一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的结构健康监测装置及
方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及结构健康监测领域，具体涉及一种基于聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)压电薄膜的结构健康监测装置及方法。技术背景
[0002] 机械设备与结构在国民经济支柱产业中发挥着举足轻重的作用。对机械结构进行无损监测是故障发现与诊断的有效方法。无损故障监测由于其仪器轻便、操作简单并且对被测结构无破坏等优点，在故障诊断领域受到广泛关注。阻抗法利用压电材料的机电耦合，通过测量与分析
压电换能器的
电阻抗，获取被测物体的机械阻抗信息，进一步分析获取其结构损伤信息，有系统简单、传感元件易于集成、易获取被测对象的全局信息、可在低频至高频范围内使用等特点。传统压电阻抗法采用单压电片测量结构阻抗信息的方式，所测量
信号耦合了机械结构的阻抗信号及压电片的电容信号，机械阻抗信号易淹没在电容信号当中，且阻抗信号难以解耦；此外，传统压电阻抗法故障诊断，采用压电陶瓷换能器作为激励/传感元件，压电陶瓷本身易碎，无法在复杂形状的机械结构场合使用，因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。
发明内容
[0003] 为解决微弱机械阻抗信号解耦与提取的问题，本发明从机械层面对阻抗法故障诊断进行改进，使用压电换能器组的做法。本发明采用PVDF压电
传感器压电性能好，机械强度和柔韧性高，具有良好的耐化学
腐蚀性、耐高温特性，
质量轻，因此可以工作在恶劣的测量环境下，并且可以粘贴在各种形状的被测结构表面并且不影响原有机械结构。针对传统单片压电片的结构阻抗测量方法，改进的多片压电片的架构所测得的信号可以完全解耦出系统的阻抗特征，并且响应信号没有直流偏置，因此可以直接对微弱的测量信号进行放大并且分析。
[0004] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜换能器的结构健康监测装置，所述包括压电换能器组、微弱信号调理模
块以及
数据采集系统；所述微弱信号调理模块设置在压电换能器组和数据采集系统之间。
[0005] 进一步地，所述压电换能器组采用两片或者两片以上的聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜。
[0006] 微弱信号调理模块对压电换能器输出的
模拟信号无损放大后，压电换能器输出
激励信号和响应信号经过双路互相关
锁相放大
电路输出两路直流信号，数据采集系统采集直流信号并利用阻抗法分析得出所测结构机械
力学特性。
[0007] 进一步地，两片或者两片以上的PVDF压电薄膜传感器平行粘于被测结构表面，一片或者多片压电换能器作为
驱动器使用接收激励信号，另外一片或者多片压电换能器作为传感器使用输出响应信号，压电片组解耦并输出结构阻抗响应信号。
[0008] 进一步地，所述压电换能器组用环
氧树脂结构胶粘贴于被测结构表面。
[0009] 进一步地，微弱信号调理模块拟采用仪用
放大器对测量的模拟信号的进行无损放大，并使用模拟电路实现激励信号与响应信号的互相关锁相放大，充分抑制测量信号中的噪音并且提取出与激励信号直接相关的机械动力学特性。
[0010] 一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜换能器的结构健康监测装置的监测方法，所述方法如下：根据微弱信号调理模块
输出信号得到所测结构机械阻抗；
[0011] 从压电换能器的本构方程出发，利用假设模态的方法，对压电-结构耦合的系统建立力学模型，同时利用有限元仿真
软件对系统建立有限元模型，得到动力学方程：
[0012]
[0013]
[0014] 其中M,C,K,k12,Cp分别是系统的质量、阻尼、
刚度、系统的机电耦合系数矩阵、压电换能器的电容,V0是激励
电压，q,Q1和Q2分别是系统机械响应矩阵和两片换能器响应电荷，ω是激励信号
频率，i表示
虚部。在两片PVDF换能器大小一致，并且贴在一起的情况下，所测得的电压信号是
[0015]
[0016] 所测得的信号完全表示系统的动力学响应，而且动力学响应信号没有直流偏置，可以直接对测量信号进行放大并且分析；
[0017] 当被测结构发生变化，根据公式(3)，输出响应信号随激励信号频率变化曲线也会发生变化；
[0018] 根据相应信号随频率变化曲线判断对被测结构机械动力特征进行分析。
[0019] 进一步地，所述微弱信号调理模块包括仪用放大器和双互相关锁相放大模块。
[0020] 进一步地，所述微弱信号调理模块使用仪用放大器对响应信号进行无损放大，放大倍数根据
采样系统采样范围调节。
[0021] 进一步地，所述互相关锁相放大模块使用模拟电路实现激励信号与响应信号的互相关锁相放大，提取出与激励信号直接相关的机械动力学特性。
[0022] 相对于
现有技术，本发明的优点如下：相比较现有压电阻抗法结构故障诊断所采用的坚硬且易碎的压电陶瓷，本发明所采用的PVDF压电薄膜能任意弯曲，满足任意形状的结构的阻抗法故障诊断，具有广泛的适用性。在测量方法上，相比较现有单片压电换能器加电阻的测量方式耦合了强烈的电容信息，在结构响应信号微弱的情况下，结构信息将淹没在电容信号中；本发明利用多压电薄膜组合形式，可直接解耦并输出测量结构机械阻抗信号，便于后续信号分析和处理，因此具有抗干扰能力强、输出信号特征明显等优点，实现了结构
健康状态特征的获取。在适用范围上，选用的PVDF膜具有十分优秀的耐热、耐腐蚀、耐磨特性，可以适用于高温环境并且长期户外使用，具有较长的使用寿命，此外PVDF膜具有高柔韧性，相比于现有压电陶瓷测量方法，可用于各种弯曲等不规则结构表面，且不易断裂，具有灵活性高、适应范围广等特点。
附图说明
[0024] 图2为双压电换能器测量示意图；
[0025] 图3为微弱信号调理结构框图；
[0026] 图4为前置放大电路图；
[0028] 图6为互相关锁相放大电路图；
[0029] 图7为低通滤波电路图；
[0030] 图8为基于PVDF输出响应图；
[0031] 图中：1、聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜，2、聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜，3、微弱信号调理电路。
具体实施方式
[0032] 为了加深对本发明的认识和理解，下面将结合附图以及具体
实施例来详细说明本发明。
[0033] 实施例1：参见图1-图8，一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜换能器的结构健康监测装置，所述包括双压电换能器、微弱信号调理模块(3)以及数据采集系统；所述微弱信号调理模块(3)设置在双压电换能器和数据采集系统之间。所述双压电换能器采用两片聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜。微弱信号调理模块(3)对压电换能器(2)输出的模拟信号无损放大后，压电换能器(1)输出激励信号和响应信号经过双互相关锁相放大电路输出两路直流信号，数据采集系统采集直流信号并利用阻抗法分析所测结构机械力学特性。两片PVDF压电薄膜传感器粘于被测结构表面，一片压电换能器(1)作为驱动器使用，接收激励信号，另外一片压电换能器(2)作为传感器使用，双压电片同时使用，解耦并输出结构阻抗响应信号。所述双压电换能器用
环氧树脂结构胶平行粘贴于被测结构表面。微弱信号调理模块(3)拟采用仪用放大器对测量的模拟信号的进行无损放大，并使用模拟电路实现激励信号与响应信号的互相关锁相放大，充分抑制测量信号中的噪音并且提取出与激励信号直接相关的机械动力学特性。该方案中，如图1所示，本发明聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜1，2粘贴在被测结构表面，PVDF压电薄膜1对结构施加激励，由于逆
压电效应，对压电材料施加交变激励
电场，压电材料随电场变化发生机械形变。当施加在PVDF压电薄膜1上的激励信号为扫频正弦信号，压电薄膜1随激励信号的变化发生形变，其形变程度与激励信号电压成正比，压电薄膜形变带动被测结构以同频率振动，振动幅度与压电薄膜形变程度成正比。
[0034] 被测结构发生振动，粘贴在被测结构上的PVDF压电薄膜2
感知被测结构的振动，并通过
正压电效应
输出电压信号，输出响应电压大小与被测结构振动幅度成正比。
[0035] 从压电换能器的本构方程出发，利用假设模态的方法，对压电-结构耦合的系统建立力学模型，同时利用有限元仿真软件对系统建立有限元模型。得到动力学方程：
[0036]
[0037]
[0038] 其中M,C,K,k12,Cp分别是系统的质量、阻尼、刚度、系统的机电耦合系数矩阵、压电换能器的电容,V0是激励电压，q,Q1和Q2分别是系统机械响应矩阵和两片换能器响应电荷，ω是激励信号频率，i表示虚部。在两片PVDF换能器大小一致，并且贴在一起的情况下，所测得的电压信号是
[0039]
[0040] V(ω)完全表示系统的动力学响应，响应信号没有直流偏置，信号微弱的情况下仍可以进行直接放大并且分析。
[0041] 当被测结构发生变化，根据公式(3)，即M,C,K,k12,Cp等参数发生改变，V(ω)变化曲线也会发生相应改变。因此，响应电压幅值V(ω)可反映所测结构机械阻抗特性。
[0042] 激励信号为正弦扫频交流信号，激励信号幅值不变，频率随时间等步长发生变化。
[0043] 由于PVDF机电耦合系数极小，估计其产生的激励力及第二片PVDF所采集的信号均极其微弱。所述微弱信号检测模块，包括仪用放大器和互相关锁相放大电路，需要根据实际情况对仪用放大器放大倍数调节和对互相关锁相放大电路低通滤波参数调节，满足采样系统采样
精度和幅度要求。
[0044] 如图3所示，为微弱信号调理模块框图，响应信号Vp经前置放大电路无损放大后分别输入高精度平衡调节器AD630中得到Vp1、Vp2，激励信号Vs经过移相90度后得到Vs2，其中：
[0045]
[0046] A、B为信号幅值，激励信号幅值B是已知的，α、β均为信号
相位，n(t)为噪声信号,k为放大倍数。
[0047] Vs1、Vs2分别作为参考信号输入两片高精度平衡调节器AD630中，在互相关锁相放大电路中，参考信号与响应信号进行乘法运算，将于其
频谱迁移到直流处，之后经过低通滤波得到：
[0048]
[0049] 其中m为系数，Vo1、Vo2输入数据采集系统求得
[0050]
[0051] 如图4所示，由于第二片PVDF所采集信号极其微弱，产生响应信号无直流偏置，使用高精度仪用放大器INA128直接放大响应信号，通过改变调节电阻阻值调节电压放大倍数，电压放大倍数根据实际电路采样精度和幅度要求调节。
[0052] 如图5所示，放大后的响应信号从
端子P5输入，滤波电路使用TL082双
运算放大器搭建四阶有源
滤波器，可以更好的去除信号中过高频或低频输入的信号成分干扰。
[0053] 如图6所示，为一路AD630互相关放大模块电路图，另外一路结构与此相同，响应信号由SMA
接口P1输入，SMA接口P6输入参考信号，信号经过AD630解调电路将与激励信号有关的同频信号迁移至直流处，输出信号接入
低通滤波器得到直流幅值信息。
[0054] 如图7所示，用低噪声双运算放大器TL082搭建低通滤波器，用于滤除互相关放大电路输出信号中的高频信号，得到包含被测响应信号幅值信息的Vo1、Vo2。
[0055] 如图8所示，微弱信号调制系统输出两路信号Vo1、Vo2，根据公式(6)，求得图8在扫频范围内的被测测结构阻抗信息随频率变化曲线Vo(ω)，分析曲线上峰值点的
位置，幅值信息，可体现被测结构的机械动力学特性。
[0056] 当被测结构的形状、质量分布改变或者内部出现细小裂纹等结构变化，其机械动力学特性发生改变，输出结构阻抗与频率的关系曲线也会发生相应变化。重新对被测结构施加扫频激励信号，采集响应信号随频率变化信息，得出扫频范围内的被测测结构阻抗信息随频率变化曲线，分析曲线上峰值点的位置，幅值信息，与正常情况下的曲线进行对比，由于公式(3)，因此可分析出被测结构的结构发生变化，实现被测结构的健康监测。
[0057] 本实施例将被测结构的结构振动信息转换成PVDF压电薄膜的形变，进而转换成
电信号，实现了结构信息的简单、便捷获取，并且灵敏度高，实用性强，对结构影响小，适应多种复杂恶劣的监测条件。
[0058] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
