基于压电阻抗法的结构损伤检测技术进展
１ 压电阻抗技术介绍
用于结构健康监测的压电阻抗(EMI)技术是利
用全局振动理论来检测结构局部损伤的新技术.其
基本原理是[２]:结构损伤引起结构机械阻抗的变化,
利用压电材料的机电耦合效应,当对主体结构粘结的压电片施加交流电场时,压电材料由于逆压电效应产
生机械振动,并带动主体结构产生振动;主体结构的
机械振动又传递到压电材料上,通过正压电效应使压
电片产生电响应,表现为电阻抗的变化,在压电材料
的电阻抗信号中就包含结构损伤状态的信息,通过与
结构在无缺陷时压电片的电阻抗谱比较,可以确定结
构内部损伤发展情况,由此可对结构进行健康监测与
损伤诊断.该技术最初被应用于尖端武器运载工具
的研制并取得很大成功,目前已在各个工业部门得到
广泛应用并逐步发展成一种常规方法.
EMI技术 的 优 点 有:① 采 用 的 工 作 频 率 较 高
(１０kHz~２ MHz,即 为 PZT(压 电 陶 瓷)的 驱 动 电
场频率),故其对初始阶段的损伤及结构整体的微小
变化非常敏感,便于及时采取有效措施.② 敏感范
围限于压电陶瓷附 近 的 一 定 区 域,远 场 作 用 将 被 隔
离,使之可准确地识别损伤位置.③ 压电陶瓷在正
常工作条件下呈现出良好的性质:线性范围大、反应压电片施加交流电场时,压电材料由于逆压电效应产
生机械振动,并带动主体结构产生振动;主体结构的
机械振动又传递到压电材料上,通过正压电效应使压
电片产生电响应,表现为电阻抗的变化,在压电材料
的电阻抗信号中就包含结构损伤状态的信息,通过与
结构在无缺陷时压电片的电阻抗谱比较,可以确定结
构内部损伤发展情况,由此可对结构进行健康监测与
损伤诊断.该技术最初被应用于尖端武器运载工具
的研制并取得很大成功,目前已在各个工业部门得到
广泛应用并逐步发展成一种常规方法.
EMI技术 的 优 点 有:① 采 用 的 工 作 频 率 较 高
(１０kHz~２ MHz,即 为 PZT(压 电 陶 瓷)的 驱 动 电
场频率),故其对初始阶段的损伤及结构整体的微小
变化非常敏感,便于及时采取有效措施.② 敏感范
围限于压电陶瓷附 近 的 一 定 区 域,远 场 作 用 将 被 隔
离,使之可准确地识别损伤位置.③ 压电陶瓷在正
常工作条件下呈现出良好的性质:线性范围大、反应２ EMI检测理论模型
EMI检测理论 建 模 与 分 析 是 EMI技 术 应 用 于
损伤检测的理论基础,很多学者对 EMI检测模型开
展了研究.１９９４ 年 美 国 弗 吉 尼 亚 工 学 院 和 州 立 大
学的 LIANG 等[４]首次建立了压 电 片 电 阻 抗 与 被 测
结构机械阻抗的解析关系,即一维结构的 EMI检测
模型.随 后 ZHOU 将 LIANG 的 模 型 扩 展 到 二 维
模型[５],但利用该 二 维 模 型 很 难 从 试 验 或 计 算 得 到
的电阻抗谱 (EMI信 号)中 提 取 反 映 结 构 振 动 特 性
的机械阻抗.BHALLA 等[６]提 出 了 有 效 阻 抗 的 概
念,按照有效阻抗建 立 的 二 维 检 测 模 型 便 于 提 取 被
测结构的机械阻 抗,更 适 合 于 损 伤 检 测. 当 压 电 片
厚度较大时,二维模型不能很好地预测 EMI响应信
号,ANNAMDAS等[７]提 出 了 考 虑 PZT(钛 锆 酸 铅
陶瓷)三维振动的 压 电 阻 抗 模 型. 以 上 几 种 模 型 建
立了压电片的电导 纳 与 结 构 机 械 阻 抗 的 关 系,从 压
电片的电阻抗变化就能判断结构机械阻抗发生了改
变,即结构可能出现了损伤,但是并不能得出具体损
伤类型、损伤位置 和 损 伤 物 理 参 数. 为 了 通 过 反 问
题求解的方法得到 结 构 具 体 的 损 伤 物 理 参 数,有 学
者通过对特定对象 进 行 研 究,建 立 了 包 含 结 构 损 伤
参数的压电阻抗检测理论模型.王丹生等[８]考虑单
压电片驱动下钢梁 的 纵 向 振 动 和 弯 曲 振 动,得 到 了
两端自由的压电智 能 梁 的 机 械 阻 抗 解 析 式,由 此 可
以建立压电片电阻抗信号与结构的物理参数之间的
解析模型.严蔚等[９－１１]通 过 将 含 损 伤 的 杆、梁 结 构
处理为节段均匀结 构,采 用 传 递 矩 阵 法 和 回 传 矩 阵
法建立 了 含 损 伤 参 量 的 压 电 阻 抗 模 型. 徐 福 后
等[１２]将压电片的横向和纵向惯性力均 加 以 考 虑,采
用了传递矩阵 法 建 立 了 含 裂 纹 损 伤 的 Timoshenko
梁结构检测模型. 上 述 方 法 的 特 点 是,即 使 在 较 高
频率范围时仍能保 持 较 高 的 计 算 精 度,但 目 前 只 能
应用于一维结构,对于板壳结构还有待进一步研究,
为此很多 学 者 采 用 近 似 解 析 法:XU 等[１３]利 用 pＧ
Ritz法建立了梁、板 结 构 的 含 损 伤 参 数 的 压 电 阻 抗
检测模 型;YANG 等[１４]采 用 pＧRitz法 建 立 了 薄 壳
结构损伤 检 测 的 压 电 阻 抗 模 型. 采 用 pＧRitz法 在
频率 较 低 (小 于 ２０kHz)时,模 型 预 测 与 试 验 较 吻
合,随着频率增大,预 测 精 度 随 之 降 低,另 外,pＧRitz
法不适用 于 复 杂 弹 性 边 界 条 件 下 的 结 构. 徐 福 后等[１５]研究了适用于任意弹性边界条件 下 的 势 函 数,
利用 RayleighＧRitz法 建 立 了 任 意 边 界 条 件 下 损 伤
梁、板结构的 EMI检测模型.以上研究主要集中在
梁、杆、板、壳结构,对复杂结构还不能通过解析的方
法得到含损伤参数的检测模型.
复杂结构的压电阻抗建模分析通常采用数值方
法.YANG 等[１６]通 过 有 限 元 软 件 ANSYS 进 行 了
压电阻抗响应分析,验 证 了 有 限 元 方 法 分 析 的 可 行
性和有效性.蔡金标等[１７]建立了由压电片Ｇ黏结层Ｇ
主体结构组成的耦 合 系 统 的 三 维 有 限 元 模 型,数 值
模拟结果 与 试 验 结 果 吻 合. 张 玉 祥 等[１８]利 用 有 限
元方法建立了复杂 橡 胶 结 构 的 有 限 元 模 型,并 对 橡
胶老化过程进行了仿真研究,结果表明 EMI技术可
以用于橡胶老化监测.虽然有限元方法可以对复杂
结构进行 EMI响 应 分 析,但 当 频 率 较 高 时,需 要 将
网格划分很细,导致计算量大、耗时长.采用解析法
与数值法相结 合 的 方 法 对 复 杂 结 构 EMI响 应 进 行
分析,不需要对整个压电智能结构进行有限元分析,
只需要对其中的被 测 结 构 进 行 有 限 元 分 析,因 而 显
著地减少了计算量、提高了计算效率,该方法已经成
功应用于多孔板结构压电阻抗法建 模 与 分 析[１９],为
复杂结构的损伤检测模型的建立和快速分析提供了
可能.３ 结构损伤的识别
航空航天单位对复合材料的无损检测都十分重
视,其中 重 要 的 一 项 就 是 材 料 的 界 面 脱 粘 损 伤 检
测[２０].常用的界面脱粘检测技术包 括 超 声 波 检 测、
X 射线检测、激 光 检 测、CT 检 测、红 外 和 微 波 等 检
测方法[２１],甚至 有 些 单 位 用 到 了 中 子 探 测 技 术,但
由于中子探测技 术 要 求 较 高、条 件 苛 刻、费 用 昂 贵、
操作不便,因此很少普及.
目前最常用的超声波检测方法仅能用于多层界
面的表层界面检测 而 不 能 检 测 深 层 缺 陷,且 该 技 术
可检测的缺陷较少,不能全面反映结构的质量状况,
也无法实现在线检测.X 射线检测对于操作人员要
求较高,同时设备体积庞 大、价 格 昂 贵,另 外 X 射 线
属于高能 射 线,对 人 体 也 有 极 大 危 害.CT 检 测 对
于剥离度小 于 ０．０１ mm 的 脱 粘 检 测 比 较 困 难[２２].
激光全息检测技术应用的主要障碍是物体的刚性运
动和温度对检测的 影 响,而 我 国 在 这 方 面 的 技 术 尚
不成熟,设备稳定性和实时性都比较差,还处于实验
室阶段[２３];国外 的 技 术 虽 然 先 进,但 发 达 国 家 的 军工技术对我国是封锁的.红外检测技术在检测粘接
结构方面,对面板的 厚 度 和 材 料 的 导 热 系 数 都 有 一
定的要求,面板太厚 或 材 料 的 导 热 系 数 太 高 都 会 影
响检测灵敏度,因此 在 检 测 某 些 粘 接 结 构 时 受 到 了
限制[２４].微波检测能实现非接触测 量,能 快 速 连 续
工作,设备也较简 单,但 是 由 于 集 肤 效 应,微 波 检 测
不能深入到金属或 其 他 导 电 材 料,因 而 不 能 检 测 以
金属或碳纤维等导电材料为外层的复合结构的内部
缺陷;再者,微波检测局部缺陷的灵敏度还被微波的
波长限制,小于波长的缺陷检测不出来[２５].
王召巴等利用相控阵技术实现了不等厚金属非
金属复合构件的脱粘检测.他通过板波诱发波超声
检测技术,采用一收 一 发 两 个 探 头 在 金 属 (钢)基 体
的外侧检测内部多 界 面 脱 粘,有 效 解 决 了 声 波 穿 过
高声阻抗钢板进入低声阻抗非金属材料时呈现出的
反射率大、透射率小的问题[２６].屈文 忠 等 采 用 试 验
与仿真相结合的方 法,研 究 了 钢 板 结 构 易 出 现 的 损
伤状况,初步建立了导纳谱与损伤间的关系;并进行
铝板结构受冲击时 的 损 伤 检 测,识 别 出 了 冲 击 的 大
致位置.苏众庆将压电片深埋于高铁每节车厢转向
架中,用超声导波的 方 法 实 现 在 线 检 测 疲 劳 或 应 力
裂纹.美国 Giurgiutiu教授采用压电片进行了多项
用于结构健康监测的压电阻抗(EMI)技术是利
用全局振动理论来检测结构局部损伤的新技术.其
基本原理是[２]:结构损伤引起结构机械阻抗的变化,
利用压电材料的机电耦合效应,当对主体结构粘结的压电片施加交流电场时,压电材料由于逆压电效应产
生机械振动,并带动主体结构产生振动;主体结构的
机械振动又传递到压电材料上,通过正压电效应使压
电片产生电响应,表现为电阻抗的变化,在压电材料
的电阻抗信号中就包含结构损伤状态的信息,通过与
结构在无缺陷时压电片的电阻抗谱比较,可以确定结
构内部损伤发展情况,由此可对结构进行健康监测与
损伤诊断.该技术最初被应用于尖端武器运载工具
的研制并取得很大成功,目前已在各个工业部门得到
广泛应用并逐步发展成一种常规方法.
EMI技术 的 优 点 有:① 采 用 的 工 作 频 率 较 高
(１０kHz~２ MHz,即 为 PZT(压 电 陶 瓷)的 驱 动 电
场频率),故其对初始阶段的损伤及结构整体的微小
变化非常敏感,便于及时采取有效措施.② 敏感范
围限于压电陶瓷附 近 的 一 定 区 域,远 场 作 用 将 被 隔
离,使之可准确地识别损伤位置.③ 压电陶瓷在正
常工作条件下呈现出良好的性质:线性范围大、反应压电片施加交流电场时,压电材料由于逆压电效应产
生机械振动,并带动主体结构产生振动;主体结构的
机械振动又传递到压电材料上,通过正压电效应使压
电片产生电响应,表现为电阻抗的变化,在压电材料
的电阻抗信号中就包含结构损伤状态的信息,通过与
结构在无缺陷时压电片的电阻抗谱比较,可以确定结
构内部损伤发展情况,由此可对结构进行健康监测与
损伤诊断.该技术最初被应用于尖端武器运载工具
的研制并取得很大成功,目前已在各个工业部门得到
广泛应用并逐步发展成一种常规方法.
EMI技术 的 优 点 有:① 采 用 的 工 作 频 率 较 高
(１０kHz~２ MHz,即 为 PZT(压 电 陶 瓷)的 驱 动 电
场频率),故其对初始阶段的损伤及结构整体的微小
变化非常敏感,便于及时采取有效措施.② 敏感范
围限于压电陶瓷附 近 的 一 定 区 域,远 场 作 用 将 被 隔
离,使之可准确地识别损伤位置.③ 压电陶瓷在正
常工作条件下呈现出良好的性质:线性范围大、反应２ EMI检测理论模型
EMI检测理论 建 模 与 分 析 是 EMI技 术 应 用 于
损伤检测的理论基础,很多学者对 EMI检测模型开
展了研究.１９９４ 年 美 国 弗 吉 尼 亚 工 学 院 和 州 立 大
学的 LIANG 等[４]首次建立了压 电 片 电 阻 抗 与 被 测
结构机械阻抗的解析关系,即一维结构的 EMI检测
模型.随 后 ZHOU 将 LIANG 的 模 型 扩 展 到 二 维
模型[５],但利用该 二 维 模 型 很 难 从 试 验 或 计 算 得 到
的电阻抗谱 (EMI信 号)中 提 取 反 映 结 构 振 动 特 性
的机械阻抗.BHALLA 等[６]提 出 了 有 效 阻 抗 的 概
念,按照有效阻抗建 立 的 二 维 检 测 模 型 便 于 提 取 被
测结构的机械阻 抗,更 适 合 于 损 伤 检 测. 当 压 电 片
厚度较大时,二维模型不能很好地预测 EMI响应信
号,ANNAMDAS等[７]提 出 了 考 虑 PZT(钛 锆 酸 铅
陶瓷)三维振动的 压 电 阻 抗 模 型. 以 上 几 种 模 型 建
立了压电片的电导 纳 与 结 构 机 械 阻 抗 的 关 系,从 压
电片的电阻抗变化就能判断结构机械阻抗发生了改
变,即结构可能出现了损伤,但是并不能得出具体损
伤类型、损伤位置 和 损 伤 物 理 参 数. 为 了 通 过 反 问
题求解的方法得到 结 构 具 体 的 损 伤 物 理 参 数,有 学
者通过对特定对象 进 行 研 究,建 立 了 包 含 结 构 损 伤
参数的压电阻抗检测理论模型.王丹生等[８]考虑单
压电片驱动下钢梁 的 纵 向 振 动 和 弯 曲 振 动,得 到 了
两端自由的压电智 能 梁 的 机 械 阻 抗 解 析 式,由 此 可
以建立压电片电阻抗信号与结构的物理参数之间的
解析模型.严蔚等[９－１１]通 过 将 含 损 伤 的 杆、梁 结 构
处理为节段均匀结 构,采 用 传 递 矩 阵 法 和 回 传 矩 阵
法建立 了 含 损 伤 参 量 的 压 电 阻 抗 模 型. 徐 福 后
等[１２]将压电片的横向和纵向惯性力均 加 以 考 虑,采
用了传递矩阵 法 建 立 了 含 裂 纹 损 伤 的 Timoshenko
梁结构检测模型. 上 述 方 法 的 特 点 是,即 使 在 较 高
频率范围时仍能保 持 较 高 的 计 算 精 度,但 目 前 只 能
应用于一维结构,对于板壳结构还有待进一步研究,
为此很多 学 者 采 用 近 似 解 析 法:XU 等[１３]利 用 pＧ
Ritz法建立了梁、板 结 构 的 含 损 伤 参 数 的 压 电 阻 抗
检测模 型;YANG 等[１４]采 用 pＧRitz法 建 立 了 薄 壳
结构损伤 检 测 的 压 电 阻 抗 模 型. 采 用 pＧRitz法 在
频率 较 低 (小 于 ２０kHz)时,模 型 预 测 与 试 验 较 吻
合,随着频率增大,预 测 精 度 随 之 降 低,另 外,pＧRitz
法不适用 于 复 杂 弹 性 边 界 条 件 下 的 结 构. 徐 福 后等[１５]研究了适用于任意弹性边界条件 下 的 势 函 数,
利用 RayleighＧRitz法 建 立 了 任 意 边 界 条 件 下 损 伤
梁、板结构的 EMI检测模型.以上研究主要集中在
梁、杆、板、壳结构,对复杂结构还不能通过解析的方
法得到含损伤参数的检测模型.
复杂结构的压电阻抗建模分析通常采用数值方
法.YANG 等[１６]通 过 有 限 元 软 件 ANSYS 进 行 了
压电阻抗响应分析,验 证 了 有 限 元 方 法 分 析 的 可 行
性和有效性.蔡金标等[１７]建立了由压电片Ｇ黏结层Ｇ
主体结构组成的耦 合 系 统 的 三 维 有 限 元 模 型,数 值
模拟结果 与 试 验 结 果 吻 合. 张 玉 祥 等[１８]利 用 有 限
元方法建立了复杂 橡 胶 结 构 的 有 限 元 模 型,并 对 橡
胶老化过程进行了仿真研究,结果表明 EMI技术可
以用于橡胶老化监测.虽然有限元方法可以对复杂
结构进行 EMI响 应 分 析,但 当 频 率 较 高 时,需 要 将
网格划分很细,导致计算量大、耗时长.采用解析法
与数值法相结 合 的 方 法 对 复 杂 结 构 EMI响 应 进 行
分析,不需要对整个压电智能结构进行有限元分析,
只需要对其中的被 测 结 构 进 行 有 限 元 分 析,因 而 显
著地减少了计算量、提高了计算效率,该方法已经成
功应用于多孔板结构压电阻抗法建 模 与 分 析[１９],为
复杂结构的损伤检测模型的建立和快速分析提供了
可能.３ 结构损伤的识别
航空航天单位对复合材料的无损检测都十分重
视,其中 重 要 的 一 项 就 是 材 料 的 界 面 脱 粘 损 伤 检
测[２０].常用的界面脱粘检测技术包 括 超 声 波 检 测、
X 射线检测、激 光 检 测、CT 检 测、红 外 和 微 波 等 检
测方法[２１],甚至 有 些 单 位 用 到 了 中 子 探 测 技 术,但
由于中子探测技 术 要 求 较 高、条 件 苛 刻、费 用 昂 贵、
操作不便,因此很少普及.
目前最常用的超声波检测方法仅能用于多层界
面的表层界面检测 而 不 能 检 测 深 层 缺 陷,且 该 技 术
可检测的缺陷较少,不能全面反映结构的质量状况,
也无法实现在线检测.X 射线检测对于操作人员要
求较高,同时设备体积庞 大、价 格 昂 贵,另 外 X 射 线
属于高能 射 线,对 人 体 也 有 极 大 危 害.CT 检 测 对
于剥离度小 于 ０．０１ mm 的 脱 粘 检 测 比 较 困 难[２２].
激光全息检测技术应用的主要障碍是物体的刚性运
动和温度对检测的 影 响,而 我 国 在 这 方 面 的 技 术 尚
不成熟,设备稳定性和实时性都比较差,还处于实验
室阶段[２３];国外 的 技 术 虽 然 先 进,但 发 达 国 家 的 军工技术对我国是封锁的.红外检测技术在检测粘接
结构方面,对面板的 厚 度 和 材 料 的 导 热 系 数 都 有 一
定的要求,面板太厚 或 材 料 的 导 热 系 数 太 高 都 会 影
响检测灵敏度,因此 在 检 测 某 些 粘 接 结 构 时 受 到 了
限制[２４].微波检测能实现非接触测 量,能 快 速 连 续
工作,设备也较简 单,但 是 由 于 集 肤 效 应,微 波 检 测
不能深入到金属或 其 他 导 电 材 料,因 而 不 能 检 测 以
金属或碳纤维等导电材料为外层的复合结构的内部
缺陷;再者,微波检测局部缺陷的灵敏度还被微波的
波长限制,小于波长的缺陷检测不出来[２５].
王召巴等利用相控阵技术实现了不等厚金属非
金属复合构件的脱粘检测.他通过板波诱发波超声
检测技术,采用一收 一 发 两 个 探 头 在 金 属 (钢)基 体
的外侧检测内部多 界 面 脱 粘,有 效 解 决 了 声 波 穿 过
高声阻抗钢板进入低声阻抗非金属材料时呈现出的
反射率大、透射率小的问题[２６].屈文 忠 等 采 用 试 验
与仿真相结合的方 法,研 究 了 钢 板 结 构 易 出 现 的 损
伤状况,初步建立了导纳谱与损伤间的关系;并进行
铝板结构受冲击时 的 损 伤 检 测,识 别 出 了 冲 击 的 大
致位置.苏众庆将压电片深埋于高铁每节车厢转向
架中,用超声导波的 方 法 实 现 在 线 检 测 疲 劳 或 应 力
裂纹.美国 Giurgiutiu教授采用压电片进行了多项
试验,为今后的各种复杂结构损伤检测奠定了基础
发展前景及应用展望
根据 EMI技术的原理可知,其可检测范围包含
裂纹、疏松、气泡、砂眼、孔洞、夹渣、脱粘和未焊透等
缺陷,是在不损坏材 料 和 制 品 情 况 下 进 行 内 部 和 表
面的各种 缺 陷 检 测 及 材 料 评 价 的 一 种 无 损 检 测 技
术.它的应用将会 大 大 提 高 结 构 损 伤 检 测 的 效 率,
使检测设备朝着小 型 化、图 像 化、智 能 化、清 洁 化 的
方向发展,并推广应 用 至 工 业 领 域 的 多 层 结 构 和 复合材料的损伤在 线 检 测. 结 合 其 他 方 法,如 量 子 粒
子群算法(QPSO)使检测脱 粘 等 结 构 损 伤 的 精 度 得
到进一步提高.
(１)选择检测设备,寻找最合适的元器件、最优
化的传感器布 置,如 将 现 在 的 AD５９３３ 更 换 为 开 发
板,扩大检测频域范围.
(２)加入环境因素,如温度、湿度、光照等,确保
恶劣复杂环境时的适应性.
(３)改进检 测 方 法,实 现 由 现 场 接 触 式 向 远 程
监控式的转变.
(４)优化检 测 模 型,使 复 杂 的 大 型 系 统 中 任 一
损伤都能得到及时、敏感、准确检测.
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