設計基於機電阻抗的快速自適應健康監測系統

《設計基於機電阻抗的快速自適應健康監測系統》是依託江蘇大學，由許伯強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：設計基於機電阻抗的快速自適應健康監測系統
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：許伯強
• 依託單位：江蘇大學

項目摘要

針對傳統高頻機電阻抗（EMI）方法只能定性評價損傷，本項目研製具有高精度的自適應功能的定量EMI結構微損傷快速監測系統。該系統硬體上設計集成化、小型化的高靈敏度感測器，能將隱含在結構局部的損傷信息轉換、評判、反饋、共振放大，監測靈敏度提高一個數量級以上。信號處理軟體系統創新地利用譜有限元（SEM）逆算法由監測系統中的導納變化提取結構損傷程度及位置，實現既能精確定位又能精確評價損傷程度之目標。同時提出基於機率的損傷定量評價方法，顯著提高檢測系統在噪音環境下的損傷檢測精度、靈敏度及魯棒性，並通過實驗驗證該系統測試的有效性，形成新的EMI微損傷監測技術及相關理論。未來結合無線感測網路技術，此創新技術能達到實時線上健康監測，並能套用於土木、機械和航空等領域。本項目研究涉及力學、超聲學、電子學及控制理論等多門學科，理論、設計和實驗上具有原創性，形成的相關研究成果具有重要的學術意義和工程套用前景。

結題摘要

機電阻抗技術通過比較有損傷結構的電阻抗與無損傷結構的電阻抗回響，可快速分析診斷結構損傷的存在，近年來已發展成為一種新的結構健康監測技術。為了實現機電阻抗法精確定量評價結構損傷的位置和損傷程度；構建受環境因素影響小，監測靈敏度高、穩定性好的結構健康監測系統，我們開展了本項目的研究工作。項目執行四年來，基本按照原有計畫進行，取得的研究結果達到了項目計畫書的預期要求。 基於譜有限元方法，建立了壓電晶片和梁的耦合系統的譜有限元數值模型，以研究系統的動力學回響（機電阻抗/導納）及超聲導波的傳播特性。理論和實驗研究了鋁梁中裂紋在不同位置及深度時對機電阻抗信號的影響。結果表明：開發的譜有限元模擬結果與有限元及實驗結果具有較好的一致性，結構局部損傷導致局部剛度降低，阻抗信號共振峰左移，其左移量隨著激勵頻率和裂紋深度的增加而增加，且會出現新的共振峰。如果裂紋位置處於結構共振模態節點，則部分共振峰幾乎不偏移，為損傷定位提供了依據。在此基礎上，發展了智慧型複合梁的熱-機-電耦合譜有限元理論模型及損傷識別逆算法，建立損傷指標與材料剛度參數之間的定量關係，實現對結構微損傷位置的精確識別和損傷程度的量化。分析了機電阻抗信號隨溫度變化的機理，共振峰偏移主要取決於梁的材料參數隨溫度的變化，而幅值變化則主要取決於壓電晶片材料參數隨溫度的變化。在機電阻抗測量平台構建方面，自主設計並完善了壓電感測-可調諧電路機電阻抗檢測系統，最佳化計算機終端實驗數據自動採集程式，實現了掃描頻段的自定義調節，並能夠高精度、自動化測量耦合系統的機電阻抗，提高了系統在噪音環境下損傷監測的靈敏度及魯棒性。 在項目研究期間，共在SCI、EI源刊物上發表論文14篇，在國核心心刊物上發表論文4篇，在國際學術會議做分會場報告3次，國內學術會議做分會場報告5次。本項目的研究結果為基於機電阻抗的快速自適應健康監測系統的設計提供了基礎，形成的損傷監測技術及相關理論將具有重要的學術意義和工程套用前景。