一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電阻抗測(cè)量設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)設(shè)備領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓 電阻抗測(cè)量設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓電阻抗（electro-mechanicalimpedance,EMI)技術(shù)是二十世紀(jì)末新發(fā)展起來(lái) 的一種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法，其基本思想是結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)其機(jī)械阻抗將發(fā)生變化，但該變 化難以通過(guò)直接測(cè)試得到，利用壓電材料的機(jī)電耦合特性，通過(guò)測(cè)量其電阻抗信號(hào)的變化 間接反映出被測(cè)結(jié)構(gòu)機(jī)械阻抗的變化。對(duì)粘貼于結(jié)構(gòu)表面或埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓電材料施加 交流電場(chǎng)時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)作用壓電材料將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，并帶動(dòng)被測(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)響 應(yīng)，該響應(yīng)傳遞到壓電材料上，由于正壓電效應(yīng)作用引起其電阻抗信號(hào)變化，通過(guò)比較結(jié)構(gòu) 有無(wú)缺陷時(shí)所測(cè)得電阻抗信號(hào)的差別，可以對(duì)其內(nèi)部損傷狀況進(jìn)行判定?，F(xiàn)有的壓電阻抗 技術(shù)用于監(jiān)測(cè)的壓電片體積小，質(zhì)量輕而且價(jià)格便宜，但是其用于阻抗信號(hào)測(cè)量的相關(guān)實(shí) 驗(yàn)設(shè)備體積較大，且價(jià)格昂貴。
[0003] 壓電阻抗法結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)技術(shù)的核心問(wèn)題之一是壓電陶瓷片阻抗信號(hào)測(cè)量，目前 都是借助商用阻抗分析儀來(lái)實(shí)現(xiàn)（如安捷倫4294A阻抗分析儀等），該儀器具有測(cè)試頻帶范 圍寬、檢測(cè)速度快、可測(cè)參數(shù)全等優(yōu)點(diǎn)，但其驅(qū)動(dòng)電壓較低（IV以下），當(dāng)壓電片粘貼于或是 嵌入大型結(jié)構(gòu)上進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，若不能被充分激勵(lì)，所測(cè)得電阻抗信號(hào)則無(wú)法準(zhǔn)確地反映結(jié) 構(gòu)的實(shí)際損傷情況，此外，現(xiàn)有的分析儀器還存在造價(jià)昂貴、功率消耗大、攜帶不便等缺點(diǎn)， 且阻抗測(cè)量只應(yīng)用了分析儀器的小一部分功能。
[0004] 一些研宄人員已著手研發(fā)了高度集成、體積較小而且易于攜帶的阻抗分析儀，關(guān) 鍵原理是：在選定的頻率范圍內(nèi)以固定頻率間隔進(jìn)行逐點(diǎn)激勵(lì)測(cè)量，通過(guò)測(cè)得的激勵(lì)信號(hào) 和接收信號(hào)之間的相位差計(jì)算出壓電片在給定頻率下的阻抗值。這種方法需要進(jìn)行復(fù)雜而 精確的硬件組裝，且頻率間隔較小使整個(gè)測(cè)量過(guò)程耗時(shí)。因此開(kāi)發(fā)出驅(qū)動(dòng)電壓高、測(cè)試頻率 范圍寬、成本低廉、易于操作的壓電阻抗測(cè)量設(shè)備，已成為壓電阻抗法結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研宄中 迫切的技術(shù)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實(shí)用新型提供了一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè) 的壓電阻抗測(cè)量設(shè)備，其中結(jié)合了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)自身的特點(diǎn)，相應(yīng)設(shè)計(jì)了適用于其監(jiān)測(cè)的 壓電阻抗測(cè)量設(shè)備，并采用任意波形發(fā)生器作為信號(hào)發(fā)射裝置，采用數(shù)字示波器檢測(cè)激勵(lì) 電壓和電阻兩端的電壓，由此高效快捷的實(shí)現(xiàn)阻抗的測(cè)量，相應(yīng)的可有效解決現(xiàn)有測(cè)量裝 置操作不便、測(cè)量費(fèi)時(shí)等問(wèn)題，同時(shí)還具備測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，因而尤其適用于各工程項(xiàng)目 的在線監(jiān)測(cè)。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提出了一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電阻抗測(cè)量設(shè) 備，其特征在于，包括任意波形發(fā)生器、壓電陶瓷片、參考電阻和數(shù)字示波器，其中：
[0007] 所述任意波形發(fā)生器的輸出端與所述壓電陶瓷片的輸入端相連，并用于激發(fā)信號(hào) 波；
[0008] 所述壓電陶瓷片設(shè)置在作為待測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)的表面或其內(nèi)部，并且其輸出端繼續(xù) 與所述參考電阻的輸入端相連，所述參考電阻的輸出端則與所述任意波形發(fā)生器的輸入端 相連以構(gòu)成完整的電流回路；
[0009] 所述數(shù)字示波器分別與所述任意波形發(fā)生器的兩端以及所述參考電阻的兩端相 連，并直接測(cè)量輸出所述任意波形發(fā)生器的激勵(lì)電壓，以及所述調(diào)節(jié)電阻兩端的接收電壓。
[0010] 優(yōu)選地，所述任意波形發(fā)生器激發(fā)的信號(hào)波為正弦掃頻信號(hào)。
[0011] 總體而言，通過(guò)本實(shí)用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以 下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
[0012] 1.本實(shí)用新型只需通過(guò)一段寬頻帶的掃頻信號(hào)就能獲取壓電陶瓷片的阻抗頻譜， 使得阻抗的測(cè)量更加高效快捷，采用任意波形發(fā)生器、數(shù)字示波器等設(shè)備開(kāi)發(fā)出的阻抗測(cè) 量設(shè)備，克服了現(xiàn)有阻抗分析儀激勵(lì)電壓低、設(shè)備笨重、造價(jià)昂貴的缺點(diǎn)；該設(shè)備采用任意 波形發(fā)生器，能提供高頻高激勵(lì)的信號(hào)，使得測(cè)試頻率范圍寬、波形選取覆蓋面廣、信號(hào)電 壓幅值可控，并保持精確的測(cè)量性能，從而使得該壓電阻抗測(cè)量設(shè)備能夠可靠有效地應(yīng)用 于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。
[0013] 2.本實(shí)用新型提供的壓電阻抗測(cè)量設(shè)備涉及的試驗(yàn)儀器少，因而便于攜帶，安裝 及操作簡(jiǎn)單方便，且大大縮減了信號(hào)采集時(shí)間，節(jié)約測(cè)量時(shí)間，此外，其測(cè)量精度高，重復(fù)性 好。所選用的儀器均為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)設(shè)備，能夠滿足壓電阻抗技術(shù)的研宄需要，本套測(cè)試設(shè) 備激勵(lì)電壓可控，信號(hào)種類(lèi)多樣，特別適用于各種工程項(xiàng)目的在線監(jiān)測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1是壓電阻抗測(cè)量設(shè)備的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施 例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋 本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。此外，下面所描述的本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施方式中所 涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0016] 圖1為壓電阻抗測(cè)量設(shè)備的示意圖。搭建好的壓電阻抗測(cè)量設(shè)備包括任意波形發(fā) 生器1、壓電陶瓷片2、參考電阻3、數(shù)字示波器4,其中參考電阻3的阻值已知，測(cè)量時(shí)，通過(guò) 導(dǎo)線將任意波形發(fā)生器1、壓電陶瓷片2、參考電阻3依次相連以組成完整的電流回路，任意 波形發(fā)生器1用于激發(fā)出信號(hào)波，通過(guò)BNC-雙鱷魚(yú)夾導(dǎo)線將數(shù)字示波器4與任意波形發(fā)生 器1和參考電阻3相連，此處的數(shù)字示波器的作用相當(dāng)于電壓表，并且能同時(shí)采集多個(gè)電壓 信號(hào)，導(dǎo)線一端的雙鱷魚(yú)夾連接待測(cè)儀器的兩端，另一端的BNC接頭與數(shù)字示波器接口連 接。
[0017] 本實(shí)用新型的壓電阻抗測(cè)量設(shè)備的測(cè)量過(guò)程如下：首先利用強(qiáng)力膠將壓電陶瓷 片2固定到試樣待監(jiān)測(cè)部位的表面或是防水封裝后嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，選定監(jiān)測(cè)頻率范圍為 lOOkHz-lMHz和參考電阻的阻值為75Q，連接并校正阻抗測(cè)試設(shè)備，然后利用任意波形發(fā) 生器1激勵(lì)壓電陶瓷片2,在選定的監(jiān)測(cè)頻率范圍內(nèi)以正弦掃描頻率進(jìn)行激勵(lì)和阻抗測(cè)量， 在激勵(lì)壓電陶瓷片2的同時(shí)利用數(shù)字示波器4測(cè)量出電路的激勵(lì)電壓和電阻輸入端和輸出 端的接收電壓，由電阻3輸入端的電壓與任意波形發(fā)生器1的激勵(lì)電壓的差值得到壓電陶 瓷片2兩端的電壓值，電阻3兩端的電壓除以電阻值得到流經(jīng)整個(gè)電路的電流值，參考?jí)弘?陶瓷片2兩端的電壓值及流經(jīng)電阻的電流值，通過(guò)轉(zhuǎn)換最后計(jì)算獲得壓電陶瓷片電阻抗的 實(shí)部和虛部信號(hào)。
[0018]由于僅僅將采集到的時(shí)域內(nèi)電壓信號(hào)和電流信號(hào)相除，得到的只是時(shí)域內(nèi)的阻抗 值標(biāo)量，該結(jié)果攜帶的信息由于太過(guò)簡(jiǎn)單，無(wú)法反映結(jié)構(gòu)的損傷信息，無(wú)任何意義，只有提 取到能反映結(jié)構(gòu)損傷信息的復(fù)數(shù)阻抗值的實(shí)部和虛部才能進(jìn)行分析，因此通過(guò)將時(shí)域的壓 電陶瓷片激勵(lì)電壓信號(hào)V(t)和電流信號(hào)I(t)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號(hào)V(j?)和I(j?)，以得到復(fù) 數(shù)形式的電壓值和電流值，并通過(guò)計(jì)算得到復(fù)數(shù)形式的阻抗值，然后將阻抗值中的實(shí)部和 虛部分別進(jìn)行提取以得到壓電陶瓷片電阻抗實(shí)部和虛部信號(hào)。壓電陶瓷片的阻抗值為：
[0019]
[0020]其中，F(xiàn)FT{}表示快速傅里葉變換，通過(guò)上述原理，只需通過(guò)一段寬頻帶的掃頻信 號(hào)就能獲取壓電陶瓷片的阻抗頻譜，使得阻抗的測(cè)量更加高效快捷。
[0021] 本實(shí)用新型采用任意波形發(fā)生器、數(shù)字示波器等設(shè)備開(kāi)發(fā)出的阻抗測(cè)量設(shè)備，克 服了阻抗分析儀激勵(lì)電壓低、設(shè)備笨重、造價(jià)昂貴的缺點(diǎn)。該設(shè)備采用任意波形發(fā)生器，使 得測(cè)試頻率范圍寬、波形選取覆蓋面廣、信號(hào)電壓幅值可控。
[0022] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不 用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改 進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電阻抗測(cè)量設(shè)備，其特征在于，包括任意波形發(fā)生器 (1)、壓電陶瓷片（2)、參考電阻（3)和數(shù)字示波器（4)，其中： 所述任意波形發(fā)生器（1)的輸出端與所述壓電陶瓷片（2)的輸入端相連，并用于激發(fā) 信號(hào)波； 所述壓電陶瓷片（2)設(shè)置在作為待測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)的表面或其內(nèi)部，并且其輸出端繼續(xù) 與所述參考電阻（3)的輸入端相連，所述參考電阻（3)的輸出端則與所述任意波形發(fā)生器 (1)的輸入端相連以構(gòu)成完整的電流回路； 所述數(shù)字示波器（4)分別與所述任意波形發(fā)生器（1)的兩端以及所述參考電阻（3)的 兩端相連，并直接測(cè)量輸出所述任意波形發(fā)生器（1)的激勵(lì)電壓，以及所述調(diào)節(jié)電阻（3)兩 端的接收電壓。2. 如權(quán)利要求1所述的一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電阻抗測(cè)量設(shè)備，其特征在于，所 述任意波形發(fā)生器（1)激發(fā)的信號(hào)波為正弦掃頻信號(hào)。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電阻抗測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備包括任意波形發(fā)生器、位于結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部的壓電陶瓷片、電阻、數(shù)字示波器，該任意波形發(fā)生器用于激發(fā)出信號(hào)波，其與壓電陶瓷片和電阻通過(guò)導(dǎo)線依次連接，以形成完整的電流回路；所述數(shù)字示波器外接于電流回路中，以用于測(cè)量任意波形發(fā)生器的激勵(lì)電壓以及電阻輸入端和輸出端的接收電壓，由電阻輸入端的接收電壓與發(fā)生器的激勵(lì)電壓的差值得到所述壓電陶瓷片兩端的電壓值，通過(guò)將所述壓電陶瓷片兩端的電壓值除以所述電流回路的電流值即可得到所述壓電陶瓷片的阻抗值。本套測(cè)量設(shè)備激勵(lì)電壓可控，操作簡(jiǎn)單，采集時(shí)間短，測(cè)量精度高，特別適用于各項(xiàng)工程項(xiàng)目的在線監(jiān)測(cè)。
【IPC分類(lèi)】G01R27/02
【公開(kāi)號(hào)】CN204719133
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520331939
【發(fā)明人】王丹生, 李智, 朱宏平
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年10月21日
【申請(qǐng)日】2015年5月21日