張 軍,羅德昌,丁鵬飛
(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)
壓電阻抗(electro-mechanical impedance,EMI)技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù),在結(jié)構(gòu)損傷識別的研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛;與傳統(tǒng)的健康診斷技術(shù)相比,其具有操作簡單、結(jié)果直觀準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
近年來,國內(nèi)外的學(xué)者將壓電阻抗技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷研究中,并且取得了一定的研究成果。王濤等學(xué)者[1-5]針對工程應(yīng)用中螺栓松動問題,進(jìn)行了基于壓電阻抗技術(shù)的螺栓松動監(jiān)測實(shí)驗(yàn);陶娟等[6]驗(yàn)證了將壓電阻抗法應(yīng)用于構(gòu)造地震預(yù)測的可行性;張軍等[7]針對小型直流電機(jī)工作時出現(xiàn)的振動噪聲問題,通過實(shí)驗(yàn)確定了同頻共振是噪聲產(chǎn)生的原因;段磊光等[8]針對固體推進(jìn)劑的老化的問題,構(gòu)建了基于線粘彈桿的結(jié)構(gòu)一維機(jī)電耦合模型,并對模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證;陳剛等[9]針對導(dǎo)管架平臺節(jié)點(diǎn)受循環(huán)載荷影響易受到疲勞損傷導(dǎo)致破壞問題,對導(dǎo)管架平臺上的典型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了疲勞加載試驗(yàn);邵俊華等[10]探究了采用壓電阻抗中峰值頻率變化表征金屬材料彈性變形狀態(tài)的方法的可行性;XU D Y等[11]提出了基于諧振頻率的標(biāo)量損傷度量方法,對結(jié)構(gòu)不同位置的裂紋進(jìn)行了分析;WU Y G等[12]建立了壓電陶瓷換能器與結(jié)構(gòu)間機(jī)電耦合的三維數(shù)值模型,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證;S MASMOUDI等[13]將壓電傳感器埋入復(fù)合材料中,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了壓電傳感器會對復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。
質(zhì)量流量計(jì)是準(zhǔn)確且高效的流量測量儀表,但要想檢測其高信號自振頻率仍十分困難的。因此,為了防止其自振頻率過高,質(zhì)量流量計(jì)U型管(以下簡稱U型管)的管壁一般都設(shè)計(jì)得比較薄,但這會導(dǎo)致U型管易受到外界振動的干擾,影響質(zhì)量流量計(jì)的性能。
本文通過對U型管施加一定頻率的動態(tài)信號,模擬其在正常工作狀況下所受到的外界干擾,再利用實(shí)驗(yàn)的方法對其阻抗(導(dǎo)納)頻譜的變化進(jìn)行研究。
EMI技術(shù)主要是通過壓電材料的機(jī)電耦合效應(yīng)來工作的,其采用PZT4型壓電陶瓷片;對粘貼于結(jié)構(gòu)上的PZT4施加激勵,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生機(jī)械振動,然后通過壓電效應(yīng)在PZT4內(nèi)產(chǎn)生電信號,測量分析PZT4與結(jié)構(gòu)耦合電阻抗來獲得結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗,從而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)固有屬性的研究[14]。
1、2、3對應(yīng)x、y、z坐標(biāo)軸方向,4、5、6對應(yīng)繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)方向。
其正壓電方程[15]為:
(1)
逆壓電方程為:
(2)
單自由度彈簧-質(zhì)量-阻尼(spring-mass-damper,SMD)系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 單自由度SMD系統(tǒng)模型
系統(tǒng)的激振力F,機(jī)械阻抗ZS和響應(yīng)位移X的關(guān)系可表示為:
(3)
(4)
(5)
聯(lián)立上式可得:
(6)
F=-KDX
(7)
式中:C—系統(tǒng)阻尼,N/(mm·s-1);m—系統(tǒng)質(zhì)量,g;ω—激振頻率,Hz;ωn—系統(tǒng)諧振頻率,Hz;j—虛數(shù)單位。
PZT4與單自由度SMD系統(tǒng)耦合模型如圖2所示。
圖2 PZT4與SMD系統(tǒng)耦合模型
耦合模型的振動位移為:
(8)
(9)
PZT4自由狀態(tài)時的振動位移為:
(10)
PZT4的機(jī)械阻抗為:
(11)
PZT4的電導(dǎo)納為:
(12)
(13)
PZT4的電阻抗為:
(14)
由上述結(jié)果可知,PZT4與結(jié)構(gòu)耦合的電阻抗主要受PZT4自身特性以及耦合系統(tǒng)的機(jī)械阻抗的影響。
筆者搭建的聲音采集處理實(shí)驗(yàn)平臺如圖3所示。
圖3 聲音采集處理實(shí)驗(yàn)平臺
圖3中,實(shí)驗(yàn)平臺由聲級計(jì)、NI高速數(shù)據(jù)采集卡以及電腦組成,電腦內(nèi)裝有LabVIEW可視化聲音采集及處理軟件。
2.1.1 實(shí)驗(yàn)方法和步驟
實(shí)驗(yàn)方法和步驟如下:首先對U型管進(jìn)行激振,使U型管發(fā)出聲音,通過聲級計(jì)測量將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號;再由高速采集卡將聲級計(jì)的數(shù)據(jù)返回電腦上,通過LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)可視化,并經(jīng)過快速傅里葉變換將時域信號變?yōu)轭l域信號;最后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到實(shí)驗(yàn)圖像。
2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
聲音實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
圖4中,U型管在2 070 Hz、2 440 Hz、3 102 Hz、5 300 Hz處的波峰較為明顯,這些頻率即為U型管的固有模態(tài)頻率。由于外界干擾會影響采集到的聲音信號,得到的波形雜亂,并且實(shí)驗(yàn)需要對U型管進(jìn)行敲擊,敲擊力度的大小會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。
圖4 聲音實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像
為了排除外界因素對實(shí)驗(yàn)的干擾,筆者將通過EMI技術(shù)對U型管的模態(tài)頻率進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
在激勵頻率確定的情況下,阻抗值的大小受到PZT4和耦合結(jié)構(gòu)體的機(jī)械阻抗影響,本次實(shí)驗(yàn)主要觀察PZT4和U型管耦合時阻抗的變化。
2.2.1 實(shí)驗(yàn)方法步驟
此處搭建的阻抗實(shí)驗(yàn)平臺以及阻抗實(shí)驗(yàn)原理圖如圖5所示。
圖5 阻抗實(shí)驗(yàn)平臺以及實(shí)驗(yàn)原理圖
圖5中,阻抗實(shí)驗(yàn)平臺主要由WK6500B精密阻抗儀、PZT4壓電片、U型管以及導(dǎo)線組成;實(shí)驗(yàn)所需其他器材還包括導(dǎo)電銀膠、硬化劑、丙酮以及電焊臺等。
實(shí)驗(yàn)步驟如下:(1)打磨U型管的表面,并用丙酮擦拭,將導(dǎo)電銀膠和硬化劑按比例混合均勻后,涂抹在U型管的表面,粘貼PZT4-1并輕輕按壓使PZT4-1與U型管接觸完全;(2)等待PZT4-2與U型管表面粘貼牢固后,在PZT4-1和U型管表面分別焊接一根引出導(dǎo)線通過夾具連接阻抗儀;(3)設(shè)定實(shí)驗(yàn)測量相關(guān)參數(shù),進(jìn)行實(shí)驗(yàn);(4)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果分類做好標(biāo)記,用Origin繪制實(shí)驗(yàn)所得的阻抗頻譜圖。
2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
筆者對U型管進(jìn)行了阻抗模態(tài)實(shí)驗(yàn),得到的阻抗頻譜如圖6所示。
圖6 阻抗實(shí)驗(yàn)頻譜圖
當(dāng)掃頻頻率接近管件的固有頻率時,會發(fā)現(xiàn)共振現(xiàn)象,能聽到U型管發(fā)出尖銳的鳴叫聲。
由實(shí)驗(yàn)得到U型管模態(tài)頻率如表1所示。
表1 阻抗試驗(yàn)的模態(tài)頻率
觀察表1中的頻率值可知,聲學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到的頻率,在阻抗實(shí)驗(yàn)中都能得到相應(yīng)頻率與此對應(yīng);對比聲音實(shí)驗(yàn)可知,阻抗實(shí)驗(yàn)的圖形較為穩(wěn)定,沒有過多雜亂的波形,阻抗峰值點(diǎn)突變也比較明顯,且得到的共振頻率點(diǎn)也比較多,實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。
在阻抗實(shí)驗(yàn)中,PZT4片要粘貼在U型管上,但粘貼PZT4可能會對其固有特性產(chǎn)生影響。因此,本次實(shí)驗(yàn)就要對U型管進(jìn)行模態(tài)分析,分析其未粘貼PZT4時的模態(tài)頻率。
通過模態(tài)分析得到的模態(tài)頻率如表2所示。
表2 模態(tài)分析的模態(tài)頻率
U型管的應(yīng)力主要集中在管壁處,越靠近管道口應(yīng)力越大,因此,在粘貼PZT4片時,沿管道方向粘貼對U型管的激振效果好。
將阻抗試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,其數(shù)據(jù)對比圖如圖7所示。
圖7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比圖
由圖7可知:阻抗實(shí)驗(yàn)與模態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的各階頻率基本一致;由此可見,粘貼PZT4對U型管的模態(tài)頻率的影響較小,通過阻抗實(shí)驗(yàn)獲得U型管模態(tài)頻率的方法是可行的。
大多數(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境都有一定的干擾,在這種狀態(tài)下檢測結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)是有困難的。
此處通過對U型管施加動態(tài)信號模擬其在正常工作所受的干擾,所搭建的施加動信號的阻抗實(shí)驗(yàn)平臺以及實(shí)驗(yàn)原理圖,如圖8所示。
圖8 加載動態(tài)信號的阻抗實(shí)驗(yàn)平臺以及實(shí)驗(yàn)原理圖
對U型管施加正弦動態(tài)信號,觀察其阻抗(導(dǎo)納)的變化,驗(yàn)證EMI技術(shù)應(yīng)用在動態(tài)信號激勵實(shí)驗(yàn)中的可行性。
根據(jù)施加動態(tài)信號頻率值的大小,對共振區(qū)施加動態(tài)信號的研究,可分為共振頻率與非共振頻率研究;施加頻率為2 500 Hz、3 442 Hz(共振頻率)、2 700 Hz、3 000 Hz(非共振頻率)。
加載動態(tài)信號后導(dǎo)納頻譜如圖9所示。
圖9 導(dǎo)納頻譜圖
由圖9可以看出:加載動態(tài)信號后,導(dǎo)納圖像會出現(xiàn)范圍不等的波動現(xiàn)象,這是由于導(dǎo)納曲線的上下波動造成的;激勵頻率越大,其導(dǎo)納值波動越大,但是僅通過導(dǎo)納頻譜圖想要區(qū)別出施加共振頻率還是非共振頻率是有困難的,需要通過數(shù)學(xué)方法分析,引入導(dǎo)納均方根偏差法對實(shí)驗(yàn)前后導(dǎo)納值的偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì),以此來研究施加動態(tài)信號對U型管導(dǎo)納值的影響。
定義影響指標(biāo)MI[16]如下:
(15)
不同頻率的影響指標(biāo)圖如圖10所示。
圖10 不同頻率的影響指標(biāo)圖
共振信號的影響指標(biāo)大于非共振信號,所以施加共振信號時,對U型管導(dǎo)納的影響大于施加非共振信號時的影響;在實(shí)驗(yàn)過程中,施加共振信號,當(dāng)掃頻頻率接近所加頻率時,會聽見管件發(fā)出刺耳的聲音,而施加非共振信號在實(shí)驗(yàn)過程中沒有發(fā)出刺耳的尖叫聲。
低頻非共振區(qū)頻率范圍為f≤2 kHz,此處設(shè)定阻抗儀的頻率掃頻范圍為100 Hz~1 100 Hz,依次設(shè)定好函數(shù)信號頻率為200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz,施加動態(tài)信號進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
在實(shí)驗(yàn)過程中,筆者發(fā)現(xiàn)導(dǎo)納圖像變化規(guī)律不明顯,故以阻抗值為研究參數(shù),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,繪制的阻抗頻譜圖如圖11所示。
圖11 阻抗頻譜圖
圖11中,施加低頻動態(tài)信號后,U型管的阻抗曲線在所加的動態(tài)信號附近阻抗值會發(fā)生突變,且隨著所加頻率值的增加阻抗突變的峰值在減小,在200 Hz左右的共振效果最好。
設(shè)定函數(shù)信號器的發(fā)生頻率為40 kHz、50 kHz、60 kHz、70 kHz,對U型管進(jìn)行施加動態(tài)信號阻抗實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)阻抗頻譜圖如圖12所示。
圖12 阻抗頻譜圖
圖12中,加載高頻非共振信號后,U型管的整體阻抗值變大,但相較于在共振段、低頻非共振段,阻抗值沒有明顯的突變,所以在高頻非共振區(qū)施加動態(tài)信號對U型管的影響較小。
綜上所述,施加頻率信號會影響U型管的阻抗。在共振區(qū),施加共振信號后,當(dāng)掃頻頻率接近信號頻率時,會出現(xiàn)明顯的共振現(xiàn)象,通過分析對比發(fā)現(xiàn)施加共振頻率信號對U型管導(dǎo)納的影響比施加非共振頻率信號的大;在低頻非共振區(qū),施加動態(tài)頻率信號,U型管的阻抗值會增大,在所加的動態(tài)頻率信號處U型管的阻抗會發(fā)生突變,在該信號頻率處也會發(fā)生共振,且200 Hz處的共振效果好;在高頻非共振區(qū),加載高頻非共振信號,阻抗值變大,整個過程中并未發(fā)現(xiàn)明顯共振現(xiàn)象,所以對U型管的影響較小。
本文以質(zhì)量流量計(jì)U型管為研究對象,對其進(jìn)行加載動態(tài)信號后的壓電阻抗實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證將EMI技術(shù)應(yīng)用于動態(tài)信號激勵U型管中研究的可行性,得到如下結(jié)論:
(1)通過對比阻抗實(shí)驗(yàn)和模態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的模態(tài)頻率,阻抗實(shí)驗(yàn)與模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,驗(yàn)證了粘貼的PZT對U型管的頻率特性的影響較小,同時驗(yàn)證了通過阻抗實(shí)驗(yàn)獲得U型管模態(tài)頻率是可行的;
(2)通過對U型管施加動態(tài)信號發(fā)現(xiàn),當(dāng)頻率在200 Hz處時U型管有明顯的共振現(xiàn)象;
(3)在共振區(qū)施加動態(tài)信號,對U型管的固有屬性都有一定的影響。施加共振信號后影響指標(biāo)達(dá)到了0.8以上,而非共振信號的影響指標(biāo)在0.5左右,所以共振信號對U型管導(dǎo)納的影響大于施加非共振信號時的影響,驗(yàn)證了EMI技術(shù)在動態(tài)信號激勵下的U型管固有特性研究的可行性及有效性。