宋琛琛，謝麗宇，薛松濤,2

(1.同濟(jì)大學(xué)　結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上?！?00092；2.日本東北工業(yè)大學(xué)　工學(xué)部，日本　仙臺(tái)　982-8577)

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基于壓電阻抗技術(shù)的螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究

宋琛琛1，謝麗宇1，薛松濤1,2

(1.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092；2.日本東北工業(yè)大學(xué)工學(xué)部，日本仙臺(tái)982-8577)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓松緊狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)一種黏貼有PZT材料的特制墊片。設(shè)定形狀不同的墊片，并與直接將PZT片黏貼在螺栓附近結(jié)構(gòu)表面的方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。研究螺栓松緊程度不同的情況下各種監(jiān)測(cè)方法的PZT諧振頻率、幅值和損傷系數(shù)等頻譜特性參數(shù)的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明：將PZT片粘貼在翹墊片上的方法中PZT片的RMSD值隨螺栓扭矩增大，有明顯減小的趨勢(shì)。且從4個(gè)螺栓相互干擾的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，使用翹墊片的方法感應(yīng)范圍集中于墊片的螺栓與主體結(jié)構(gòu)連接部分，非常有效地隔離了臨近螺栓松動(dòng)對(duì)信號(hào)的干擾，對(duì)螺栓松動(dòng)的敏感性更高。

關(guān)鍵詞：交通工程；螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)；阻抗分析；壓電材料

0引言

由于螺栓緊固件能拆卸并能夠重復(fù)使用的重要優(yōu)勢(shì)，其在軌道交通中得到了大量的應(yīng)用。然而，螺栓緊固件很容易發(fā)生自松動(dòng)現(xiàn)象，自從工業(yè)革命以來(lái)，螺栓自松動(dòng)一直沒(méi)有得到很好的解決。盡管在最近的150年間，針對(duì)螺栓松動(dòng)的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)提出了大量的解決方案，但是能夠以較低人工、經(jīng)濟(jì)成本有效地檢測(cè)出螺栓松動(dòng)的解決方案還有待進(jìn)一步的探索。

直接由螺栓松動(dòng)導(dǎo)致的工程事故在土木工程或工業(yè)領(lǐng)域中時(shí)有發(fā)生，而其中不乏一些災(zāi)難性的事故。2012年12月2日，日本山梨縣境內(nèi)的中央高速公路的笹子隧道發(fā)生部分頂板坍塌，隧道頂部排列的長(zhǎng)5 m、寬1.2 m、厚8～9 cm的混凝土頂板約100塊(每塊重約1.2 t)突然掉下，使得正在行駛的3輛車(chē)被埋，共有9人死亡。隧道頂部固定在混凝土里的錨定螺栓由于腐蝕等原因發(fā)生破壞，而隧洞維護(hù)運(yùn)營(yíng)方?jīng)]有采用合理有效的螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)手段提早發(fā)現(xiàn)隱患，因而造成了此次事故[1]。

對(duì)螺栓松動(dòng)的日常檢查方法目前可分為兩種，目視檢查方法以及打音檢查方法。所謂目視，就是用肉眼觀察金屬部件有所變化，變色；所謂打音檢查就是用錘子敲打金屬連接部位，從聲音上判斷是否有松弛或別的異常。當(dāng)然，打音檢查的效果比目視檢查要好。但無(wú)論采用哪種方法，其都具有人工成本高的缺點(diǎn)，且對(duì)巡檢人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心和工作態(tài)度等依賴性較大。

此外，還可以通過(guò)對(duì)螺栓的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，安裝可靠有效的智能監(jiān)測(cè)裝置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓連接是否松動(dòng)，這對(duì)保障結(jié)構(gòu)安全有著重要的意義。

壓電材料及壓電傳感技術(shù)的日趨成熟和多樣，使得壓電阻抗技術(shù)在機(jī)械工程和土木工程無(wú)損健康監(jiān)測(cè)(NDE，nondestructive evaluation technique)中體現(xiàn)出了巨大的潛力和市場(chǎng)[1]?；趬弘娫膲弘娮杩狗椒?EMI，electro-mechanical impedance)將壓電材料的特性與波動(dòng)理論相結(jié)合，應(yīng)用動(dòng)態(tài)阻抗信息為結(jié)構(gòu)的健康診斷提供依據(jù)。因其工作的頻段較高，對(duì)結(jié)構(gòu)諸如裂紋和螺栓松動(dòng)等微小缺陷較為敏感，同時(shí)壓電元件具有成本低廉、尺寸小、激勵(lì)電壓低和對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，該技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。

1壓電阻抗原理

壓電阻抗技術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷診斷和監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的基本原理是：將壓電元件粘附于結(jié)構(gòu)表面或埋置于結(jié)構(gòu)內(nèi)部后，施加高頻交流電壓激勵(lì)壓電元件，采用阻抗分析方法獲取耦合結(jié)構(gòu)的阻抗函數(shù)，根據(jù)耦合結(jié)構(gòu)的阻抗譜變化從而間接地判斷結(jié)構(gòu)的損傷狀況。Liang等[3]最早提出了將壓電阻抗法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的理論依據(jù)，從理論層面上分析了壓電材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成的單自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)(SMD)模型，如圖1所示。在僅考慮軸向伸縮變形的情況下，壓電元件與結(jié)構(gòu)的相互作用模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)量-剛度-阻尼系統(tǒng)，壓電元件可被看作為一狹長(zhǎng)的桿件，一端被固定，另一端與簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)的基體結(jié)構(gòu)相連，在施加的可變電場(chǎng)作用下做軸向振動(dòng)。

圖1　壓電材料與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成的單自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)(SMD)Fig. 1　Single degree of freedom spring-mass-damping system (SMD) for piezoelectric material and structural system

Liang等[3]得出了壓電元件機(jī)械阻抗與結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的關(guān)系，理論推導(dǎo)出壓電元件驅(qū)動(dòng)的一維SMD系統(tǒng)的耦合電導(dǎo)納(耦合阻抗的倒數(shù))表達(dá)式：

(1)

從式(1)可以看出，第一項(xiàng)為自由壓電元件的電容導(dǎo)納，是導(dǎo)納隨頻率變化的基線。第二項(xiàng)包含了壓電元件自身的機(jī)械阻抗信息和外部結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗信息。對(duì)已經(jīng)確定的壓電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，壓電元件自身的機(jī)械阻抗值為常數(shù)，外部結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗值則是唯一影響第二項(xiàng)的參數(shù)，從而決定壓電系統(tǒng)耦合電導(dǎo)納Y的變化。若結(jié)構(gòu)發(fā)生局部的損傷破壞、螺栓松動(dòng)等狀況，造成外部結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的變化，則可通過(guò)壓電系統(tǒng)耦合電導(dǎo)納Y反映出來(lái)。

2基于壓電阻抗技術(shù)的螺栓松動(dòng)試驗(yàn)研究

隨著壓電阻抗技術(shù)的發(fā)展，如今它在很多土木工程領(lǐng)域均開(kāi)展了應(yīng)用研究。2001年，Park等[4]用壓電阻抗原理對(duì)管線結(jié)構(gòu)的螺栓連接進(jìn)行了監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)通過(guò)對(duì)黏貼于管道表面的壓電傳感元件進(jìn)行實(shí)時(shí)高頻激勵(lì)，獲取相應(yīng)導(dǎo)納值進(jìn)行識(shí)別損傷。

壓電材料與主體結(jié)構(gòu)之間連接方式有嵌入式和粘貼式兩種。試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可知壓電材料粘貼方法在實(shí)際應(yīng)用中，存在以下問(wèn)題：

(1)壓電陶瓷片脆薄、易斷裂，要求操作人員具有足夠的耐心，有一定的貼片經(jīng)驗(yàn)，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行粘貼難度大，精度低；

(2)壓電陶瓷片貼好后，并不能代表其可直接投入試驗(yàn)中，還需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，若測(cè)試結(jié)果不對(duì)，還需重新貼片，耽誤時(shí)間影響效率；

(3)一旦壓電陶瓷片貼于主體結(jié)構(gòu)上，后期使用過(guò)程中如果發(fā)生破壞、老化，更換不便；

(4)壓電陶瓷片的貼片過(guò)程繁瑣，貼片式的連接方式在試驗(yàn)中重復(fù)性的動(dòng)作多，壓電陶瓷片的數(shù)量要求相對(duì)較多，現(xiàn)場(chǎng)安裝人工成本較大。

綜上所述，壓電材料粘貼式的連接方式不適用于實(shí)際應(yīng)用。本文提出一種新的方法來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粘貼式使用方法。以上述粘貼的缺陷為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種特制的墊片，將壓電陶瓷傳感元件粘貼在墊片上。使用時(shí)，將此特制墊片與螺栓安裝在一起，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于，墊片制作和壓電陶瓷的粘貼與封裝可以實(shí)現(xiàn)工廠流水化制作，施工現(xiàn)場(chǎng)只需要安裝即可。拆卸的便捷性，使得現(xiàn)場(chǎng)適用性大大提升。

本試驗(yàn)?zāi)康脑谟谧C明通過(guò)特制墊片方式監(jiān)測(cè)螺栓松動(dòng)的可行性，并對(duì)比不同粘貼方式下壓電材料對(duì)螺栓松動(dòng)的敏感性差異。

2.1試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

假設(shè)影響螺栓連接機(jī)械阻抗的因素有3個(gè)：①隨扭矩增大，螺栓附近主體結(jié)構(gòu)變形；②隨扭矩增大，螺栓與主體結(jié)構(gòu)接觸面緊密程度變化[5]；③隨扭矩增大，螺栓與主體結(jié)構(gòu)之間的墊片變形。

為了驗(yàn)證不同因素對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響程度，以獲取最佳辨識(shí)效果，設(shè)置不同的粘貼方式。對(duì)于因素①，采用傳統(tǒng)的直接粘貼法，將圖2中左側(cè)PZT片直接粘貼在每個(gè)螺栓旁的鋁板上，使其對(duì)主體結(jié)構(gòu)變形更加敏感；對(duì)于因素②，使用1 mm厚鋼片制作平墊片，將PZT片粘貼在平墊片的懸臂端，如圖2右側(cè)所示，使壓電片不受主體結(jié)構(gòu)變形影響；對(duì)于因素③，使用1 mm厚鋼片制作翹墊片，將PZT片粘貼在翹墊片懸臂端上，如圖2中間所示，相對(duì)于平墊片，墊片翹曲會(huì)增大墊片平面外剛度，可以有效減小墊片變形。通過(guò)對(duì)比平墊片與翹墊片的辨識(shí)效果，可以分析出墊片變形對(duì)辨識(shí)結(jié)構(gòu)的影響。

圖2　墊片形狀Fig.2　Shapes of washers

試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)分兩部分：

(1)單個(gè)螺栓松動(dòng)試驗(yàn)工況

單個(gè)螺栓試驗(yàn)臺(tái)，如圖3所示，使用兩個(gè)相反倒置的槽鋼作為支座，用兩個(gè)螺栓將兩塊4 mm厚鋁板固定在支座上，以M12螺栓A為研究對(duì)象。

圖3　單個(gè)螺栓松動(dòng)試驗(yàn)Fig.3　Experiment of single bolt loosening

試驗(yàn)工況分3種情況：①不使用墊片，直接將PZT片粘貼在鋁板上；②使用平墊片，將PZT片粘貼在墊片上；③使用翹墊片，將PZT片粘貼在墊片懸臂端上。

如圖3所示，以螺栓A為研究對(duì)象，分別在不加墊片、使用平墊片和使用翹墊片的情況下，對(duì)螺栓A施加扭矩。以60 N·m為緊固狀態(tài)，并以此時(shí)的PZT片阻抗譜為基線。每松動(dòng)10 N·m進(jìn)行一次測(cè)量，分別得到不同松動(dòng)程度下的PZT阻抗譜曲線。

(2)螺栓群松動(dòng)試驗(yàn)工況

螺栓群試驗(yàn)臺(tái)，如圖4所示，使用兩個(gè)槽鋼作為支座，用左右共4個(gè)螺栓將兩塊4 mm厚鋁板固定在槽鋼支座上，M12螺栓1，2，3，4為研究對(duì)象。

圖4　多個(gè)螺栓松動(dòng)試驗(yàn)Fig.4　Experiment of multiple bolts loosening

試驗(yàn)工況分兩種情況：①不使用墊片，直接將PZT片粘貼在鋁板上；②使用翹墊片，將PZT片粘貼在墊片上。

如圖4所示，螺栓2，3，4均處于60 N·m緊固狀態(tài)不變，僅松動(dòng)螺栓1。螺栓1從60 N·m開(kāi)始，每松動(dòng)10 N·m，即對(duì)螺栓1，2，3，4均進(jìn)行一次阻抗測(cè)量，獲得螺栓1不同松動(dòng)情況下，4個(gè)螺栓分別的阻抗譜曲線，用以研究臨近螺栓間信號(hào)相互干擾的情況。

墊片尺寸如圖5所示，墊片安裝位置及PZT傳感器粘貼位置如圖6所示。PZT直接粘貼或使用平墊片時(shí)，PZT粘貼位置距螺栓中心1.6 cm以上，保證扭矩扳手的正常工作空間如圖6(a)、(b)所示。使用翹墊片時(shí)，將PZT粘貼于墊片翹起端，如圖6(c)所示。

圖5　墊片尺寸Fig.5　Dimensions of washers

圖6　墊片安裝位置及PZT片黏貼位置Fig.6　Positions of washers and PZT pieces

2.2壓電元件的尺寸選擇

如何選擇壓電元件的尺寸大小，與被監(jiān)測(cè)構(gòu)件的尺寸大小、結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，也直接影響到其有效監(jiān)測(cè)范圍、所需的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)電壓。由前人的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可知壓電元件尺寸應(yīng)遵循以下兩個(gè)原則：①為了盡可能的減小PZT本身對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)盡量采用尺寸厚度較小的PZT片[6]；②厚度為1 mm的PZT效果較好，容易激振[6]。故本試驗(yàn)采用PZT-5壓電材料型號(hào)，尺寸為200 mm×100 mm×1 mm。PZT-5材料具有高機(jī)電耦合系數(shù)，適宜介電常數(shù)、較高的靈敏度，具有較高的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率和靈敏度，電極布置方式為單面雙極型，即在壓電陶瓷片PZT的下表面通過(guò)鍍銀將電極翻轉(zhuǎn)至上表面，通過(guò)絕緣材料與上表面的電極分開(kāi)，在單面施加電壓，從而避免使用銅箔而導(dǎo)致結(jié)合面狀況的不一致。

2.3粘結(jié)劑的選擇

一般而言，要求粘結(jié)劑的楊氏模量盡量與壓電傳感材料本身相近，這樣能夠起到最好的激振和振動(dòng)信號(hào)收集的效果。Ong等[7]在對(duì)PZT的粘結(jié)材料的研究中發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)材料存在的剪力滯后效應(yīng)是影響阻抗識(shí)別的一個(gè)重要因素。故應(yīng)采用模量較高的粘結(jié)劑，以減小其剪力滯后效應(yīng)。

本試驗(yàn)考慮到取用方便和粘貼工藝簡(jiǎn)單的原則，采用氰基丙烯酸酯粘合劑，即常用的502膠水。這種粘合劑使用時(shí)無(wú)需加熱，在室溫下可以瞬間固化，拉伸剪切強(qiáng)度可以達(dá)到10 MPa以上。因?yàn)樘幱诔跏荚囼?yàn)階段，故未考慮溫度、濕度等因素對(duì)粘合劑性能的影響，也未考慮粘合劑的耐久性問(wèn)題。

2.4數(shù)據(jù)采集方法

阻抗測(cè)量一般采用美國(guó)某公司生產(chǎn)的精密阻抗分析儀，如圖7所示。該儀器通過(guò)輸入電壓與通過(guò)電阻器的電流之比得到被測(cè)試器件的阻抗值，通過(guò)16092A夾具與PZT片連接。

圖7　安捷倫阻抗分析儀Fig.7　Agilent impedance analyzer

2.5掃描頻率選取原則

為了能感應(yīng)結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼的微小變化，要求壓電元件激勵(lì)的波長(zhǎng)較短，所以選擇的激勵(lì)頻率較高，通常在30～500 kHz。頻率過(guò)低對(duì)結(jié)構(gòu)的微小損傷將不敏感，而頻率過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致PZT對(duì)溫度和粘結(jié)層等邊界條件過(guò)于敏感，從而影響對(duì)損傷信息的判斷[2]。

經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)頻率低于50 kHz的部分，阻抗值不穩(wěn)定，同種工況下數(shù)值漂移較大。頻率高于1 000 kHz 部分，不同工況下阻抗值變化無(wú)明顯規(guī)律性。從50～1 000 kHz的頻率-阻抗曲線可以看出，阻抗峰值和不同工況下阻抗變化主要集中于50～500 kHz，故本試驗(yàn)最終采用掃描頻率為50～500 kHz。試驗(yàn)所采用的阻抗分析儀能夠提供最大采樣點(diǎn)數(shù)為801個(gè)，為了獲取更詳實(shí)的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)采用設(shè)備最大采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。

2.6數(shù)據(jù)處理方法

通過(guò)阻抗分析設(shè)備，可以同時(shí)得到壓電導(dǎo)納值的實(shí)部和虛部。導(dǎo)納值實(shí)部對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性更為敏感，所以在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中通常用壓電阻抗的實(shí)部信息來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的健康狀況。而導(dǎo)納值虛部對(duì)溫度變化和粘結(jié)層特性比較敏感，實(shí)際應(yīng)用中可用于分析壓電傳感元件本身和粘結(jié)層是否破壞[8]。

頻譜分析最直觀簡(jiǎn)單的方法即為導(dǎo)納頻率譜諧振頻率偏移、幅值變化、斜率變化等。已有的很多試驗(yàn)[6,9]研究都首先采用了這種方法，并且證實(shí)了諧振頻率、幅值等頻譜特性確實(shí)會(huì)因被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)生偏移和變化。

僅使用諧振頻率偏移、幅值變化等方式，還難以對(duì)被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的定量分析。由于試件及試驗(yàn)其他條件也不可能完全一致，諧振頻率受試驗(yàn)條件干擾也會(huì)發(fā)生較大變動(dòng)，故引入了損傷系數(shù)的概念[8,10]。利用損傷系數(shù)可以提高壓電傳感器對(duì)損傷進(jìn)行識(shí)別定位的靈敏性，而且不需要預(yù)先知道結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的信息。本試驗(yàn)采用最常用的損傷系數(shù)均方根值RMSD(root mean square deviation)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(2)

式中，Re1(Yk)為螺栓無(wú)松動(dòng)時(shí)的導(dǎo)納實(shí)部；Re2(Yk)為螺栓出現(xiàn)一定程度松動(dòng)時(shí)的導(dǎo)納實(shí)部；k為第k個(gè)掃描頻率點(diǎn)；N為掃描點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1單個(gè)螺栓試驗(yàn)

分別在不安裝墊片、使用平墊片和使用翹墊片的情況下，測(cè)得PZT片的阻抗譜如圖8所示。圖中將每種情況，0，30，60 N·m下阻抗譜疊加進(jìn)行對(duì)比。

圖8　PZT片阻抗實(shí)部頻率范圍50～500 kHzFig.8　Impedance real part of PZT pieces (frequency range:50-500 kHz)

從圖中可以看出，相對(duì)于60 N·m時(shí)的阻抗譜，螺栓扭矩越小，阻抗譜變化越大。從圖中也可以看出，頻率200～300 kHz段的頻譜變化最為明顯。因此，對(duì)200～300 kHz段頻譜放大查看，如圖9所示。

圖9　PZT片阻抗實(shí)部(頻率范圍200～300 kHz)Fig.9　Impedance real part of PZT pieces (frequency range:200-300 kHz)

采用式(2)所示損傷系數(shù)均方根值RMSD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖10所示。從圖中可以看出，無(wú)墊片情況下總體上表現(xiàn)出隨扭矩增加，RMSD值減小，但是趨勢(shì)不明顯，不同扭矩間數(shù)值相差不大，難以準(zhǔn)確判斷螺栓松動(dòng)程度。使用平墊片和翹墊片的情況下，均呈現(xiàn)明顯的隨扭矩增大，RMSD值減小的趨勢(shì)，且數(shù)值相差明顯。但是對(duì)于平墊片，隨扭矩增大RMSD值變化趨勢(shì)并非絕對(duì)一致，在扭矩為30 N·m時(shí)出現(xiàn)了異常點(diǎn)。分析認(rèn)為，使用平墊片時(shí)，墊片與主體結(jié)構(gòu)有較大接觸面積，使得墊片振動(dòng)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜。然而壓電材料有對(duì)微小變化敏感的特性，因而相對(duì)翹墊片更容易出現(xiàn)異常點(diǎn)，且平墊片平面外抗彎剛度較小，隨扭矩增大，容易產(chǎn)生平面外變形，對(duì)信號(hào)造成不良影響。

二者之間使用翹墊片的效果更好，扭矩-RMSD折線斜率大于使用平墊片的情況，且不同扭矩間的RMSD數(shù)值差也大于使用平墊片的情況。

圖10　阻抗實(shí)部RMSD值Fig.10　RMSD value of impedance real part

圖11　1#～4#螺栓無(wú)墊片工況下RMSD值(頻率范圍50～500 kHz)Fig.11　RMSD value of bolts No.1-4 without washer (frequency range: 50-500 kHz)

3.24個(gè)螺栓試驗(yàn)

4個(gè)螺栓的試驗(yàn)主要用于研究臨近螺栓間的相互干擾情況。螺栓1在不同松動(dòng)情況下，4個(gè)螺栓的RMSD值的情況如圖11～圖14所示。

圖12　1#～4#螺栓無(wú)墊片工況下RMSD值(頻率范圍200～300 kHz)Fig.12　RMSD value of bolts No.1-4 without washer (frequency range: 200-300 kHz)

圖131～4#螺栓翹墊片工況下RMSD值(頻率范圍50～500 kHz)Fig.13　RMSD value of the No.1-4 bolt with bending washer (frequency range: 50-500 kHz)

圖14　1～4#螺栓翹墊片工況下RMSD值(頻率范圍200～300 kHz)Fig. 14　RMSD value of bolts No.1-4 using bending washer (frequency range: 200-300 kHz)

對(duì)比無(wú)墊片情況下的4個(gè)螺栓的RMSD值曲線，可以發(fā)現(xiàn)：不使用墊片的情況下，隨著螺栓1扭矩增大，螺栓1的RMSD值呈明顯下降趨勢(shì)，但同時(shí)對(duì)螺栓2#～4#的RMSD值造成了較大的干擾，不利于對(duì)螺栓松動(dòng)情況的準(zhǔn)確判斷。

對(duì)比使用翹墊片情況下的4個(gè)螺栓的RMSD值曲線，可以發(fā)現(xiàn)：使用翹墊片的情況下，隨著螺栓1扭矩增大，螺栓1的RMSD值呈明顯下降趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)螺栓2～4的RMSD值基本不造成干擾，使用翹墊片可以有效隔離減小臨近螺栓松動(dòng)引起的信號(hào)干擾。

4結(jié)論

綜上所述，將PZT片粘貼在翹墊片上的方法隨扭矩增大，RMSD值有明顯的減小趨勢(shì)。且從4個(gè)螺栓相互干擾的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，使用翹墊片的方法感應(yīng)范圍集中于墊片的螺栓與主體結(jié)構(gòu)連接部分，故受到的干擾也較小，非常有效地隔離了臨近螺栓松動(dòng)對(duì)信號(hào)的干擾，對(duì)螺栓松動(dòng)的敏感性更高。

后期研究可以進(jìn)一步在這種特制墊片上集成可以進(jìn)行阻抗計(jì)算的AD5933模塊和無(wú)線供能和傳輸模塊[11]，而不需再使用體積較大的阻抗分析儀，更大程度上提高這種方法的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

References:

[1]宋琛琛，謝麗宇，薛松濤. 壓電阻抗技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J]. 結(jié)構(gòu)工程師, 2014(6): 67-76.

SONG Chen-chen, XIE Li-yu, XUE Song-tao. Review of Piezoelectric Impedance-based Structural Health Monitoring[J]. Structure Engineers, 2014(6): 67-76.

[2]PARK G, SOHN H, FARRAR C R. Overview of Piezoelectric Impedance-based Health Monitoring and Path Forward [J]. Shock and Vibration Digest, 2003，35(6): 451-464.

[3]LIANG C, SUN F P, RPGERS C A. Coupled Electro-mechanical Analysis of Adaptive Material Systems Determination of the Actuator Power Consumption and System Energy Transfer [J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 1997, 8(4): 335-343.

[4]PARK G, CUDNEY H H, INMAN D J. Feasibility of Using Impedance-based Damage Assessment for Pipeline Structures [J]. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2001, 30(10): 1463-1474.

[5]葉亮，張有忱，丁克勤，等. 基于壓電阻抗法的機(jī)械螺栓組松動(dòng)監(jiān)測(cè)及識(shí)別[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2013, 13(18): 5172-5176.

YE Liang, ZHANG You-chen, DING Ke-qin, et al. Monitoring and Localization of Loosened Bolts Based on E/M Impedance Method[J]. Science Technology and Engineering, 2013, 13(18): 5172-5176.

[6]郭諄欽. 基于PZT的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2002.

GUO Zun-qin. Research on Structure Health Monitoring Technology Based on PZT [D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2002.

[7]ONG C W, YANG Y, WONG Y T, et al. Effects of Adhesive on the Electromechanical Response of A Piezoceramic Transducer Coupled Smart System [C]//2002 International Conference on Smart Materials, Structures and Systems. Bangalore: SPIE, 2003: 241-247.

[8]TAWIE R, LEE H K. Monitoring the Strength Development in Concrete by EMI Sensing Technique [J]. Construction and Building Materials, 2010, 24(9): 1746-1753.

[9]馮偉. 應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電阻抗技術(shù)研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué), 2007.

FENG Wei. Study on Piezoelectric Impedance Technology for Structural Health Monitoring [D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2007.

[10]PARK G, KABEYA K, CUDNEY H H, et al. Impedance-based Structural Health Monitoring for Temperature Varying Applications [J]. JSME International Journal Series A: Solid Mechanics and Material Engineering，1999, 42(2): 249-258.

[11]KIM J T, NGUYEN K D, PARK J H. Wireless Impedance Sensor Node and Interface Washer for Damage Monitoring in Structural Connections [J]. Advances in Structural Engineering, 2012, 15(6): 871-885.

Experimental Study of Bolt Loosening Detection Based on Piezoelectric Impedance Technology

SONG Chen-chen1，XIE Li-yu1，XUE Song-tao1,2

(1.Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Faculty of Engineering, Tohoku Institute of Technology, Sendai 982-8577, Japan)

Abstract：In order to monitor the tightness of bolts, a kind of special washer with PZT piece is designed. The PZT pieces are attached to different shaped washers or directly attached to the structural surface near the bolts for the contrast experiments between them. The variation of the spectrum characteristic parameters including the resonant frequency, the amplitude, and the damage coefficient of the PZT using various monitoring methods under different degrees of bolt tightness are studied. The experimental result shows that the RMSD value of PZT piece in the method of attaching to the bending washer obviously decreases with the increase of the bolt torque. The experimental result of mutual interference of 4 bolts shows that the sensing range of using bending washer is concentrated in the connecting part of the bolt and the main structure, it effectively isolates the interference of the loosening of adjacent bolts on the signal, and it has the higher sensitivity to the bolt loosening.

Key words：traffic engineering；bolt loosening monitoring; impedance analysis; piezoelectric material

中圖分類(lèi)號(hào)：U491.5+9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)04-0113-07

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.018

作者簡(jiǎn)介：宋琛琛(1989-)，男，山西高平人，博士.(chenchen_song@126.com)

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51208377)

收稿日期：2014-09-22