[发明专利]一种在线健康监测的微型压电阻抗装置及方法

说明书

本发明提供了一种在线健康监测的微型压电阻抗装置，将压电陶瓷晶片传感器粘贴在待测量的结构上，阻抗转换器产生激励信号，通过压电陶瓷晶片传感器施加到待测量的结构上，并采集反馈信号，输送至系统控制模块；当待测量结构的缺陷带动压电陶瓷晶片传感器变形时，压电陶瓷晶片传感器返回的采样信号发生变化，系统控制模块根据设定的阈值判断待测量结构的健康状况。本发明具有结构简单、质量轻、体积小、价格低廉、无污染、易操作、稳定性好、环境耐受度强及使用结构范围广等特点，可实现在线、持续监测。

技术领域

本发明涉及一种在线健康监测装置及方法，用于实时在线检测结构或部件各部位状态变化及损伤发展情况。

背景技术

航空航天航海结构可能在生产、加工、长贮以及模拟演练中的装卸、运输等过程中产生一些微弱损伤；大型建筑或设施长期遭受风、温度、湿度等环境因素的影响易积累各种初始缺陷，这些缺陷损伤经过日积月累的逐步演化将不断扩展为微小损伤；精密仪器、复杂结构件等在连续载荷的作用下容易产生疲劳损伤或发生损伤扩展。这些损伤如果不及时修复往往酿成事故，因此需要进行结构状态的实时监测，以在第一时间捕捉损伤。传统结构健康检测装置及方法如磁粉检测、红外、X射线、超声波检测、激光超声等由于其设备体积较大、不方便携带，且无法嵌入或内置进行实时在线监测，因此难以真正用于系统结构的在线健康监测。

压电阻抗技术是近些年发展成熟的一种可用于评价结构质量、刚度及阻尼变化的技术，利用压电传感器与结构的机电耦合可将难以测量的结构机械阻抗转化为电阻抗来进行测量。国内外现有一些针对特定对象基于阻抗分析方法进行无损检测的装备，但均存在各种问题，或容易受到环境的微弱振动和温度影响而导致电阻抗测量结果不稳定，或采用大范围量程和多功能集成的元器件而造成的价格昂贵，或因为体积和重量大、实际操作与结果分析复杂的因素难以实施和推广，或是用现有仪器的简单组合拼装而成导致实际操作复杂，抑或由于传感器部分受环境的腐蚀破坏无法长期灵敏监测。例如美国的安捷伦(Agilent)科技公司的Agilent 4924A仪器，体积较大为0.04m³，重量逾20kg，价格近30万，其中的电源接口及数据输入输出模块的质量和体积均较大，严重影响实际中结构长期健康监测使用；我国2016年的发明专利“一种基于压电阻抗法的桥梁拉索锈蚀监测系统及方法”适用面相对较窄，且仍面临长期监测的问题；同时2016年的实用新型专利“一种用于结构健康监测的压电阻抗测量设备”中使用了任意波形发生器和数字示波器，未进行模块的优化设计，且其成本仍然在5万元以上，同时其体积庞大，难以实现室外结构长期地在线监测。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种长期在线健康监测的微型压电阻抗装置，结合建立的损伤评价指标即损伤表征量进行结构或系统的典型构件、关键节点及重点部位的损伤评价。本发明具有结构简单、质量轻、体积小、价格低廉、无污染、易操作、稳定性好、环境耐受度强及使用结构范围广等特点，可实现在线、持续监测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种在线健康监测的微型压电阻抗装置，包括阻抗转换器、系统控制模块、压电陶瓷晶片传感器和适配电阻。

所述的压电陶瓷晶片传感器粘贴在待测量的结构上，所述的阻抗转换器产生激励信号，通过压电陶瓷晶片传感器转换为振动信号，施加到待测量的结构上；压电陶瓷晶片传感器采集以振动形式存在的反馈信号，经过正压电效应转化为谐响应电信号，该谐响应电信号传输至阻抗转换器转化为数字信号，进行滤波和傅里叶变换后，输送至系统控制模块；当待测量结构的缺陷带动压电陶瓷晶片传感器变形时，压电陶瓷晶片传感器返回的采样信号发生变化，系统控制模块根据设定的阈值判断待测量结构的健康状况；所述的适配电阻串接在阻抗转换器和压电陶瓷晶片传感器之间，实现阻抗匹配。

所述的系统控制模块采用STM32开发板，阻抗转换器采用AD5933。

所述的阻抗转换器产生频率1kHz～100kHz的正弦扫频信号作为激励信号，采样频率为12位。