[發(fā)明專利]一種帶有溫度補償功能的壓電阻抗監(jiān)測系統(tǒng)及方法

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• 申請日: 2019-12-06
• 公開（公告）號: CN110895258A
• 公開（公告）日: 2020-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘇宇航;李繼承;楊寧祥;林曉明
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東省特種設(shè)備檢測研究院珠海檢測院
• 主分類號: G01N27/02
• 分類號: G01N27/02;G01R27/02
• 代理公司: 北京連城創(chuàng)新知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11254
• 代理人: 劉伍堂

本發(fā)明涉及一種帶有溫度補償功能的壓電阻抗監(jiān)測系統(tǒng)及方法，包括：設(shè)置于被監(jiān)測結(jié)構(gòu)上的壓電傳感器和溫度傳感器；與所述壓電傳感器和溫度傳感器分別相連的電阻抗測量系統(tǒng)，用于測量不同溫度下的壓電傳感器的電阻抗信號，根據(jù)該電阻抗信號獲取作為補償參數(shù)的諧振頻率偏移量，并對該諧振頻率偏移量進行線性擬合；與所述電阻抗測量系統(tǒng)相連的計算機，用于存儲顯示擬合函數(shù)結(jié)果。本發(fā)明能夠抵消掉溫度的影響，為壓電阻抗法結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在戶外大型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供了硬件系統(tǒng)及解決方法，進一步提高對被監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于壓電阻抗法結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶有溫度補償功能的壓電阻抗監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

壓電阻抗法結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是二十世紀(jì)末新發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法。與傳統(tǒng)的基于模態(tài)分析的全局損傷檢測技術(shù)相比，壓電阻抗技術(shù)的工作頻率較高，一般在30kHz以上，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部激勵的波動信號波長小，因而對結(jié)構(gòu)的初始微小損傷非常敏感，具有很高的檢測靈敏度。該方法不依賴模型分析，對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在不進行精確建模的情況下即可實現(xiàn)損傷的定性檢測，避免了高頻分析帶來的困難。所使用的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(piezoelectric ceramic,PZT)傳感器具有靈敏度高、反應(yīng)速度快、長期穩(wěn)定性好、線性范圍大等優(yōu)點，可以同時作為驅(qū)動器和傳感器使用，非常適宜于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測。同時PZT傳感器質(zhì)量輕，對主體結(jié)構(gòu)工作性能的影響較小，可以粘貼于在役結(jié)構(gòu)表面或埋入新建結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行健康監(jiān)測。目前，壓電阻抗技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天、精密機械、土木建筑等多個領(lǐng)域，在結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測研究中具有廣闊的應(yīng)用前景。

在大型結(jié)構(gòu)的壓電阻抗法監(jiān)測現(xiàn)場，作為傳感器的PZT片大多是采用表面粘貼的方法固定于被監(jiān)測結(jié)構(gòu)表面，在實際應(yīng)用過程中，首先在結(jié)構(gòu)處于正常無損傷狀態(tài)時對PZT傳感器的電阻抗值進行初始測量，之后在不同的損傷狀態(tài)下測量PZT傳感器的電阻抗值，通過對比電阻抗譜中諧振峰對應(yīng)頻率的偏移情況，可以達(dá)到檢測損傷變化的效果。結(jié)構(gòu)的電阻抗譜取決于結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和阻尼系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量和阻尼保持不變時，結(jié)構(gòu)諧振頻率的偏移直接反映其自身剛度的變化，因此，電阻抗譜中諧振峰偏移量是反映材料變化的本征參量。對于大型結(jié)構(gòu)，由于外界環(huán)境溫度的變化，會導(dǎo)致PZT傳感器在工作過程中不可避免的出現(xiàn)溫度變化，如在-20℃～40℃的溫度范圍內(nèi)波動，隨著溫度的升高，PZT傳感器的介電常數(shù)和壓電系數(shù)會增大，導(dǎo)致不同溫度下PZT傳感器輸出電阻抗信號的變化，表現(xiàn)為電阻抗譜中諧振峰對應(yīng)頻率出現(xiàn)偏移，該偏移情況會疊加到由于被監(jiān)測結(jié)構(gòu)損壞造成的諧振峰偏移中，干擾對被監(jiān)測結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)損傷的判斷。

目前通用的壓電阻抗法結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測裝置是商用阻抗分析儀(如WK6500B)都不包含溫度檢測和補償功能，不同溫度下測得的電阻抗信號可比性差，容易造成最終監(jiān)測結(jié)果的誤判。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種帶有溫度補償功能的壓電阻抗監(jiān)測系統(tǒng)及方法，將溫度測量功能加入到電阻抗測量系統(tǒng)，提供了一種頻率偏移量的補償方法，能夠抵消掉溫度的影響，為壓電阻抗法結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在戶外大型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供了硬件系統(tǒng)及解決方法。

為至少解決上述技術(shù)問題之一，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一方面，本發(fā)明提出了一種帶有溫度補償功能的壓電阻抗監(jiān)測系統(tǒng)，包括：

設(shè)置于被監(jiān)測結(jié)構(gòu)上的壓電傳感器和溫度傳感器；

與所述壓電傳感器和溫度傳感器分別相連的電阻抗測量系統(tǒng)，用于測量不同溫度下的壓電傳感器的電阻抗信號，根據(jù)該電阻抗信號獲取作為補償參數(shù)的諧振頻率偏移量，并對該諧振頻率偏移量進行線性擬合；

與所述電阻抗測量系統(tǒng)相連的計算機，用于存儲顯示擬合函數(shù)結(jié)果。