壓電阻抗法最優檢測頻段選擇試驗研究

張耀文,何穎,趙晶,霍林生

(1.大連交通大學 材料科學與工程學院,遼寧 大連 116028; 2.大連科技學院 交通運輸學院,遼寧 大連 116052; 3.大連理工大學 建設工程學部,遼寧 大連 116024)

近年來,壓電阻抗法在結構健康監測領域得到了廣泛應用[1-2]。由于壓電傳感器具有壓電效應,當把壓電傳感器(如PZT等)粘貼在結構表面或嵌入到結構內部時,其導納(或阻抗)會受到結構的影響。當結構上出現損傷時,壓電傳感器的導納也會發生變化。通過對比結構損傷前后的導納曲線變化,可以識別出損傷。通常,在應用壓電阻抗法時,需要先選定一個檢測頻率段?；诔暡ǖ牟ㄩL應不大于損傷特征尺寸的原則,Park等[3]建議使用30～400 kHz之間的頻段,更高頻段對傳感器的粘貼狀況比對結構變化更敏感。但在實際應用時,這一頻段相對較為寬泛,往往需要較窄的頻段。Yang等[4]把該頻段劃分為6個子頻段進行對比,發現高頻頻段對距離傳感器較近的損傷更敏感,低頻頻段對距離傳感器較遠的損傷更敏感。Baptista等[5]基于等效機電電路,提出一種確定適合頻段的方法,并發現0～50 kHz頻段的敏感性更強但也易受干擾。Peairs等[6]嘗試使用包含自由狀態下傳感器的諧振頻率的頻段作為最優頻段,但發現這一策略只適用于復合材料,對鋁結構不適用。

雖然前人的研究提出了許多確定最優檢測頻段的方法,但不同研究之間的一致性較差,具有較為廣泛適用性的方法尚待進一步研究。被廣泛采納的一點是,包含局部密集峰的頻段攜帶更多與結構相關的信息[2],更適合用于壓電阻抗法。而作者之前的研究發現,局部密集峰主要分布于傳感器粘貼后的諧振頻段?；诖?本文擬通過對損傷指標的分析和試驗來驗證,包含傳感器粘貼后的諧振頻率的頻段更適合于作為壓電阻抗法的最優檢測頻段。

1 損傷指標

壓電阻抗法是通過對比損傷前后傳感器導納曲線的變化來識別損傷的。導納曲線是一系列頻率點的導納值的集合。因損傷對各頻率點的導納影響不同,通常在一個頻率段上使用損傷指標來衡量損傷前后導納的變化。常用的損傷指標有均方根誤差(RMSD)、平均絕對百分比偏差(MAPD)、協方差(Cov)、相關系數(CC)和相關系數偏差(CCD)等[1]。其中,RMSD是使用最為廣泛的一種損傷指標,其表達式為:

(1)

式中:Yd為損傷狀態下的導納值;Yh為健康(參考)狀態下的導納值;N為頻率點數。

由式(1)可知,RMSD的值越大,損傷前后導納的變化越大。換言之,對于同一損傷,RMSD的值越大,說明傳感器或檢測頻段對損傷越敏感。需要注意的是,因導納檢測會受到設備、導線、環境等因素的影響,檢測結果會存在一定的誤差,所以,使用RMSD來評價損傷時,需要設定一個最小閾值。只有當RMSD的值大于設定的閾值時,檢測結果才可靠。

為了進一步分析RMSD的變化規律,定義式(1)中根號內的部分為MSD:

(2)

對比式(1)和(2)可知,MSD越大,RMSD也越大,反之亦然。通常,壓電阻抗法是在單段連續的頻率段上進行檢測的。假定已經選定了一個初始頻段,拓寬該頻段意味著需包含頻段前后兩端的更多連續頻率點,縮窄該頻段意味著需去除頻段前后兩端的部分連續頻率點。

由以上分析可知,在選擇壓電阻抗法的最優檢測頻段時,包含較多MSD值、較大的頻率點的頻段更可取。以下通過試驗進行詳細分析和驗證。

2 動態方程及求解

因目前尚沒有關于壓電阻抗法研究或應用的標準或規范,關于壓電阻抗法的研究的試驗多基于研究經驗開展。本試驗選用了前人研究常用的鋁板和PZT-5H。試驗通過在鋁板上鉆孔來模擬損傷,進而使用粘貼在鋁板上的PZT片來檢測損傷。鋁板的材質為1060鋁材,其尺寸為200 mm×200 mm×1 mm。選用一個直徑為16 mm,厚度為0.6 mm,類型為PZT-5H的PZT片,粘貼在鋁板的正中心。粘貼使用的膠水為超聲波振動專用膠水(科美達KMD-398),粘貼后,使用1 kg的鋼塊進行按壓固化24 h,以使膠層厚度盡量均勻。待固化后,給PZT片焊接連接導線,然后進行導納測量。測量過程中,鋁板使用包裝用的泡沫板支撐。

因所選用的PZT圓片的徑向振動頻率主要分布在1 MHz以下的頻段,試驗中導納測量的頻率段選為1 kHz～1 MHz,測量使用Keysight E4990A阻抗分析儀。因該阻抗分析儀單次測量的最大頻率點數為1 601,為獲得更多頻率點的導納值,把整個測量頻段分為10段,1～100 kHz,100～200 kHz,200～300 kHz,…,900 kHz～1 MHz,每段檢測頻率點數為1 600。頻率掃描方式選擇線性掃描。

首先,測量粘貼后的導納,作為健康(參考)狀態的導納數據。然后,如圖1所示,在鋁板距一側邊緣20 mm的位置鉆孔,孔的中心不變,直徑依次為2、4、6、8 mm。方便起見,以下使用d2、d4、d6、d8來代表各個損傷狀態。每次鉆孔后,均測量PZT片的導納。試驗設置如圖2所示。

圖1 PZT粘貼及鋁板鉆孔位置示意

圖2 試驗裝置現場照片

3 數據分析

3.1 最優檢測頻段選擇分析

計算各損傷狀態下,各頻率點相對健康狀態的MSD值,見圖3。從圖3可以看出,各損傷狀態下,MSD的較大值均相對集中,大約在100～200 kHz的范圍內。結合上文中的分析,相比其他頻段,包含此頻段的頻率段的RMSD值應較大。為更加直觀地理解這一點,以最小的頻率1 kHz為起點,通過每次增加一個相鄰的頻率點,不斷擴展頻率段的范圍(以下稱累積頻段),并依次計算各損傷狀態下各累積頻段的RMSD值,見圖4。從圖4可以看出,隨著頻段帶寬的逐漸增大,RMSD值呈現先增大后減小的趨勢。當頻段的終止頻率為180 kHz左

圖3 各損傷狀態下各頻率點相對健康狀態的MSD值

圖4 各損傷狀態下各累積頻段的RMSD值

右時,RMSD值達到最大。由此可見,選擇包含MSD值較大的頻率段作為檢測頻率,將獲得更大的RMSD值。相反,如果選擇的頻段中,包含較多MSD較小的頻率點,則其RMSD值將較小。

對26～975 kHz的頻段中的每一個頻率點,取其前后各25 kHz范圍內的頻率點,組成帶寬為50 kHz的頻段,然后依次計算各頻段的RMSD值,見圖5(a)。由圖5(a)可知,大約100～200 kHz范圍內,帶寬50 kHz的頻段在不同損傷狀態下的RMSD值均最大,且不同損傷狀態之間RMSD值的差別也最大。而其他頻段的RMSD值,不僅數值相對較小,而且不同損傷狀態之間的差別也很小。

圖5(b)為健康狀態(鉆孔前)下PZT的導納曲線。對比圖5(a)、圖5(b)不難發現,RMSD值較大的頻段,正好對應導納曲線上存在強度較大的局部密集峰的頻率段。然而,只憑肉眼觀察得到的頻段100～200 kHz仍相對較寬,從圖5(a)中也可粗略看出,這一頻段內的子頻段的RMSD值仍有較大差異。要獲得最優檢測頻段,仍需要做進一步的分析研究。

(a) 不同損失狀態下的RMSD值

(b) PZT導納曲線圖5 不同損傷狀態下的RMSD值及健康狀態PZT的導納曲線

根據作者之前的研究[7],強度較大的局部密集峰主要分布于粘貼后的第一諧振頻率段。而粘貼后的第一諧振頻率與基體結構的材料有關。對于試驗中的鋁板,粘貼后的第一諧振頻率約為168.7 kHz。以此頻率為頻段中心點,對稱地向兩側逐步擴展頻段,并計算各頻段的RMSD值,見圖6。

圖6 以168.7 kHz為中心點的不同頻段上不同損傷狀態下的RMSD值

對比圖6和圖5(a)可以看出,包含粘貼后第一諧振頻率的頻率段在不同損傷情況下的RMSD值均較大。然而,當頻段很窄(帶寬小于5 kHz)時,各損傷之間的RMSD值差別較小。當頻段帶寬約40 kHz時,各損傷狀態下的RMSD值均達到最大,且各損傷之間的差別也較大。當頻段的帶寬繼續增大時,各損傷狀態下的RMSD值均隨之減小,且損傷之間的差別也有所減小?？傮w而言,以粘貼后第一諧振頻率為中心點,在5～300 kHz的帶寬范圍內,均能較好地檢測損傷及其嚴重程度。

根據Annamdas等[8]和Narayanan等[9]的研究,導納曲線上的局部密集峰中包含有更多關于基體結構的信息。因此,在壓電阻抗法應用中,選擇包含強度較大的局部密集峰所在的頻段作為檢測頻率更可取。從以上的數據分析可知,強度較大的局部密集峰主要分布于粘貼后的第一諧振頻率前后。因此,選擇以粘貼后的第一諧振頻率為中心點的檢測頻段,能夠有效包含強度較大的局部密集峰,可以作為壓電阻抗法應用中最優檢測頻率選擇的一個策略。

3.2 檢測頻率間隔分析

需要注意的是,試驗中檢測的相鄰兩頻率點間隔僅為62.5 Hz。當頻率間隔不變時,檢測的帶寬越寬,需要檢測的頻率就越多,檢測所需的時間就越多。因此,選擇較小帶寬的頻段更為可取。

當然,也可以采用另一種檢測策略,即在大帶寬頻段上使用較大的頻率間隔來檢測。對試驗數據進行不同間隔采樣(125、312.5、625 Hz),然后以168.7 kHz為頻段中心點,對稱地向兩側逐步擴展頻段,并計算各頻段的RMSD值,結果見圖7。

(a) 125 kHz

(b) 312.5 kHz

(c) 625 kHz圖7 不同頻率間隔下以168.7 kHz為中心點的不同帶寬頻段上不同損傷狀態下的RMSD值

從圖7可以看出,當增大頻率間隔時,以168.7 kHz為中心點的窄頻段(<30 kHz)的RMSD值沒有規律,不能表達損傷的不同嚴重程度。而大帶寬頻段的RMSD依然可以較好地表達損傷及其嚴重程度?？梢?在以粘貼后第一諧振頻率為中心點的前提下,在較大帶寬的頻段上通過大頻率間隔來檢測,也可以較好地對損傷及其嚴重程度進行檢測。但RMSD的值相對較大且各損傷之間差別較大的頻段,仍在40～50 kHz左右。

綜合以上分析,在壓電阻抗法應用中,最優檢測頻率應包含粘貼后的第一諧振頻率。當所選頻段帶寬較小時,應采用較小的頻率間隔進行檢測。當所選頻段帶寬較大時,檢測頻率間隔不宜過小。綜合來看,帶寬在40～50 kHz左右,檢測頻率間隔為600 Hz左右最優。關于具體帶寬和頻率間隔的選擇是否適用于其他材料或結構,還需要進一步的研究來驗證。

4 結論

本文從數學角度對損傷指標RMSD進行了深入分析,并結合試驗,對壓電阻抗法應用中最優檢測頻段的選擇進行了研究,得出如下結論:

(1)包含粘貼后第一諧振頻率的頻段,損傷狀態下RMSD的值更大,對損傷更敏感。

(2)以粘貼后第一諧振頻率為中心點,帶寬約40～50 kHz的頻段,對損傷及其嚴重程度均最敏感。

(3)檢測時,小帶寬頻段應選擇小頻率間隔,大帶寬頻段應選擇大頻率間隔。