廖付陽，楊東儒，趙小波，姚英邦，陶 濤，梁 波，肖志明，魯圣國（通信作者）

（1 廣東省智能材料和能量轉(zhuǎn)化器件工程技術(shù)研究中心 廣東 廣州 510006）

（2 廣東省功能軟凝聚態(tài)物質(zhì)重點實驗室 廣東 廣州 510006）

（3 廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 廣東 廣州 510006）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，人民群眾的生活水平正在不斷提高。目前工程結(jié)構(gòu)正在向大型化、多樣化、復(fù)雜化方向發(fā)展，例如航空航天、土木建筑、橋梁、軍事設(shè)施等工程結(jié)構(gòu)貫穿人類生活的方方面面，安全歷來都是最受人們關(guān)注的熱點問題。如何避免建筑結(jié)構(gòu)因材料老化，服役時環(huán)境的影響、疲勞效應(yīng)以及其他方面的物理化學(xué)影響下發(fā)生災(zāi)難性的事故，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究逐漸成為工程領(lǐng)域一個十分重要的研究課題。這些大型結(jié)構(gòu)如房屋、橋梁、堤壩等的使用壽命往往長達(dá)幾十年甚至上百年，如果不能預(yù)見因結(jié)構(gòu)損傷帶來的突發(fā)事故，很可能會造成非常嚴(yán)重的影響，對人們的生命財產(chǎn)以及國家安全造成極大的破壞[1]。

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳感器技術(shù)的應(yīng)用，“可穿戴”的健康監(jiān)測系統(tǒng)即接觸式傳感系統(tǒng)也得到了進(jìn)一步發(fā)展，不論是應(yīng)用于人體還是應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)（structural health monitoring,SHM）[2-3]，如今普遍存在靈敏度不高、信噪比較低以及分析結(jié)果誤差較大等問題。懸臂梁結(jié)構(gòu)較為簡單，在實驗中對其結(jié)構(gòu)等效后易于研究。對基于固有頻率識別的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，接觸式傳感器往往會對被測結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。因此，本文針對非接觸式激光測振儀、搭配數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對不同材料及損傷結(jié)構(gòu)懸臂梁進(jìn)行了測試，研究了結(jié)構(gòu)損傷于監(jiān)測信號的對應(yīng)關(guān)系。

1 研究方法

1.1 基本原理

1.1.1 虛擬儀器概述

在工業(yè)測試，故障診斷、模態(tài)分析等各個領(lǐng)域中測試儀器的應(yīng)用是非常廣泛的，專用的動態(tài)測試分析儀器精度高、功能多，但是造價昂貴操作也比較復(fù)雜，最重要的是無法擴(kuò)展。而隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)的強(qiáng)大功能愈加突出，利用這些相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)了傳統(tǒng)儀器的部分或全部功能，并基本克服了上述缺點。因此虛擬儀器應(yīng)運而生[4]。

搭配NI 的數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計基于Labview[5]平臺的一套能夠?qū)崟r監(jiān)測傳感器的振動數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集軟件前面板與主要程序框圖分別見圖1 和圖2。

1.1.2 損傷識別辦法

基于固有頻率的結(jié)構(gòu)損傷識別辦法[6]，在眾多基于模態(tài)參數(shù)識別的方法中，是較容易實現(xiàn)的。因為固有頻率容易獲取，且損傷的發(fā)生造成結(jié)構(gòu)剛度降低、阻尼增加，造成固有頻率的損失，而結(jié)構(gòu)質(zhì)量的變化可以忽略不計。結(jié)構(gòu)的固有頻率與其剛度、彈性模量相關(guān)。因此，基于固有頻率的損傷識別辦法已經(jīng)被廣泛用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中[7]。

根據(jù)歐拉-伯努利懸臂梁模型，得到等截面梁的動力學(xué)方程[8]：

懸臂梁的主振型即式（1）的解設(shè)為：

將式（2）代入式（1）中可得：

其中C i(i= 1 - 4)和ω應(yīng)滿足的頻率方程由懸臂梁的邊界條件確定。

當(dāng)懸臂梁的初始條件為一端固定，一端自由時，固定端撓度和截面轉(zhuǎn)角為0，即φ(0) = 0，φ′ (0) = 0,自由端的彎矩和截面剪力為0，即φ′ (l) = 0,φ′(l) = 0,代入式（4）可得：

解出上述頻率方程可得：當(dāng)i=1，2，3 時，1lβ=1.875，β2l=4.694，β3l=7.855;當(dāng)i≥3 時π（i=3，4，…）。

各階固有頻率為：

因此，結(jié)構(gòu)固有頻率與其健康狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，相應(yīng)的固有頻率也發(fā)生變化。

1.2 實驗系統(tǒng)

1.2.1 實驗試件

實驗試件選用了兩種材料，第1 種材料為6 061 鋁合金，材料參數(shù)為彈性系數(shù)68.9 GPa，泊松比0.33。第2種材料為Q235 碳鋼，材料參數(shù)為彈性系數(shù)為2e11Pa，泊松比為0.31，密度為7 850kg/m3。懸臂梁尺寸見圖3，外形尺寸為420 mm×25 mm×4 mm。其中固定端深入長度為20 mm，振動長度為600 mm。通過激光切割在懸臂梁上切掉長度不等的圓環(huán)形缺口來模擬損傷，不同類型尺寸的懸臂梁實驗試件的損傷長度分別120 mm 和80 mm。為了表述方便，將損傷長度為120 mm 的碳鋼懸臂梁試件定為A，損傷長度為80 mm 的碳鋼懸臂梁試件定為B，將未損傷碳鋼懸臂梁試件定為C，損傷長度為120 mm 的鋁合金懸臂梁試件定為D，損傷長度為80 mm 的鋁合金懸臂梁試件定為E，未損傷6 061 鋁合金懸臂梁試件定為F[9]。

1.2.2 實驗裝置

搭建好的實驗裝置見圖4。物品清單分別是：臺虎鉗，90 度角碼，M10 螺母，實驗試件，砝碼，光纖傳感器，數(shù)據(jù)采集卡，臺式計算機(jī)。以下詳細(xì)介紹各個部件作用及參數(shù)。

（1）臺虎鉗的作用是為了固定連接實驗試件的90 度角碼。選用的是滿安五金公司生產(chǎn)的5 寸重型臺虎鉗，總質(zhì)量為11 kg。為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性且不影響實驗試件的自由運動，臺虎鉗的質(zhì)量相較于實驗試件應(yīng)該足夠大。

（2）90 度角碼的作用是連接并穩(wěn)定實驗試件，一頭使用螺母固定實驗試件，一頭夾在鉗口里面。因為臺虎鉗的鉗口朝上而實驗試件為橫向放置。

（3）M10 螺母是為了固定角碼和實驗試件。

（4）實驗試件已在上節(jié)介紹。

（5）砝碼的作用是為了給實驗試件一個初始速度。

（6）信號調(diào)理電路板為定制的電路板。

（7）數(shù)據(jù)采集卡選用的是NI 公司的USB-6001。

（8）裝有數(shù)據(jù)采集軟件的計算機(jī)為個人電腦。

2 過程討論

2.1 實驗步驟

將實驗系統(tǒng)按圖示正確連接好之后，用輕繩將砝碼系在懸臂梁的自由端。將測振控制器接上電源，速度解碼口連接到數(shù)據(jù)采集卡，然后將數(shù)據(jù)采集卡通過USB接口連接到PC機(jī)。實驗證明，將控制器的速度檔位設(shè)置成50 mm/s/V 得到的結(jié)果較為良好。然后將激光測振儀通過專用光纜連接到測振控制器，最后調(diào)節(jié)光纖探頭聚焦，確保打在懸臂梁上的激光能夠反射回探頭，測振控制器里有個信號指示燈，當(dāng)反射回光纖探頭的信號達(dá)到要求時，就可以開始振動實驗了。打開PC 機(jī)運行Labview 程序。點擊前面板的開始采集按鈕啟動數(shù)據(jù)采集，待系統(tǒng)穩(wěn)定之后，然后馬上用剪刀剪短細(xì)繩，此時懸臂梁會做自由振動，光纖傳感器將振動信號轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號輸出到PC 機(jī)[10]。待懸臂梁恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)之后，點擊前面板的停止采集按鈕，然后保存數(shù)據(jù)。

2.2 實驗結(jié)果

2.2.1 Q235 碳鋼懸臂梁

以下數(shù)據(jù)均為在采樣率設(shè)置為500 S/s 的條件下采集得到，在剪短細(xì)繩之后，懸臂梁在豎直方向上做往復(fù)衰減運動。由于是先啟動上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集程序，然后再剪短細(xì)繩。所以有些時域信號一開始幾乎處于0 的位置。待系統(tǒng)穩(wěn)定下來之后，結(jié)束數(shù)據(jù)采集程序。把數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel，采用Python 做數(shù)據(jù)分析。

圖5 ～7 分別為試件A、B、C 的實驗結(jié)果。從圖中時間信號可以看出，懸臂梁從振動狀態(tài)恢復(fù)至平穩(wěn)狀態(tài)隨著損傷的程度越大恢復(fù)時間越長。這是由于損傷的存在導(dǎo)致剛度下降，所以恢復(fù)的時間變長。健康懸臂梁從非平衡位置恢復(fù)到平衡位置所消耗的時間，幾乎是有損傷懸臂梁的1/3。這也從側(cè)面說明，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時穩(wěn)定性也會一定程度上降低幾個數(shù)量級。從頻域的角度看，A、B、C 3個試件中，每個頻域圖都出現(xiàn)了極大值，這與上述相關(guān)理論知識是相符的。其中C 的固有頻率最高，為57.72 Hz，對應(yīng)的是健康狀態(tài)下的懸臂梁的固有頻率，A 的固有頻率最低，為46.32 Hz。隨著損傷的程度越大，對應(yīng)固有頻率降低，從而以固有頻率的降低為指標(biāo)，判定結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。實驗結(jié)果說明，通過固有頻率來監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷是可行的，也與實際理論相對應(yīng)。

頻譜圖中，每個實驗試件固有頻率點對應(yīng)的幅值都比較大，這是因為在數(shù)據(jù)處理的過程中，沒有對幅值做歸一化處理，而且幅值也不是主要的關(guān)注對象，因此每個實驗試件固有頻率所對應(yīng)的幅值都比較大。

2.2.2 6 061 鋁板懸臂梁

為了分析不同材料對于固有頻率識別損傷的可靠性，搭建了鋁合金材料的實驗系統(tǒng)，獲取了鋁合金材料在同樣條件下的振動特性。圖8 ～10 分別為試件D、E、F 的實驗結(jié)果。從圖中可以看出，健康狀態(tài)下的鋁合金懸臂梁的固有頻率比碳鋼高。結(jié)合其他兩種不同損傷情況的懸臂梁可以看出，鋁合金懸臂梁從非平衡狀態(tài)恢復(fù)至平衡狀態(tài)的時間相較于碳鋼要稍長一些，這是因為鋁合金的彈性模量遠(yuǎn)低于碳鋼的彈性模量。從頻域上角度看，D、E、F 3 個試件中，其中F 的固有頻率最高，為67.53 Hz，對應(yīng)的是健康狀態(tài)下鋁合金懸臂梁的固有頻率。D 的固有頻率最低，為51.21 Hz?？傮w上符合隨著損傷程度的增大，結(jié)構(gòu)的固有頻率明顯降低這一規(guī)律。

3 結(jié)論

本文利用光纖傳感器，通過Labview 編寫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，搭建了一套能夠?qū)崟r監(jiān)測懸臂梁振動信號的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)過實驗驗證，可以準(zhǔn)確提取結(jié)構(gòu)的振動信號并提取損傷特征。對于碳鋼材料懸臂梁，健康狀態(tài)下提取的固有頻率是57.72 Hz。當(dāng)發(fā)生損傷時，下降到54.26 Hz。當(dāng)損傷進(jìn)一步擴(kuò)大時，固有頻率下降為46.32 Hz。當(dāng)懸臂梁材料為鋁合金時，也得出了類似的結(jié)論。

該結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)利用多普勒原理計算結(jié)構(gòu)的振動速度或位移，輸出精度高。本文說明依據(jù)固有頻率識別結(jié)構(gòu)損傷的可靠性，可在更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)損傷識別情況中推廣。