楊景文， 朱宏平， 王丹生， 艾德米

(華中科技大學 土木工程與力學學院，湖北 武漢 430074)

土木工程結(jié)構(gòu)在環(huán)境、荷載等外部因素的作用下會產(chǎn)生不同程度的損傷，這些損傷可能會影響結(jié)構(gòu)的使用，甚至導致結(jié)構(gòu)破壞造成嚴重損失，因此結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)引起了人們的重視。大量研究正著眼于將智能傳感器技術(shù)融入健康監(jiān)測技術(shù)中，其中基于機電阻抗(EMI)方法的損傷檢測技術(shù)被提出后[1]，引起了學者們的廣泛關(guān)注，近年來也得到了迅速的發(fā)展，許多構(gòu)件及結(jié)構(gòu)開始運用EMI方法做損傷檢測[2～5]。該方法主要是通過分析結(jié)構(gòu)阻抗信息的變化來檢測結(jié)構(gòu)的損傷情況，但是結(jié)構(gòu)的阻抗對溫度較為敏感[6]，因此本研究將用實驗分析溫度對EMI損傷檢測方法的影響，然后采用有效頻率偏移方法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來減少溫度對該方法的影響，并對比分析兩種方法的補償效果。

1 基于EMI損傷檢測技術(shù)

EMI損傷檢測技術(shù)的原理是：結(jié)構(gòu)的損傷會引起結(jié)構(gòu)阻抗的變化，通過分析結(jié)構(gòu)的阻抗變化來分析結(jié)構(gòu)的損傷情況。結(jié)構(gòu)的阻抗是不能直接測量的，所以需要借助壓電傳感器，首先將壓電傳感器粘貼或者埋入到結(jié)構(gòu)中，然后給壓電傳感器一個電信號激勵，由于逆壓電效應壓電傳感器會產(chǎn)生機械振動，從而帶動主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生耦合振動，耦合振動通過正壓電效應產(chǎn)生電信號，最后阻抗分析儀接收到反饋的阻抗信息，通過不斷的掃頻激勵就能夠采集到不同頻率下的阻抗信息。當結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，阻抗分析儀采集到的導納信號就包含損傷的信息，然后通過分析不同工況下導納信號的變化來判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷及損傷程度。

EMI方法最初是運用于結(jié)構(gòu)參數(shù)的識別及壓電驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計中，Sun等將該方法運用到損傷檢測中[7],Giurgiutiu提出了均方根差(RMSD)指標來定義結(jié)構(gòu)的損傷程度[8]，隨后許多學者對該方法進行了實驗研究及改進，如：Tseng and Wang將EMI方法運用在混凝土梁的損傷識別上[9]，Yang等采用EMI方法監(jiān)測鋁板上損傷的發(fā)展[10]，Shanker等[11]將EMI技術(shù)與全局振動方法結(jié)合在一起檢測初期的損傷及微小損傷，Yang等[12]將EMI技術(shù)擴展到鋼梁的銹蝕檢測中。Lopes等[13]在EMI技術(shù)中加入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來確定結(jié)構(gòu)損傷的程度。Wang等[14]采用相關(guān)系數(shù)作為損傷檢測的指標對壓電阻抗方法進行了實驗及數(shù)值研究。以上研究均取得良好的結(jié)果，使EMI損傷檢測技術(shù)得以迅速發(fā)展。

2 溫度對EMI損傷檢測技術(shù)的影響

基于機電阻抗的損傷檢測技術(shù)是一個高靈敏度檢測方法，雖然能夠很好的檢測出結(jié)構(gòu)初始損傷以及微小損傷，但該方法中的阻抗值受溫度影響較大，相同結(jié)構(gòu)在相同健康狀態(tài)下由于溫度不同測試出的結(jié)果可能會有所不同。因此溫度變化可能會影響到測試結(jié)果的準確性，影響對結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的判斷。Park等[15]分析了溫度對EMI方法的影響。以下將通過實驗來分析溫度對EMI損傷檢測技術(shù)的影響，并通過分析RMSD指標定量分析其影響程度。

實驗試件為表面粘貼PZT傳感器的鋼梁，鋼梁的尺寸為401 mm×24 mm×24 mm，PZT傳感器的尺寸為8 mm×8 mm×0.5 mm。將壓電片粘貼于距離梁端70 mm處，壓電片及試件局部照片如圖1所示。將實驗試件放入帶有溫控的恒溫箱中以控制溫度的變化。為考慮不同的溫度情況，將恒溫箱溫度設(shè)置為35℃、45℃以及55℃作為實驗的三種工況。在每個溫度下，鋼梁放置一定時間以保證結(jié)構(gòu)整體溫度穩(wěn)定。如圖2所示，用PV70A阻抗分析儀采集各個工況下的150～300 kHz導納信息。在損傷檢測中，主要采用導納實部進行分析計算，所以溫度的影響也主要分析導納實部的變化。實驗測試數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖1 試件局部圖

圖2 采集阻抗信息

圖3 各工況下結(jié)構(gòu)導納實部曲線

由圖3可以看到，隨著溫度的變化，結(jié)構(gòu)導納有明顯的變化。導納曲線整體趨勢不變，但是隨著溫度的升高導納曲線向左上方偏移，其中向左偏移較為明顯。通過分析結(jié)構(gòu)導納的RMSD指標來分析溫度對損傷檢測方法的影響。RMSD是均方根偏差，它可以用來衡量不同工況下信號差別，RMSD指標的計算如公式(1)所示：

(1)

式中：G0為基準工況下導納信號；G1為不同工況下導納信號。圖4為35℃作為基準時45℃和55℃情況下的RMSD指標。其中35℃為基準狀態(tài)，所以RMSD指標為0。在各個溫度狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)是沒有改變的，但是從RMSD指標來看,隨著溫度升高RMSD指標逐漸增大。所以溫度變化會影響對結(jié)構(gòu)健康狀況的判斷。

圖4 各溫度狀態(tài)下RMSD指標

3 EMI損傷檢測技術(shù)的溫度補償

由以上分析可以看出，溫度的變化對EMI損傷檢測方法影響較大，會引起RMSD指標的變化。為減少對EMI方法的影響，以下將采取兩種不同的方法來補償溫度的影響。

3.1 有效頻率偏移方法

由圖2的導納曲線可以看出環(huán)境溫度變化不會影響導納曲線的基本趨勢，只是造成導納曲線水平或者豎向的偏移。因此通過一定的方法來調(diào)整導納曲線的偏移就能夠補償溫度對導納曲線的影響?；ハ嚓P(guān)系數(shù)(CC)是反映兩條曲線的相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計指標。CC是小于1的數(shù)，CC越接近于1說明兩條曲線相關(guān)性越大。為研究溫度對導納曲線的影響，將采用有效頻率偏移(EFS)方法[16]對不同溫度下導納曲線進行相關(guān)性分析，如公式(2)所示：

(2)

(3)

(4)

圖5 45℃、55℃與35℃導納曲線的互相關(guān)系數(shù)分析

由圖7可見，通過有效頻率偏移方法對實驗測試結(jié)果的處理使得45℃和55℃時的導納曲線與35℃時的導納曲線更加接近，達到了溫度補償?shù)哪康摹Ｏ旅娌捎肦MSD指標來定量的分析補償?shù)男Ч?5℃為參考溫度，所以35℃處RMSD指標為0。由圖8可看出經(jīng)過有效頻率偏移法補償后45℃和55℃時的RMSD指標從0.167和0.449降低到0.13和0.167，效果比較明顯。說明經(jīng)過溫度補償后溫度對測試結(jié)果的影響減小。

圖6 45℃條件下有效頻率偏移補償前后對比

圖7 55℃條件下有效頻率偏移補償前后對比

圖8 有效頻率偏移溫度補償前后RMSD對比

3.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)是一種模仿動物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進行分布式并行信息處理的算法數(shù)學模型。通過合適的訓練能夠在樣本輸入和輸出之間形成一個網(wǎng)絡(luò)，然后將測試的輸入代入到訓練好的網(wǎng)絡(luò)得到測試輸出。徑向基(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種，它在曲線擬合方面有很大的優(yōu)勢。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱藏層和輸出層組成。首先將樣本數(shù)據(jù)頻率和溫度作為輸入、測得的導納值作為輸出代入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中訓練網(wǎng)絡(luò)，當訓練達到條件時完成訓練形成網(wǎng)絡(luò)，如圖9所示。然后再將測試的輸入代入訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬的輸出。經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果就考慮了溫度因素，所以只要知道測試時的溫度就能將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬出的各個溫度條件下的導納值作為參考值，實測結(jié)果與之進行對比。因為實測值與參考值均考慮了溫度因素，這樣就排除了溫度對測試結(jié)果的影響達到了溫度補償?shù)哪康摹Ｏ旅娌捎蒙鲜龇椒▽嶒炛械臏y試結(jié)果進行溫度補償。

圖9 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖10 各溫度下實測導納值與ANN數(shù)值模擬對比

如圖10所示，在經(jīng)過合適的訓練后，將各溫度下實測實驗數(shù)據(jù)與ANN數(shù)值模擬結(jié)果對比可以看出，各溫度下測試結(jié)果與ANN數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)基本上吻合，說明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠很好的預測出各溫度下的導納值。而且說明在結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生損傷的情況下導納曲線基本不變，不會受到溫度的影響，說明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補償方法有效。同樣采用RMSD指標來定量分析補償?shù)男Ч?，由于ANN的數(shù)值模擬結(jié)果與實際的測量值有差別，所以補償后35℃的RMSD指標不為0。如圖11所示，各溫度下的RMSD都大大降低，而且趨于穩(wěn)定。說明RMSD指標基本不受溫度影響，溫度補償效果十分理想。

圖11 ANN方法溫度補償前后RMSD指標對比

在有效頻率偏移方法中，能夠很好的從測得的導納曲線中找到溫度對曲線的影響，最終通過調(diào)整頻率偏移來完成溫度補償。其補償后45℃和55℃導納曲線明顯與35℃導納曲線更加接近。補償后的RMSD指標相對于原始的RMSD指標也明顯下降，補償效果較為理想。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法中，先通過對樣本的訓練來形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，然后用實測的輸入得到模擬的輸出值作為對比值，因為在輸入層中已經(jīng)考慮了溫度的因素，所以實驗測試值再與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬的值對比的時候就排除了溫度的影響。兩種方法均能夠達到溫度補償?shù)男ЧＭㄟ^表1對比分析兩種方法補償?shù)男Ч?，從?補償前后的RMSD指標來看，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相對于有效頻率偏移方法的溫度補償效果更佳。

表1 溫度補償結(jié)果對比

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