温变下基于奇异谱分析的机电阻抗损伤识别法

为消除温度变化对损伤识别的影响,采用奇异谱分析(singular spectrum analysis,简称SSA)方法处理阻抗信号以分离不受温度变化影响的信号分量,提出结合t-分布随机邻域嵌入(t-distribution stochastic neighbor embedding,简称t-SNE)与K均值聚类算法的无监督机器学习方法,进一步处理信号分量实现损伤识别。为验证该方法的可行性,以螺栓组连接的铝板结构作为实验对象进行温度变化工况下螺栓松动机电阻抗损伤识别实验。结果表明,应用SSA方法得到的信号分量能在温度变化影响下有效识别螺栓松动状态,各工况识别准确率均达到98%以上,证明了所提出方法对消除温度变化影响的有效性。

基于机电阻抗法的复合材料层压板低速撞击损伤监测

由于复合材料结构对外部低速撞击非常敏感,易产生目视不可检的内部损伤,提出了基于机电阻抗(Electromechanical Impedance,EMI)技术的复合材料层压板低速撞击损伤实时在线监测方法。对复合材料层压板施加阶梯能量撞击,每次撞击后采集粘贴在复合材料结构表面的压电传感器阵列的电阻信号。随后提取谐振峰电阻(Resonant Peak Resistance,RPR)作为特征信号,对复合材料结构在不同撞击能量下的阻抗演化规律和损伤扩展进行表征。实验结果显示,基于EMI的RPR特征信号随撞击损伤的扩展逐步减小,且对撞击损伤的检测结果的重复性好。结果表明,此方法对低速撞击产生的微小损伤灵敏度较高,能够有效地反映复合材料层压板内部低速撞击损伤的扩展。

一种埋入型PZT的三维等效机电阻抗模型——第一部分:理论

基于压电陶瓷(PZT)圆片三维耦合振动原理,建立了埋入型PZT传感器与基体结构相互作用的三维等效机电阻抗模型,扩大了机电阻抗(EMI)技术的应用范围。通过引入等效机械阻抗,利用压电材料的压电效应,得到了PZT与结构耦合的电导纳方程。这一方程明确体现了PZT机械阻抗与结构机械阻抗对耦合电导纳的贡献。由此电导纳方程,可以得到自由PZT电导纳曲线,为结构等效机械阻抗的提取提供了基础。

用于结构健康监测的无线智能机电阻抗传感器

机电阻抗技术是一种新兴的非参数结构健康检测方法,对结构局部微缺陷比较敏感。为了实现基于机电阻抗技术的结构健康监测,研制开发一种便于安装于现场的无线智能机电阻抗传感器。通过在结构的被监测区域粘贴压电片实现结构机械阻抗与压电片电阻抗的耦合,采用数字阻抗转换器AD5933和嵌入式硬件系统对耦合的机电阻抗进行测量,以无线通信的方式将测量的阻抗值发送到远端的主控监测室,主控监测室的监控软件通过损伤评价算法,完成结构健康状况的评估。研制的无线智能机电阻抗传感器用于管道法兰处螺栓松动监测。试验结果显示:该传感器能有效地监测螺栓松动数量的变化,试验结果与常规精密阻抗分析仪测试得到的结果具有较好的一致性。

基于机电阻抗与超声导波综合技术的复合材料板损伤定位

为了提高检测能力,将机电阻抗与超声导波技术相结合用于复合材料板中损伤检测和定位.基于机电阻抗技术的结构健康监测具有局部灵敏度高、无需模型分析等优点,在新型材料结构的在线监测领域具有独特的优势,例如飞机、航天器上大面积使用的复合材料结构等.超声导波技术具有检测效率高、检测范围广、检测速度快等优点,特别适合板状结构的健康监测.该机电阻抗与超声导波综合技术将机电阻抗技术的局部灵敏度高与超声导波检测技术的范围广的优点相结合.结果表明:局部均值成像算法和数据融合算法可用于复合材料板结构健康监测的数据处理和融合,实现了整个复合材料板中缺陷的定位及成像.

基于机电阻抗与超声导波技术的复合材料梁损伤定位

运用机电阻抗与超声导波技术,结合数据融合算法,实现了复合材料梁结构的损伤定位研究.首先,利用2种方法各自的损伤监测特点,提出了一种综合损伤指数的数据融合算法,用于表征结构的变化情况;其次,运用2种方法单独进行损伤评估,均可以实现损伤在较大范围内的定位,但定位不准确;最后,运用综合损伤指数对结构损伤进行表征.结果表明:这种通过数据融合得到的综合损伤指数能较为准确地识别缺陷所在位置,实现了损伤的定位评估.

无线机电阻抗结构健康监测系统软件开发

机电阻抗技术是一种新兴的非参数结构健康监测方法,对结构局部微缺陷比较敏感;为了实现基于机电阻抗技术的结构健康监测,采用Visual C++和Matlab混合编程的方式设计和开发了系统监测软件;该软件用于控制现场的无线智能机电阻抗传感器进行数据采集,同时对测量数据进行处理,根据损伤评估算法评定结构健康状况;软件采用Visual C++编写系统人机交互界面和通信接口程序,采用Matlab编写数据处理和损伤评估算法,同时图形化输出运算结果;将两者的优势有机结合,从而缩短了软件的开发周期。

基于机电阻抗法的桁架结构加载状况监测

采用机电阻抗法监测三跨桁架结构加载状况,并利用BP神经网络方法进行结构载荷的定位和定量研究.首先,研究激励频率对压电陶瓷片感知结构变化的灵敏度的影响,并选取最佳敏感频段为190~200 k Hz.然后,测得2个监测节点独立性良好,有助于实现载荷定位监测.最后,将采集到的桁架结构加载时的部分阻抗虚部数据进行合理的数据压缩后作为输入样本.压缩前后的数据对比显示这种压缩方法具有可靠性.建立并训练神经网络,剩余部分数据经过相同处理后作为测试样本对训练好的BP网络进行测试.实验结果表明：基于机电阻抗法,利用神经网络可有效实现桁架结构中载荷的精确定位与定量.

基于机电阻抗方法的连接接头螺钉松动损伤识别研究

飞机在飞行过程中,机翼蒙皮的螺钉在反复载荷的作用下会发生松动、甚至脱落损伤,对飞机的飞行安全埋下隐患。及时发现此类损伤并采取有效措施可以提高飞机的安全性。针对此类损伤,设计了硬铝合金板连接接头的螺钉松动损伤模式,应用机电阻抗的试验方法对其进行了识别研究。试验结果表明:当选择恰当的频率范围时,随着螺钉松动损伤程度的增加,压电片与结构组成系统的RMSD(Root Mean Square Deviation)指标增加,两者表现出单调函数关系,应用RMSD损伤指标可以识别螺钉松动损伤程度,且对小的损伤更加敏感。

压电机电阻抗结构损伤监测机理研究

基于压电-结构的机电阻抗模型,分析了模型中结构机械阻抗与压电传感器电阻抗之间的耦合关系。研究了压电机电阻抗测试法,并根据压电-结构模型中的机电阻抗谱研究损伤监测方法,给出了基本原理。利用在铝板上的测试和实验,验证了压电机电阻抗测试法及不同距离模拟损伤对压电机电阻抗谱的影响和变化趋势,探讨了阻抗分析技术用于损伤监测的可行性。研究与实验结果表明,在高激励频率作用下,随着损伤距离的变化,压电机电阻抗也会发生相同趋势的变化。

载荷影响下的机电阻抗协整结构损伤识别方法

高频机电阻抗(electromechanical impedance,简称EMI)方法利用粘贴在结构表面的压电传感器(piezoelectric transducer,简称PZT)进行主动激励,通过连续监测和分析PZT机电导纳信号的变化评估结构的健康状态;然而EMI方法容易受到环境工况变化的影响,导致结构损伤的误报。针对此问题,采用时间序列协整方法处理及消除结构工作载荷对阻抗谱特征信号的影响。该方法是基于结构动荷载作用下PZT阻抗谱导纳信号的非平稳特征,将动荷载影响下的阻抗谱非平稳时间序列经线性组合变换成平稳时间序列,根据得到的协整余量序列有效判断结构的健康状态。为验证该方法的有效性,开展了动应力影响下铝梁结构的螺栓松动损伤识别实验。结果表明,协整消除了动态应力对EMI方法的影响,当铝梁内存在持续变化的应力时,仍可以准确识别螺栓松动。机电阻抗协整方法能够消除结构健康监测中荷载作用的影响,及时准确地进行结构损伤识别。

一种埋入型PZT的三维等效机电阻抗模型——第二部分:应用

基于建立的三维等效机电阻抗模型,文献的第一部分得到了PZT与结构耦合的电导纳方程。第二部分根据这一方程提出了应用机电阻抗(EMI)技术监测结构固有属性的改进方法。该方法通过PZT与结构耦合的电导纳方程,从实测的耦合电导纳信号中提取出结构等效机械导纳。利用获得的结构机械导纳曲线,来监测结构固有属性。基于该方法,对埋入有PZT传感器的早龄期混凝土梁的固有属性进行了监测。试验结果表明,利用结构机械导纳来监测结构固有属性是可行的,比原始电信号更加敏感有效。

机电阻抗技术用于结构健康监测的研究

介绍了机电阻抗技术用于结构健康监测的基本原理 ,并以焊接接头为例 ,提出了焊接接头健康监测的试验系统和相应的试验方法。

基于PZT的结构安全检测的机电阻抗数学建模

运用压电和结构振动理论,提出一个两端无约束单块压电陶瓷(PZT)作为激振传感器的机电(E/M)阻抗数学模型,用来预测阻抗响应。阻抗响应可以通过实验测得。该模型考虑一维结构的振动,通过分析模型,提出阻抗谱是由轴向、横向、厚度方向的模态相互叠加后的振动所激起。最后通过实验结果和模型计算的比较分析此模型的实际应用性。

基于机电阻抗法的套筒灌浆缺陷检测试验研究

该文针对预制装配式结构中灌浆套筒的灌浆质量检测问题,利用在套筒表面不同位置粘贴的压电陶瓷片,对具有不同程度灌浆缺陷的半灌浆套筒试件进行机电阻抗测量,建立缺陷评价指标,并对不同测点的缺陷评价指标与缺陷程度的关系进行了定量分析。试验结果表明,缺陷评价指标与灌浆缺陷程度相关,基于阻抗测量能有效检测出不同程度的人工模拟套筒灌浆缺陷。

基于机电阻抗技术的不锈钢板均匀腐蚀监测方法研究

不锈钢板厚度减薄是造成不锈钢板完整性和适用性退化的主要原因之一。不锈钢板的均匀腐蚀会导致不锈钢板厚度均匀减薄,质量减小。因此,对不锈钢板均匀腐蚀进行有效监测具有十分重要的意义。然而,目前对不锈钢板均匀腐蚀的有效监测充满困难和挑战。提出了一种基于机电阻抗技术的不锈钢板均匀腐蚀监测方法。通过推导在单个表面粘贴的压电传感器激励下的简支薄不锈钢板的等效机械导纳,提出了将导纳曲线中弯曲振动模态的共振频率的变化(-Δf)作为评价不锈钢板均匀腐蚀损伤的敏感指标,使用-Δf与真实腐蚀程度之间的定量关系量化和预测不锈钢板的均匀腐蚀程度。通过实验证明了所提方法的有效性和可靠性。

基于机电阻抗法的管道结构损伤识别研究

随着城市规模的不断扩大,对城市管道等生命线工程的依赖程度逐渐加强。城市管道的安全状况已受到学术界和工程界的重视。压电智能材料的成功应用,为机电阻抗法在结构损伤识别领域的发展提供了机遇。针对粘贴型传感器与管道结构的耦合振动,建立了考虑粘结层的管道结构机电阻抗模型,推导了传感器-管道结构的耦合电导纳方程。通过试验验证了机电阻抗技术在管道结构中应用的可行性。

热载荷下仪表螺纹连接状态的机电阻抗概念验证研究

交变温度载荷会影响螺纹连接状态,从而影响精密惯性仪表的精度和稳定性。机电阻抗技术以其响应快、对微小损伤敏感的特点在螺纹连接检测领域得到广泛应用。然而,现有的机电阻抗检测方法忽略了温度所带来的影响。从理论上分析了温度变化对机电阻抗的影响,以精密惯性仪表动压气浮轴承结构为研究对象,探究了机电阻抗技术识别精密仪表螺纹连接状态的可行性,建立了仿真模型,研究了温度对粘贴在结构上的PZT信号的影响规律,并通过试验验证了PZT信号对温度的敏感性受频段影响。研究表明,温度升高会使得阻抗信号的峰值频率向左偏移,且波峰幅值也会随温度升高而下降。同时,激励频率越低,峰值频率偏移量越小,波峰幅值变化越显著。研究验证了机电阻抗技术识别精密仪表螺纹连接状态的可行性,为机电阻抗检测技术的应用提供了技术支撑,为复杂精密惯性仪表的健康检测提供了理论依据。

基于定量机电阻抗方法的混凝土固化过程模量和内耗测量监测

测定新鲜混凝土凝固状态对于控制建筑质量和安全至关重要.实际上,混凝土通常需要约28天时间进行养护,期间混凝土凝固并加强,直至达到可使用标准.传统的混凝土养护过程通常使用超声波等方法测量杨氏模量.在这项工作中,我们提出了一种基于定量机电阻抗方法(Q-EMI)精确测量模量和内耗的实时混凝土养护监测方法.结果表明,模量和内耗均可用于监测混凝土养护过程,且模量测量更准确,因其受支撑条件影响较小.对于特定的混凝土,杨氏模量在4天后趋于稳定,剪切模量在7天后才能稳定,因此剪切模量测量更适合用于监测混凝土养护过程.此外,还发现养护时间对砂/水泥比非常敏感.这项工作为使用小样本监测混凝土养护过程提供了一种便捷方法.

环境温度变化时螺栓松动的机电阻抗监测

螺栓松动监测对确保螺栓结构的可靠性和安全性具有重要意义,机电阻抗(EMI)技术是一种简单而有效的螺栓松动监测方法,然而EMI信号很容易受到温度波动的污染,为此提出了一种轻量级卷积神经网络用于螺栓松动监测。将一维的机电阻抗信号转换为图像,采用了二维卷积神经网络,利用公开数据集对所提出的卷积神经网络进行预训练。采用螺栓连接试件进行了试验验证,对比了数据集大小的影响,并验证提出网络对温度变化的泛化性能。结果表明,所提出的模型参数少,且能够在较小的数据集上实现螺栓松动的精确监测,具有良好的泛化性能。