基于新型壓電傳感的汽車結(jié)構(gòu)健康檢測技術(shù)

盧婉鈺　鄒蘊　吳琳

[摘要]車輛行駛過程中，受復(fù)雜路況及其它因素影響，車體結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生不可預(yù)測的微小損傷。及時檢測車體結(jié)構(gòu)微損傷并采取相應(yīng)維護措施，可降低安全隱患的發(fā)生概率，有效延長車輛使用壽命。本文基于壓電傳感檢測技術(shù)，提出一種高靈敏度車輛車體微損傷檢測方法，解決傳統(tǒng)方法對微損傷檢測分辨率低、對設(shè)備硬件需求高的問題，為車輛工程車體設(shè)計領(lǐng)域提供新思路與新方法。

[關(guān)鍵詞]壓電傳感器 高頻超聲波 車輛 微損傷檢測

一、引言

材料的損傷會降低材料自身的力學(xué)性能。汽車在使用過程中，由于道路環(huán)境的復(fù)雜性，其車體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不可預(yù)測的微損傷。這些微損傷將影響車體結(jié)構(gòu)的牢固性、穩(wěn)定性，并不斷積累、加深，成為車輛安全行駛的隱患，可能引發(fā)難以預(yù)測的嚴(yán)重后果。對車輛車體結(jié)構(gòu)進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)微損傷，采取必要維護措施，不僅能大大降低車輛的維護成本、延長使用壽命，還可為車輛車體設(shè)計領(lǐng)域的革新提供理論參考。因此，建立一種高效的、成本低廉的車輛車體結(jié)構(gòu)檢測方法意義重大，具有巨大的應(yīng)用市場。本文基于高頻超聲波檢測技術(shù)在理論上提出一種車輛車體結(jié)構(gòu)健康檢測方法。

二、結(jié)構(gòu)健康檢測方案

結(jié)構(gòu)健康檢測是一種實時無損檢測方式。在避免材料損傷的前提下，通過材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)對檢測信號的動態(tài)響應(yīng)獲得結(jié)構(gòu)損傷與材料力學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)信息，給出材料健康檢測的理論依據(jù)，提出材料安全使用所對應(yīng)的損傷閾值，指導(dǎo)工程、材料領(lǐng)域安全生產(chǎn)，是材料健康檢測的核心。目前，材料健康檢測系統(tǒng)主要由壓電傳感器、可調(diào)高靈敏度電路及分析軟件模塊組成。壓電傳感器主要探測材料對檢測信號的動態(tài)響應(yīng)，并將所測聲學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號，經(jīng)可調(diào)高靈敏度電路初步處理后，由專業(yè)分析軟件對信號進行系統(tǒng)分析，獲得材料結(jié)構(gòu)健康信息。常用的健康檢測方法有振動模態(tài)法和超聲波法。振動模態(tài)法主要通過材料力學(xué)性質(zhì)改變獲得結(jié)構(gòu)損傷的信息，具有檢測范圍大、操作簡單的優(yōu)點，但是所采用的檢測聲波波長較長，檢測分辨率低，對薄層結(jié)構(gòu)或微小損傷的檢測靈敏度低。而車輛車體一般厚度較薄，因此可選擇基于高頻超聲波法的健康檢測方法。該方法基于高頻瞬態(tài)波的傳播特征檢測材料結(jié)構(gòu)性質(zhì)的改變，推測材料中損傷程度、位置、密度等信息。

三、車輛車體健康檢測方案

隨著新型壓電材料的開發(fā)應(yīng)用，壓電傳感器的頻帶、動態(tài)響應(yīng)、電力轉(zhuǎn)換效率等性能都有了較大提高。最新研究結(jié)果表明，壓電傳感器的電阻抗與被檢測材料的聲阻抗關(guān)系密切，這樣可以將壓電傳感器與專門的可調(diào)電路系統(tǒng)耦合，提高傳感器對聲學(xué)動態(tài)響應(yīng)以及檢測的靈敏度。在車輛車體上合理設(shè)置壓電傳感器，收集車體各部位動態(tài)響應(yīng)信號，經(jīng)由設(shè)計精良的電路系統(tǒng)傳送給車載電腦系統(tǒng)，由專門分析軟件對信號進行處理，實時監(jiān)控汽車車體健康狀態(tài)。

四、信號分析方法

在信號分析方面，有限元數(shù)值模擬可有效處理各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)中超聲波傳播問題，并且給出全場數(shù)值解?；谟邢拊獣r域算法計算超聲波在車體結(jié)構(gòu)中傳播問題時，由于超聲波波長非常短，因此網(wǎng)格單元劃分很小，網(wǎng)格單元數(shù)量巨大，計算量極大，對車載計算機等硬件設(shè)備的要求非常高，從而提高車輛的設(shè)計成本。此外，檢測時間亦大量增加，檢測效率降低。有限元頻域算法利用時間坐標(biāo)的Laplace變換和空間坐標(biāo)的Fourier變換或Hankel變換這種雙積分變換方法對不同頻率分量級數(shù)展開求解高頻超聲波傳輸問題，所需網(wǎng)格單元數(shù)目遠(yuǎn)小于時域算法，計算量大為減少，能夠靈活、高效地處理車輛車體結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)信號。

五、噪聲過濾方案

車輛車體的健康檢測還需充分考慮車身造型以及動力系統(tǒng)噪聲的影響。車體的結(jié)構(gòu)造型決定壓電傳感器的分布方式。在接近發(fā)動機、傳動系統(tǒng)等機械振動較大、安全關(guān)聯(lián)性高的位置，壓電傳感器的分布密度相對要高。由于高頻超聲波在材料中傳播衰減很快，因此，高靈敏度、高分辨率的信號接收、分析系統(tǒng)是車輛車體的健康檢測方法的關(guān)鍵核心。在實際測量中，引入運算放大器，基于壓電傳感設(shè)計負(fù)電阻和負(fù)電容電路，負(fù)電阻可以提高信號的共振峰值，克服系統(tǒng)高頻阻尼，而負(fù)電容可增強力

電耦合作用，提高系統(tǒng)偵測由材料結(jié)構(gòu)微損傷導(dǎo)致的微弱聲波信號的靈敏度。反之，通過已知微損傷，探測材料的微弱動態(tài)響應(yīng)，可獲得電信號與力

電耦合系數(shù)等參數(shù)之間的關(guān)系，進一步修正可調(diào)電路的參數(shù)，識別并過濾噪聲，形成集成的車輛車體實時健康精密檢測系統(tǒng)。

六、結(jié)論

本文基于壓電傳感技術(shù)，提出一種車輛車體結(jié)構(gòu)健康實時監(jiān)控方法。通過在車輛車體排布一定的新型高靈敏壓電傳感器，結(jié)合可調(diào)高靈敏度精密電路，探測車體結(jié)構(gòu)中微小損傷對超聲波信號的動態(tài)響應(yīng)，根據(jù)車體結(jié)構(gòu)微損傷與車體力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，利用車載微型電腦將系統(tǒng)檢測得到超聲電信號進行反演運算，反演車輛車體結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)特征值，評價車輛車體的力學(xué)性能，最終獲得車體結(jié)構(gòu)中微損傷的信息。這種車輛車體健康檢測系統(tǒng)靈活、高效，成本相對低，可有效降低車輛日常維護費用，降低事故發(fā)生率，延長汽車的使用壽命，不僅能夠在社會經(jīng)濟發(fā)展中產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益，還能在理論上指導(dǎo)車輛工程汽車車體設(shè)計領(lǐng)域的創(chuàng)新變革。