度方向平行于 x 轴，然后在(x , z)面内施加一个沿x方向的𝐴0 模式Lamb 波，Lamb 波将在 MPF 区域产生一个应变场6,。的频散

11、效应，使得 Lamb 波在结构中时，波包会被拉长，从而无法获得波包的准确到达时间。同时，由于结构的材料参，及不可的环境因素等，都会对结构的健康状况出现漏判或误判。上述传统损伤检测方法的不足，本MPFyzy'压电（ MPF，文利用基于含M-core Piezoelectric Fiber）花形传感器对Lamb 波传感具有方向性的特性，提出了一2d种无需 Lamb 波波速信息的损伤方法。该方法通过计算Lamb 波角度误差对损伤可能出现的位置进行成像。图 2 MPF 对 Lamb 波响应的方向性其中，波的方向与 MPF 的长度方向（x 轴方向）成角度 ，笛卡尔坐标系原1、MPF 花形传感器x

12、'Lamb波x点设置在铝板的中间面上。当入射的 Lamb 波为远场 Lamb 波时，板面 Lamb 波应变场S|z=d简化为如下形式7:表面得到两个夹角𝜎1、𝜎2 所形成的唯一交点，该交点即是损伤波源。1.2 花形传感器的特性虽然MPF 对Lamb 波传感具有方向性， 然而 Lamb 波入射角度 不是决定 MPF 电𝜋 𝑖 𝑘𝑥 𝜔𝑡 2𝑆|= 𝑖𝑘 𝑀𝑒2𝑧=&#

13、119889;压响应幅值的唯一因素，其中 MPF 与结构中损伤波源之间的距离，以及 Lamb 波波源信号的强弱都会对 MPF 的电压响应幅值产2𝛼𝛽(1)× 𝑡𝑎𝑛𝛼𝑑 𝑡𝑎𝑛𝛽𝑑 𝑘 2 +𝛽 2、杰6借鉴了电阻其中：M 为 Lamb 波的幅值，k 为波数，为角频率，参数 和 定义为：生影响。因此，应变花确定主应变的思想，提出一种基于MPF 的花形传感器，其中三

14、根 MPF 互成60°，成等边三角形，粘贴在铝板表面的实 物图如图 3（a）所示。该花形传感器利用相对幅值的方法，很好的消除了 MPF 与损伤波源之间的距离、以及 Lamb 波波源信号强弱的影响，从而使 Lamb 波的入射角度 成为唯一决定 MPF 花形传感器电压响应幅值的因素。由于 MPF 粘贴在结构表面时，会出现易折断、引线难、易受环境和外力影响， 因此对花形传感器进行封装 ，使其更易应用在工程结构中，结构图如图 3(b)所示。𝜔2𝜔2 = 𝑘2 2 ， = 𝑘2 2 （2）𝑐𝐿

15、19888;𝑇其中：𝑐𝐿 、𝑐𝑇 为体波波速（常数），下标 L、T 分别表示纵波和横波。由 MPF 电压响应表达式可得8：2𝑁𝑘𝐿 cos 𝜎 𝑁𝐿𝑐𝑜𝑠2（3）V =cos 𝜎 sin𝜎9𝑘2其中：N 是与 MPF 性能参数相关的常数，N 可写为 𝑅(𝑅 + 𝑅 )Ү

16、97;𝑛𝑐 𝑚𝑐𝑅𝑚× 𝑘2𝑀）N =MPF1MPF2𝑠𝐸 𝜀𝑇2𝐿 𝑑31 11 33 𝑑31× 𝑡𝑎𝑛𝛼𝑑 𝑡𝑎𝑛𝛽𝑑 （4）𝑘2 + 𝛽22&

17、#120572;𝛽其中：Rm 为 MPF 的的压电陶瓷半径，即半径，Rc 为 MPF半径，L 为 MPFMPF3的有效长度，d31为压电应变常数，sE 为短(a)花形传感器实物图 (b)花形传感器结构图11路弹性柔顺系数，T介电常数。33图 3 花形传感器示意图由式（3）可知：MPF 的电压响应表达式仅与Lamb 入射角度 的余弦平方呈线性关系。当在结构表面事先粘贴一片圆形压电片作为激励源，MPF 作为传感器，分别接收由于3 根MPF 的振动方式相同，且MPF 的电压响应幅值与Lamb 入射角度 的余弦平方呈线性关系，因此花形传感器中三根MPF 电压响应之和为常数。本文对 MP

18、F 的电压响应幅值进行归一化处理，提取花形传感器中每根 MPF 的电压响应幅值，每根MPF 的归一化电压幅值如下：结构在健康状的健康信号及在损伤状的损伤信号，健康信号与损伤信号之差就是损伤散射信号。根据 MPF 接收到的电压信号，并提取电压响应幅值，由式（3）可以反推出 Lamb方向与 MPF 轴向的𝑉𝑉𝑖𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎𝑥2𝑉 = 𝑐𝑜𝑠 (𝜎 + x

19、575; )𝑖𝑖2 3夹角𝜎 。同理，采用另一组传感器 MPF 可𝑉𝑚𝑎𝑥𝑉1以反算出另一个夹角𝜎2，因此便可以在结构𝑖𝑚𝑎𝑥𝑖=13𝛿1,2,3 = 0°, 120°, 240° (5)其中：𝑉𝑖 是每根 MPF 的归一化电压幅值，𝑉𝑖𝑚w

20、886;𝑥 是 MPF 的电压响应最大值。由式（5）可以看出，花形传感器的归一化幅值仅仅与角度 有关系。由误差曲线定义可知：当𝜎 = 时，误差E 𝜎 等于零；但是由于不可避免的测量误差及 𝑓(𝜎) 𝑐𝑜𝑠2𝜎等因素，误差E 𝜎 不可能等于零。但是在𝜎 趋近于 时，误差E 𝜎 趋近于零，因此误差曲线可以用来Lamb22.1损伤检测原理波的方向。2.2 损伤精度评估基于散射波角度识别的损伤成像方法在基于三角导

21、波测量时间算法中，需要输入的参数为结构中压电传感器的坐标在主动健康监测中，常规的监测方法主要分为三种：1）基于 Lamb 波的损伤散射位置信息和 Lamb 波的速度信息。因为信号的方法，该方法主要提取结构中的压电传感器是事先粘贴好的，因此在算法中传感器的位置信息比较准确。然而由于压电损伤散射信号，再根据损伤散射信号的波包到 达 时 间 对 损 伤 进 行。 例 如传感器本身的大小、系统分辨率及噪声delay-and-sum 算法3；2）基于 Lamb 波信等因素都会对Lamb 波波速测量产生一定影响。同样，花形传感器是利用方向传感特性号峰值的损伤方法，该方法同样提取结构中的损伤散射信号，并根据

22、损伤散射信号的幅值变化情况确定损伤的位置信息，例如采用RAPID 算法对损伤进行成像10；3）基进行损伤成像的，为研究花形传感器的角度分辨率对成像准确性的影响，本文提出一种精度的评估方法，如图 4 所示，花于 Lamb 波频散补偿算法的损伤方法，形传感器分别布置在点（0,0）和（400,0）处，该方法具体步骤如下：例如成像11。课题组通过高分辨率进行损伤首先，假定已知损伤在结构区域本文利用成像的方法对结构中的中的位置信息点P(x,y)处，计算出P 点与两个花形传感器所形成的角度，。然后，对计算出的角度，设定一个角度偏差±°，将得到的角度𝛼1,2、ҵ

23、73;1,2设定给监测系统：𝛼1,2 = 𝛼 ± °𝛽1,2 = 𝛽 ± °接着，将上述四个角度直线围成的区域损伤进行成像12,13。在 1.1 节中叙述了如何由式（3）反推出 Lamb方向与 MPF 轴向之间的夹角 。由式（3）可知，电压响应信号的幅值与角度 呈唯一对应关系，即：𝑓(𝜎) 𝑐𝑜𝑠2𝜎(6)因此，花形传感器的电压响应信号的归一化幅值可以表示为：面积(图 4 红域)定义为损伤精度，精

24、度越面积越大表示角度分辨率越低，𝑉𝑖 = 𝑐𝑜𝑠2 𝜎 + 𝛿𝑖 = 𝑓 𝜎 + 𝛿𝑖 (7)低；反之，面积越小，其角度分辨率越高，精度越高。为了确定Lamb 波方向与花形传感器之间的夹角，归一化幅值𝑉𝑖 与f(𝜎 + 𝛿𝑖 )之间的角度误差曲线定义为：31E 𝜎 = 𝑉𝑖 &#

25、119891; 𝜎 + 𝛿𝑖 23𝑖=1𝛿1,2,3 = 0°, 120°, 240° (8)图 4 角度分辨率原理图P1°1°1°1°Rosette1Rosette2最后，对结构中监控区域的每一点进行上述过程处理，最终将得到监控区域的损伤定位精度分布图。根据上述步骤，设定角度偏差 = 1， 得到相应的监控区域的损伤定位精度分布 图，如图 5 所示（监控区域采用400mm × 250mm）。控区域，电压放大器主要对传感信号进行500Hz

26、-200kHz 滤波及 80 倍信号放大，16 路多通道信号调理仪可控制压电片的激励 次序。实验中被测结构为 1mm 厚铝板，密度 = 2700kg/m3 ,杨氏模量 Y=70GPa，泊松比 v=0.3，在铝板上布置两个花形传感器Rosette1 和 Rosette2、三个压电片，压电片编 号 为 A,B,C ， 在 铝 板 上 形 成400mm×250mm 的监控区域，压电片和花形传感器分布图如图 7 所示。实验中选用底面直径为 20mm，重量为 50g 的砝码模拟损伤，激励信号选用 5 波峰正弦信号，中心频率为15kHz。25020015010050010020X(m图 5 角度

27、分辨率由图 5 可得出结论：监控区域中损伤的 角度分辨率依赖于其坐标位置，在以近似坐 标点（200,0）为圆心，离圆心越近，其激励传感路径距离短，角度分辨率较高，意味着 损伤定位的准确性对角度分辨率不敏感，即 位于该区域的损伤能被更准确地定位；反之， 离圆心越远，其激励传感路径距离较长，分 辨率较低，位于此区域的损伤不易被准确定 位。但是，在图中依然可以观察到，在监控 区域边界处，尤其是靠近花形传感器的边界 处，虽然激励传感距离较近，但其角度分辨 率较低。这是由于花形传感器组合本身无法 识别其连线处的损伤所导致的。 显示器 图 6 实验系统搭建实物图3 实验验证3.1 实验装置图 7 传感器分

28、布图3.2 检测结果及讨论3.2.1 花形传感器角度分辨率验证在 2.2 节中对损伤定位精度评估算法进行了简单介绍，本节主要验证其角度分辨率的正确性。实验中，利用压电片A 作为激励元件，花形传感器 Rosette1、Rosette2 作为传感元件，砝码作为损伤，分别在铝板上五个不同位置 a,b,c,d,e 处先后布置砝码，再利用损伤成像算法对其进行损伤成像，成像结为了验证本文提出的角度分辨率的正 确性及损伤定位成像的可行性，建立实验条件下的主动健康监测系统，整个实验系统由NI PXIe-1082 机箱、NI PXIe-5105 数据采集卡、NI PXIe-5412 任意波形发生器、NF HSA

29、4052 功率放大器以及实验室自主设计的电压放大器和 16 路多通道信号调理仪，如图 6 所示。波形发生器和数据采集卡可实现激励信号的产生和传感信号的采集，功率放大器可对激励信号进行放大，以扩大其监Y(mm)10cm 10cm压电片铝板CB ARosette1Rosette240cm电果如图 8(a)-(e)所示。其中，白色由图 8 可知，图(a)、图(c)、图(e)基本能准确对损伤位置进行成像，其误差较小，区域为实验条件下损伤成像位置，红色五角星为损伤实际位置。但是图(b)、图(d)不能准确出损伤位置，其误差较大。分析其为：对照图 5 可知，图 8(b)、(d)所代表的损伤位于区域分辨250

30、率较低的区域，因此在进行损伤成像时必然会出现极大误差，而图 8(a)、图 8(c)、图 8(e)200150所代表的损伤位置位于其区域分辨率100较高的区域，因此在损伤位置时其误差50较小。所以，图 8 很好的验证了在铝板区域中存在角度分辨率问题，同时也揭示了只用压电片 A 作为激励源进行损伤成像是不合理的布置。050100150200250300350400(a)2502003.2.2 压电片阵列损伤成像150为了弥补 3.2.1 节中损伤成像时出100现极大误差，本节利用压电片 A、B、C 分别依次作为激励源，实验中同样选取 3.2.150050100150200(b)2503003504

31、00节实验中砝码损伤位置，分别花形传感器的信号并进行损伤成像进行图像融-(e)所示。成像，最后对损伤像结果如图 9(a)25020015025010020050150050100150200(c)25030035040010050250050100150200(a)25030035040020015025010020050150050100150 200（d）25030035040010050250050100150200(b)25030035040020015025010020050150050100150 200 250（e）30035040010050图 8 压电片 A 损伤成像图050

32、100150200250300350400（c）250成像方法可以有效避免结构中出现区。盲200150在式(8)中定义了误差曲线，当𝜎 趋近于 时，误差E 𝜎 趋近于零，误差曲线可以用100来Lamb 波的方向。在实验中布置50了两组传感器组合，花形传感器 Rosette1、050100150200(d)250300350400Rosette2 分别可以出两组波的角度，即角度 1、2。图 10 表示损伤在 b 处的误差曲线（对应图8 和图9 中(b)的损伤成像图），250200曲线代表压电片 A 激励形传感150器传感得到的误差曲线；红色曲线代表压电100片阵列

33、激励形传感器传感得到的误差曲线；黑色直线为损伤对应的实际角度。图中 b 处的损伤实际角度 1、2 分别为 58° 和 146°。同样，图 11 代表损伤在 d 处的误差曲线，图中 d 处的损伤实际角度 1、2 分别为40°和138°。从图10 和图11 可以看出， 红色误差曲线最小值所对应的角度更加接 近损伤实际位置所对应的角度，因此利用压电片阵列进行损伤成像，不仅可以降低损伤50050100150200250300350400(e)图 9 压电阵列损伤成像图从上述图中可以看出，各个位置的损伤成像不再出现图 8(b)、(d)中那种极大误差，而且误差总体较

34、小，损伤成像基本成像位置的误差，还可以有效避免的出现。盲区准确，说明利用压电片阵列进行的损伤2压电片A，角度1 压电片A，角度2 压电阵列，角度1 压电阵列，角度2 实际角度1实际角度21.510.500306090角度(°)120150180图 10 b 处损伤误差曲线图2压电片A，角度1 压电片A，角度2 压电阵列，角度1 压电阵列，角度2 实际角度1实际角度21.510.500306090角度(°)120150180图 11 d 处损伤误差曲线图误差误差因此，在进行结构损伤成像时，MCore piezoelectric FibersD：Nanjing：Nanjing要

35、充分考虑试验材料的面积，当面University of Aeronautics and Astronautics6积较小可以只用单压电片作为激励源。但监控区域较大时，应采用压电片阵列作为激励源，对盲区进行补偿。基于含压电与 Lamb 波的结构健康监测技术研究D ：南京：南京航空航天大学，2010Liu Jian. Research on Structural Health Monitoring4 结论Based on MCore Piezoelectric Fibers and LambwavesD:Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and A

36、stronautics.7. Matt H，Scalea F L DMacro-fiber composite piezoelectric rosettes for acoustic source location in complex structuresJ. Smart Materials & Structures， 2007， 16(4)：1489-1499.8. Zhang Chao，QiuJinhao，Ji Hongli， Animaging method for impact localization using本文提出了一种基于含压电纤维花形传感器的损伤成像方法，该方法无

37、需知道Lamb 波在介质材料中的速度信息，只需提取花形传感器中 MPF 响应信号的小波变换系数，利用角度误差算法对其进行损伤成像，具有无需测量结构中 Lamb波波速的优势。由于实验区域中不可避免地存在盲区，采用压电片阵列进行损m-core piezoelectric fiber rosettesJ. Journal of伤成像融合能够有效的避免这一问题。Intelligent Material Systems & Structures，2015.9含压电陶瓷的封装技参考文献1术与性能研究D ：南京：南京航空航天大学，2012.Yan ChuanxiaEncapsulation and

38、Properties Research. 结构健康M.北京：国防工.2007.业Yuan ShenfangStructural health monitoring andon M-core Piezoelectric FiberD ： Nanjing ：damagecontrolMy Press，2007(in:National Defence IndustrNanjing University of Aeronautics and Astronautics 10Zhao Xiaoliang，Gao Huidong，Zhang Guangfan， et alActive health monitoring