溫度對(duì)壓電陶瓷傳感器信號(hào)傳輸?shù)挠绊懷芯?/h1>

2021-10-19 02:47:08程淑蓮穆騰飛

民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究訂閱 2021年3期 收藏

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)技術(shù)壓電復(fù)合材料

程淑蓮 穆騰飛

(1.上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324； 2. 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

飛機(jī)是具備高技術(shù)含量的長(zhǎng)生命周期產(chǎn)品，飛機(jī)結(jié)構(gòu)通常與飛機(jī)同壽。在飛機(jī)運(yùn)行期間，飛機(jī)結(jié)構(gòu)在溫度、濕度和壓力等耦合條件下，長(zhǎng)期承受如疲勞等形式的載荷作用，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致難以避免的結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件功能的下降、甚至失效，引發(fā)災(zāi)難性事故的發(fā)生，如[1]：2001年，一架A300飛機(jī)在空中飛行過(guò)程中，其垂尾與機(jī)體分離，導(dǎo)致悲劇事故；1988年，一架波音737飛機(jī)在空中飛行過(guò)程中，其機(jī)身頂部結(jié)構(gòu)與機(jī)體分離，導(dǎo)致悲劇事故。對(duì)傳統(tǒng)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)而言，其主要結(jié)構(gòu)材料為金屬材料，基于該材料的損傷模式通常表現(xiàn)為疲勞裂紋、凹陷、腐蝕等。隨著材料技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)選材而言，目前的結(jié)構(gòu)材料主要可分為先進(jìn)合金材料和復(fù)合材料兩大類(lèi)，但由于復(fù)合材料具備性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、比強(qiáng)度和比剛度高、抗腐蝕性和抗疲勞性良好、成型能力優(yōu)秀等優(yōu)勢(shì)，在航空領(lǐng)域得到了愈加廣泛的應(yīng)用，如在波音787-8中，纖維加強(qiáng)復(fù)合材料使用比例為50%，在A(yíng)350XWB中，復(fù)合材料應(yīng)用比例高達(dá)52%。可以說(shuō)，先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用程度已經(jīng)成為了現(xiàn)代飛行器先進(jìn)程度的重要指標(biāo)之一[2-3]。相對(duì)金屬材料，復(fù)合材料雖然具備一定優(yōu)勢(shì)，但也存在與金屬材料類(lèi)似的損傷問(wèn)題，這類(lèi)問(wèn)題仍然會(huì)影響到飛機(jī)的運(yùn)行安全與維護(hù)成本等。復(fù)合材料的損傷模式通常表現(xiàn)為纖維斷裂、基體裂紋、纖維基體脫黏、分層等，如何有效地監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的健康狀況，仍然是一項(xiàng)具備挑戰(zhàn)的難題。

為解決上述難題，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(Structural Health Monitoring，簡(jiǎn)稱(chēng)SHM)概念被提出，特別是針對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，已得到了較為快速地發(fā)展[4]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種以結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的在線(xiàn)診斷技術(shù)，該技術(shù)基于布置在結(jié)構(gòu)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)獲取傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，采用信號(hào)處理方法提取信號(hào)特征參數(shù)，通過(guò)分析特征參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而保證結(jié)構(gòu)的使用安全性。通常，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由軟硬件兩個(gè)部分組成：硬件部分主要有傳感器網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)激勵(lì)/采集設(shè)備，用來(lái)激勵(lì)/接收傳感器信號(hào)，以獲取用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的數(shù)據(jù)及信息；軟件部分的核心為信號(hào)分析和處理方法、損傷識(shí)別和監(jiān)測(cè)算法等。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行示意圖如圖1所示。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器的選擇和信號(hào)質(zhì)量，是極其為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

圖1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)

飛機(jī)運(yùn)行安全性，通常會(huì)從運(yùn)行規(guī)則、操作手冊(cè)、系統(tǒng)安全和結(jié)構(gòu)安全四個(gè)方面考慮，其中，為保證飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全，飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)更關(guān)注微小損傷的發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有的飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)按照監(jiān)測(cè)過(guò)程特點(diǎn)可分為兩大類(lèi)：基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)與基于非振動(dòng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)[5]。本文對(duì)基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行論述與分析，基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)需要已知結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，在此基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)中的損傷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這類(lèi)技術(shù)的典型代表方法如下[6]：

1) 模態(tài)法。結(jié)構(gòu)的基本屬性可以用結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣和剛度矩陣來(lái)表征，結(jié)構(gòu)存在損傷時(shí)它的質(zhì)量分布和剛度分布都會(huì)隨之發(fā)生變化，其固有頻率和振型也會(huì)產(chǎn)生改變，基于此特征可開(kāi)展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；在理想情況下，模態(tài)方法能夠?qū)崿F(xiàn)微小損傷的監(jiān)測(cè)，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于邊界條件、驅(qū)動(dòng)力、結(jié)構(gòu)阻尼以及振動(dòng)等影響，模態(tài)法的微小損傷監(jiān)測(cè)具有一定難度。

2) 機(jī)電阻抗法。該方法一般采用低功率的壓電陶瓷片作為傳感器固定在結(jié)構(gòu)上，基于壓電陶瓷的機(jī)電耦合性能以及壓電陶瓷與結(jié)構(gòu)的相互作用，通過(guò)壓電陶瓷與結(jié)構(gòu)結(jié)合后的電阻抗表征結(jié)構(gòu)的機(jī)電阻抗，基于此特征可開(kāi)展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；機(jī)電阻抗法對(duì)微小損傷十分敏感，但這種敏感性會(huì)隨著損傷與傳感器之間距離的增加而快速減弱，如果要監(jiān)測(cè)大面積結(jié)構(gòu)，則需布置大量的傳感器以實(shí)現(xiàn)。

3) 超聲法。該方法使用壓電晶體作為傳感器，該傳感器兼具信號(hào)激勵(lì)與接受能力，激勵(lì)傳感器產(chǎn)生可以穿透結(jié)構(gòu)的超聲波，超聲波在結(jié)構(gòu)邊界處反射，反射波通過(guò)接受傳感器來(lái)感應(yīng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)中存在損傷時(shí)，可以通過(guò)損傷的反射信號(hào)分析開(kāi)展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；該類(lèi)傳感器與結(jié)構(gòu)之間的耦合物質(zhì)通常以油、水等液體為佳，否則傳遞信號(hào)質(zhì)量并不理想，這也限制了超聲法在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

4) 聲發(fā)射法。該方法根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷萌生和擴(kuò)展時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)應(yīng)力波來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷，是一種動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)方法；然而，在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，該方法所接受的瞬態(tài)、不可逆的聲信號(hào)中通常夾雜著其它噪聲源產(chǎn)生的噪聲等信息，目前，工程上很難分離聲發(fā)射信號(hào)和環(huán)境噪聲，這也限制了超聲法在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

5) Lamb波法。該方法通常使用壓電陶瓷傳感器作為信號(hào)激勵(lì)/接受的載體，可同時(shí)用于主動(dòng)監(jiān)測(cè)及被動(dòng)監(jiān)測(cè)。Lamb波在傳播過(guò)程中，遇到結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，由于損傷會(huì)導(dǎo)致局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，即使在微小損傷邊界也會(huì)引起在結(jié)構(gòu)中傳播的Lamb信號(hào)的散射和吸能效應(yīng)，基于此特征可開(kāi)展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；此外，如采用Lamb波主動(dòng)激勵(lì)方式，可激勵(lì)高頻/超高頻信號(hào)，因而提升信噪比，可以獲得更好的信號(hào)魯棒性。Lamb波對(duì)金屬材料和復(fù)合材料損傷模式均較為敏感，可以用于監(jiān)測(cè)微小損傷，適應(yīng)范圍較廣，但其會(huì)受外部溫度、壓力等影響，對(duì)該方法的應(yīng)用產(chǎn)生一定的限制。

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面，需要考慮監(jiān)測(cè)方法以及所使用的傳感器，其主要需求為重量輕、耗能小、對(duì)環(huán)境影響?hù)敯粜詮?qiáng)，且易于布置，此外，應(yīng)具備持續(xù)實(shí)施監(jiān)測(cè)能力。綜上分析，Lamb波法是一種相對(duì)具備優(yōu)勢(shì)的一種方法，更能夠適用于航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，特別是對(duì)航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

2 基于Lamb波技術(shù)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法

基于Lamb波技術(shù)的結(jié)構(gòu)主動(dòng)健康監(jiān)測(cè)方法通常采用體積較小、重量較輕的壓電陶瓷傳感器進(jìn)行Lamb波信號(hào)的激勵(lì)和接受[7]。通常，基于Lamb波技術(shù)的主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法可分為4個(gè)步驟：1)基于黏貼在結(jié)構(gòu)表面或嵌入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓電陶瓷傳感器，激勵(lì)Lamb波信號(hào)；2)Lamb波信號(hào)在結(jié)構(gòu)材料中進(jìn)行傳播，遇到損傷或邊界處會(huì)發(fā)生散射及能量衰減；3)基于黏貼在結(jié)構(gòu)表面或嵌入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓電陶瓷傳感器，接受Lamb波信號(hào)；4)以L(fǎng)amb波激勵(lì)信號(hào)和接受信號(hào)為輸入數(shù)據(jù)，開(kāi)展面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的信號(hào)處理，識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷模式、位置及程度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。對(duì)于航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，根據(jù)其鋪層制造工藝的特點(diǎn)，將壓電陶瓷傳感器嵌入至復(fù)合材料夾層中以實(shí)現(xiàn)具備結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)能力的功能性結(jié)構(gòu)材料已然成為一項(xiàng)研究熱點(diǎn)，且有關(guān)研究已表明基于Lamb波技術(shù)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的可行性[8-9]?；贚amb波技術(shù)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程示意圖如圖2所示。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)所承受的外部載荷和環(huán)境溫度等因素將會(huì)進(jìn)一步傳至壓電陶瓷傳感器，這也會(huì)影響壓電陶瓷傳感器的信號(hào)激勵(lì)、接受與傳遞，特別是相對(duì)高溫環(huán)境下，溫度對(duì)壓電陶瓷傳感器信號(hào)傳輸?shù)挠绊戇€有待摸索[10]。

圖2 基于Lamb波技術(shù)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程示意圖

3 溫度對(duì)Lamb波傳輸?shù)挠绊懛治?/h2>

為了研究溫度對(duì)壓電陶瓷傳感器信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，即溫度?duì)Lamb波傳輸?shù)挠绊?，首先?yīng)確保該過(guò)程不受外部載荷所影響，為了排除由于溫度變化導(dǎo)致的載荷影響，本項(xiàng)研究取用高溫性能良好的金屬鋁板開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，以此分析和驗(yàn)證溫度對(duì)Lamb波傳輸?shù)挠绊懀摲治鼋Y(jié)果同樣對(duì)于復(fù)合材料監(jiān)測(cè)具備參考價(jià)值。實(shí)驗(yàn)裝置采用帶有內(nèi)部貫通孔的金屬厚鋁板，并留有特制的壓緊螺栓，用于固定傳感器。其中：金屬鋁板厚2 cm，長(zhǎng)和寬分別為40 cm，內(nèi)部貫通孔寬1 cm，高0.2 cm，用于放置傳感器，在貫通孔上方，分別在距離金屬板貫通孔方向兩側(cè)邊緣10 cm處，各布置一個(gè)0.5 cm螺紋孔，用于加載壓緊螺栓；將能夠在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)正常工作的高溫壓電陶瓷傳感器分別放置貫通孔中的螺紋孔下方，采用壓緊螺栓以機(jī)械的方式固定傳感器，并連接抗高溫導(dǎo)線(xiàn)，建立實(shí)驗(yàn)裝置。此處，以機(jī)械的方式固定壓電陶瓷傳感器，目的在于確保在不同溫度下的傳感器激勵(lì)信號(hào)的一致性(如采用膠黏的方式固定傳感器，由于環(huán)境箱溫度的變化，膠的特性會(huì)發(fā)生一定程度的改變，進(jìn)而影響激勵(lì)一致性以及接受信號(hào)的有效性)；另外，實(shí)驗(yàn)件的選材、尺寸設(shè)計(jì)等均兼顧了在所需溫度變化范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)變形等方面的考慮，確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)件不會(huì)受溫度變化的影響，提升實(shí)驗(yàn)件在不同溫度下的特性穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)件組成示意圖及實(shí)驗(yàn)效果圖如圖3和圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)件組成示意圖

圖4 實(shí)驗(yàn)效果圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先將能耐受300 ℃高溫的壓電陶瓷傳感器放置于金屬板中，采用等同的低壓力通過(guò)壓緊螺栓固定壓電陶瓷傳感器，并采用一個(gè)傳感器激勵(lì)另外一個(gè)傳感器接受的方式，反復(fù)調(diào)整激勵(lì)幅值，調(diào)試出較優(yōu)接受信號(hào)效果，其中，激勵(lì)信號(hào)選擇的是175 kHz正弦調(diào)制信號(hào)[11]。在此基礎(chǔ)上，分別在環(huán)境箱溫度處于22 ℃、50 ℃、100 ℃、200 ℃和260 ℃下2 h后，確保結(jié)構(gòu)內(nèi)外部溫度平衡、穩(wěn)定，在此條件下，開(kāi)展壓電陶瓷傳感器的信號(hào)激勵(lì)與接受，以此獲取不同溫度下的Lamb波傳輸能力衰減情況與相位變化情況。在不同溫度下，接受的信號(hào)，以及對(duì)5個(gè)溫度環(huán)境下的接受信號(hào)進(jìn)行希爾伯特黃變換(Hilbert-Huang Transform, 簡(jiǎn)稱(chēng)HHT)，結(jié)果如圖5所示，其中，紅色虛線(xiàn)圈區(qū)域信號(hào)為選取的有效信號(hào)段，即所關(guān)注及分析的信號(hào)段。

圖5 不同溫度環(huán)境下的接受信號(hào)及HHT結(jié)果

圖6 不同溫度環(huán)境下的接受信號(hào)強(qiáng)度

對(duì)22 ℃、50 ℃、100 ℃、200 ℃和260 ℃五個(gè)溫度下的有效信號(hào)段信號(hào)幅值進(jìn)行正則化處理以獲取信號(hào)強(qiáng)度規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在22 ℃～100 ℃溫度區(qū)域，在相同的激勵(lì)信號(hào)下，所獲得的接受信號(hào)逐漸增強(qiáng)，即Lamb波傳輸耗能隨溫度升高而減少；但在22℃～50 ℃區(qū)域，Lamb波傳輸耗能隨溫度升高而減少較為明顯，在50 ℃～100 ℃區(qū)域，Lamb波傳輸耗能隨溫度升高而減少的明顯程度放緩，即溫度的變化對(duì)Lamb波傳輸耗能及耗能率均有一定的影響。在100 ℃～260 ℃區(qū)域，接受信號(hào)規(guī)律性較弱，出現(xiàn)不規(guī)律波動(dòng)，經(jīng)分析，這與高溫壓電陶瓷傳感器特性以及對(duì)溫度的敏感性有關(guān)，但可說(shuō)明溫度對(duì)壓電陶瓷傳感器信號(hào)傳輸有較大的影響，特別是在高溫區(qū)域。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度對(duì)壓電陶瓷傳感器信號(hào)傳輸過(guò)程中的相位影響較小。

4 結(jié)論

隨著航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展與工程應(yīng)用增多，數(shù)年后，飛機(jī)材料將由先進(jìn)的合金材料及復(fù)合材料升級(jí)為更為先進(jìn)的功能化材料，航空結(jié)構(gòu)也將邁入智能化結(jié)構(gòu)的新時(shí)代。本項(xiàng)研究分析了航空領(lǐng)域典型的振動(dòng)類(lèi)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)其中的壓電陶瓷技術(shù)展開(kāi)深入討論，并基于壓電陶瓷傳感器開(kāi)展溫度環(huán)境實(shí)驗(yàn)，分析Lamb信號(hào)傳遞隨溫度的變化規(guī)律，為相關(guān)研究及工程應(yīng)用的開(kāi)展提供支持與參考。

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