试验研究
２０１７年第３９卷第８期
收稿日期:２０１６-１１-１６
基金项目: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)
作者简介:常源隆(１９９５－)
,男,主要研究方向为结构健康监测通信作者:王 强(１９８０－)
,男,博士,副教授,主要研究方向为结构健康监测二先进智能传感技术二信号与信息处理等,wan gq ian g ＠
n j u p t．edu．cn
DOI :１０．１１９７３/ws j c２０１７０８００３
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)
摘 要: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.
关键词:PZT 压电传感器;结构健康监测;机电耦合原理;连接失效
中图分类号:TP２１１+．４;TG１１５．２８ 文献标志码:A 文章编号:１０００-６６５６(２０１７)０８-００１１-０５
Fastener Joint Failure Monitorin g Techni q ue Usin g Piezoelectric Im p edance Method
CHANG Yuanlon g ,DONG Hon g xian g ,WANG Q ian g
(Colle g e of Automation ,Nan j in g Universit y of Post and Telecommunications ,Nan j in g ２１００２３,China )
Abstract :The existin g methods ado p ted to monitor the fastener j oint failure based on electromechanical
im p edance method demand for hi g h q ualit y e q ui p ment．At the same time ,there was a lack of a unified method on the j ud g e of fastener j oint failure．Formulas were derived and a monitorin g s y stem was desi g ned to investi g ate the
feasibilit y of a new method based on the fre q uenc y s p ectrum of the real p art of electrical admittance．The am p le evidence p resented enables us reasonabl y to conclude that fastener j oint failure can be well monitored usin g fre q uenc y
s p ectrum of real p art of electrical admittance in the wa y mentioned．
Ke y words :PZT actuator
/sensor ;health monitorin g ;electromechanical cou p lin g p rinci p le ;j oint failure 在诸多实际工程结构,
如桥梁二航空器二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(?５０kHz )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１
１
压电陶瓷阻抗分析ANSYS 程序 阻抗概念简介 大家都知道直流电路中，欧姆定律中定义的电阻R V I = ，电阻的含义代表对电流的阻碍作用。随着学习的深入，我们知道电压不仅仅有直流电压，更多存在的是交流电压，比如家用电压220V~，变压器等等。 图 1 一般交流电压有幅值，频率，相位这些参数，如果用实数表示就是 00cos()m t v V V ω?+=+ (1) v 代表任意时刻的电压，0V 代表偏置，m V 代表幅值，2f ωπ= 代表角频率与频率有关，0? 为初始相位。 随着学习继续深入，有出现了用虚数表示电压 00jwt m v V V e ?+=+ (2) 其实如果只要将(2)式中实部取出来，虚部不用管，就和(1)一样了。既然(2)比(1)还要复杂，为什么还要用复数表示交流电压呢，其实这是因为复数的运算要比实数要简单许多许多。比如将两个交流电相乘（实际中可以用电子电路中乘法器实现），复数的相乘：只要将幅角相加就行了，实数就要复杂很多。 到此，我们知道了为什么要复数表示阻抗，而任何一个复数都可以用实部和虚部表示： Z R jX =+ (3)
实部和虚部到底有什么含义呢，很多教科书说实部就是电阻，虚部是由电容产生的容抗和电感产生的感抗组成的。但大家看完这些介绍依然是云里雾里，太抽象，难以理解。实际上对于阻抗的理解就直接把其理解为电阻，阻抗就是用来阻碍电流的，比如如果我们要在1V电压施加下获得1A电流，那么我们找1Ω电阻和绝对值为1Ω的阻抗是一样的。但是用阻抗有个优点，阻抗的虚部是复数，复数不会做功不会产生能量消耗，虽然1Ω的电阻和1Ω的阻抗都能获得1A的电流，但是阻抗由于有虚部因此消耗的能量要少，如果阻抗虚部设计的大一些，实部设计的小一些，这对于节约功耗具有无比重要的意义！注意以上讨论的前提是交流电。 ANSYS获得压电阻抗 ANSYS中要输入压电单元的参数，当然自己可以慢慢用GUI输入，也可以用命令流输入，其实最简单的方法就是从网上找一个别人论文中的PZT压电参数直接用File->read input from.. 命令读取就行了，这里将参数贴在附录A. 下面开始建立模型，从最简单的板开始入手。板的尺寸为24*4*0.35 mm，这很简单用block命令或者直接GUI。 建立模型后要进行网格划分，用GUI 直观简单，MeshTool 选中长宽厚，分别设置划分个数为10*5*2，划分类型为映射网格，计算快，看起来漂亮~ 图 2 施加电压要用到Coupled Field的概念，耦合场其实就是将选中的面偶合成一个量，也就是如果要对某一点施加电压，那么耦合的面都会具有所施加的电压值，这在施加电压的时候只要施加在耦合的点（ANSYS映射的原点就是耦合点，选错了点ANSYS会报
试验研究 ２０１７年第３９卷第８期 收稿日期:２０１６-１１-１６ 基金项目: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) 作者简介:常源隆(１９９５－) ,男,主要研究方向为结构健康监测通信作者:王 强(１９８０－) ,男,博士,副教授,主要研究方向为结构健康监测二先进智能传感技术二信号与信息处理等,wan gq ian g ＠ n j u p t．edu．cn DOI :１０．１１９７３/ws j c２０１７０８００３ 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) 摘 要: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. 关键词:PZT 压电传感器;结构健康监测;机电耦合原理;连接失效 中图分类号:TP２１１+．４;TG１１５．２８ 文献标志码:A 文章编号:１０００-６６５６(２０１７)０８-００１１-０５ Fastener Joint Failure Monitorin g Techni q ue Usin g Piezoelectric Im p edance Method CHANG Yuanlon g ,DONG Hon g xian g ,WANG Q ian g (Colle g e of Automation ,Nan j in g Universit y of Post and Telecommunications ,Nan j in g ２１００２３,China ) Abstract :The existin g methods ado p ted to monitor the fastener j oint failure based on electromechanical im p edance method demand for hi g h q ualit y e q ui p ment．At the same time ,there was a lack of a unified method on the j ud g e of fastener j oint failure．Formulas were derived and a monitorin g s y stem was desi g ned to investi g ate the feasibilit y of a new method based on the fre q uenc y s p ectrum of the real p art of electrical admittance．The am p le evidence p resented enables us reasonabl y to conclude that fastener j oint failure can be well monitored usin g fre q uenc y s p ectrum of real p art of electrical admittance in the wa y mentioned． Ke y words :PZT actuator /sensor ;health monitorin g ;electromechanical cou p lin g p rinci p le ;j oint failure 在诸多实际工程结构, 如桥梁二航空器二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(?５０kHz )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１ １
口互重噩圈鎏翟望量茎兰兰；茎篁二釜；：塑：文章编号：１６７１—４５９８（２０１０｝０２—０３１３—０３中图分类号：ＴＰ３９１文献标识码：Ａ 基于虚拟仪器技术压电器件阻抗测试分析系统 李家宽，杨惠珍，李乐 （西北工业大学航海学院，西安陕西７１００７２） 擅要：基于虚拟仪器技术设计并实现了一种新型压电器件阻抗测试分析系统；该系统以工业ＰＣ机作为控制单元，采用ＧＰＩＢ通信接口与Ａｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ高精度阻抗分析仪进行通信，在Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶｌ开发环境下开发了测试分析软件，实现了测试数据和图形的同步显示、Ｅｘｃｅｌ数据报告生成、测试曲线保存和打印等功能，可完成对薄片、柱形和环形等多种压电器件的阻抗参数以及换能器带宽、机声效率、机电效率和电声效率的计算；实际应用表明该系统测量结果精度高、所生成的测试报告图文清晰，且操作简便快捷，提高了工作效率，具有很好的应用和推广价值。 关键词：虚拟仪器；压电器件Ｉ换能器；阻抗 ＡｎＩｍｐｅｄａｎｃｅＴｅｓｔａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍｆｏｒＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐｏｎｅｎｔＢａｓｅｄｏｎ ＶｉｒｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅ ＬｉＪｉａｋｕａｎ，ＹａｎｇＨｕｉｚｈｅｎ，ＬｉＬｅ （ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｘｉ’ａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｍｃｔ：Ａｎｅｗｉｍｐｅｄａｎｃｅｔｅｓｔａｎｄａｎａｌｙｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｆｏｒｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．ＴｈｅｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｓｗｉｔｈＡｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ，ａｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｍｐｅｄａｎｃｅａｎａｌｙｚｅｒ，ｂｙＧＰＩＢ．Ｔｈｅｔｅｓｔａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅ ｒｕｎｎｉｎｇｉｎｔｈｅｈｏｓｔｃｏｍｐｕｔｅｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂａｓｅｄｏｎＬａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｉｔｐｅｒｆｏｒｍｓｓｏｍｅｕｓｅｆｕｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓｄｉｓｐｌａｙｉｎｇｍｅａｓ—ｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａａｎｄｇｒａｐｈｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙｗｉｔｈＡｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ，ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｄａｔａｒｅｐｏｒｔａｓａＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌｆｉｌｅａｎｄｓａｖｉｎｇ／ｐｒｉｎｔｉｎｇｔｅｓｔｇｒａｐｈ． Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ。ｕｓｅｒｓｃａｎｍｅａｓｕｒｅｋｉｎｄｓｏｆｉｍｐｅｄａｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌｅｍｅｎｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｈａｐｅｓｌｉｋｅｓｌｉｃｅ，ｃｏｌｕｍｎｏｒｃｉｒｃｌｅ．Ａｎｄａｌｓｏｉｔｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｍｅｃｈａｎｏ－ａｃｏｕｓｔｉｃａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｍｅｃｈａｎｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ－ａｃｏｕｓｔｉｃａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｆｏｒｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａａｒｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｇｒａｐｈｓａｒｅｃｌｅａｒｉｎｔｈｅｔｅｓｔａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｒｅｐｏｒｔ，ａｎｄｉｔｉｓｅａｓｙｔｏｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｈｅｌｐｆｕｌｔｏｉｍｐｒｏｖｅｗｏｒｋｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ；ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｏ引言 压电器件是产生和接收声音的主要器件，它广泛应用于功率超声、检测超声、水声等声学领域。在使用这些压电器件之前．必须精确地测量它的多种阻抗特性和参数。传统的测量方式需要多名检测人员协同操作，步骤繁琐，且测量结果还须进行后期人工处理，不仅消耗大量的人力和时间，也人为影响了检测结果的精度［１］。 本文基于虚拟仪器技术设计实现了一种新型压电器件阻抗测试分析系统。本系统以插有ＧＰＩＢ板卡的工业计算机作为控制子系统，Ａｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ型高精度阻抗分析仪作为数据测量子系统，采用Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ虚拟仪器开发平台为用户定制了压电器件测量分析系统，实现了对不同类型压电器件参数的测量和对换能器带宽、机电效率等参数的计算和分析，以及测量数据的记录和测试报告的自动生成功能。用户只需操作界面友好的软件控制平台就可以快速完成所需的测试和分析任务，并实现测量数据、测试报告和图文报表的数字化、文档化，提高了工作效率［２］。 收稿日期：２００９一０９—１０；修回日期：２００９—１０—１５。 作者简介：李家宽（１９７９一），男，硕士生，主要从事先进控制及计算机仿真方向的研究。 杨惠珍（１９７４一），女，副教授，主要从事系统仿真理论与方法方向的研究。１系统概述 系统原理如图１所示。测试时，Ａｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ与被测器件相连，通过ＧＰＩＢ总线接收控制计算机的测量指令，执行测量任务，并将测量数据送回控制计算机，控制计算机再按测量需求对测量数据进行整理、分析、计算、显示和保存［３］。 测试分析系统软件基于Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ｃＶｌ虚拟仪器开发平台进行开发，它是ＮＩ公司推出的一种完全标准Ｃ的软件开发环境。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ提供了丰富的函数库，其中包含了多种通信函数，可完成数据的采集、分析、和显示等任务；拖放式用户界面编辑器和自动代码生成工具，可以自定义用户界面，生成或运行ＡｃｔｉｖｅＸ组件，并开发多线程程序。它适用于自动测试、自动控制、测试仪器通信、测试硬件控制及信号分析处理的软件开发，具有性能高、扩展性强、无缝集成、开发时间短等优点。 ２压电器件阻抗测试分析系统软件 ２．１主要功能 软件的主要功能包括：（１）对薄片形、圆环形、柱形等不同类型的压电器件的谐振频率、自由介电常数、品质冈素等多种参数的测量；（２）对换能器带宽、机电效率等参数的测量和计算；（３）实现了控制计算机与Ａｇｉｌｅｎｔ４２９４Ａ测量系统的数据同步显示；（４）实现了所有测量数据的规范化存储、图形记录以及测量报告的自动生成等功能。软件的主界面如图２所示。 中华测控网 ｃｈｉｎａｍｃａ．ｃｏｒｎ 万方数据