利用压电自传感驱动器进行裂纹钢梁损伤识别的实验研究*

　　0　引　言

　　近年来,基于振动测试数据的结构损伤识别方法得到了较快的发展[1-3]。振动测试主要涉及两个方面:一个是对被测试结构的激励,一个是对测试信号的获取。传统的激励手段主要有通过力锤敲击来产生脉冲激励,或者通过信号发生器对结构进行点频、扫频简谐激励等。传统的振动测量工具则更多,有加速度、位移、速度和应变传感器等。在测试数据获取之后,传统的基于振动测试数据的损伤识别方法往往通过模态分析得到被测试结构的固有特性如频率和振型,并以频率、振型及其衍生参数作为结构健康监测与损伤识别参数。在这些方法当中,一个最大的共同点就是激励和传感是由不同的器件分开实现的,这既增加了测试成本也增加了测试误差产生的环节。此外,传统的基于振动的结构损伤识别技术常用结构的低阶频率作为识别参数,其原因是用传统的测试手段只能得到较为准确的低阶频率,而难以得到准确的高阶频率。然而损伤识别研究和实践过程中却经常发现低阶频率对结构的初始损伤并不敏感[2]。加之结构复杂性、测试误差和环境噪声等的影响,使得传统的基于低阶模态参数的损伤识别技术无法识别结构的初始损伤。

　　本文介绍一种新型的基于压电阻抗的结构损伤识别方法。并利用该技术对钢梁的裂纹损伤识别和定位进行了实验研究和分析。该方法利用压电陶瓷的正、逆压电效应,在一个测试系统中将压电陶瓷同时用作驱动器和传感器。通过给粘贴在待测结构表面的压电陶瓷片施加交变电压使得压电陶瓷自身产生机械伸缩变形, 从而引起基体结构局部产生振动,达到激励结构的目的。待测结构被激励后会发生振动和变形。由于结构和压电陶瓷片的力相互作用又使得结构的振动信息反过来传递给压电陶瓷片,引起压电陶瓷片的电阻抗发生变化。在后一过程当中,压电陶瓷片则担当了传感器的角色。这显示了压电陶瓷片固有的自传感驱动特性。此外,基于压电阻抗的结构损伤识别技术还具有可以实现对结构的高频激励(大于30kHz)和不基于任何物理模型的优点,可以用于检测复杂结构早期的微小损伤。

　　1　基于压电阻抗的结构损伤识别原理

　　对于线性压电材料而言,电信号与机械形变之间的转换关系可用下面的压电方程表示[4]

　　式中,T是应力,E是外加电场的电场强度,S11是压电陶瓷片x2x方向上的应变分量,S11是恒定电场条件下沿x2x方向的弹性柔度系数,d31是压电应变常数,ε33是常应变时沿z2z方向的介电系数.上标E和T分别表示其标识的量是在电场以及零应力作用下得到的。式中的第一个方程描述的是压电智能材料的逆压电效应,第二个方程描述的是其正压电效应。