教程案例icshmim2016成都research on active damage visualization using metal core piezoelectric fiber rosette

1、基于含壓電的主動(dòng)損傷成像研究，（南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及，季宏麗，南京，210016，中國(guó)）摘要：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究能夠及時(shí)預(yù)知或檢測(cè)結(jié)構(gòu)中的微小損傷，極大地提高了結(jié)構(gòu)的使用及安全性。基于 Lamb 波的主動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法利用布置在不同位置的壓電傳感器激勵(lì)和接收 Lamb 波信號(hào)，通過(guò)損傷反射波的速度。本文利用基于含路程計(jì)算來(lái)?yè)p傷出現(xiàn)的位置。然而，該方法需要提前獲取 Lamb 波的-core Piezoelectric Fiber）花形傳感器對(duì) Lamb 波傳感具有方壓電（M向性的特性，提出了一種無(wú)需 Lamb 波波速信息的損傷方法。該方法通過(guò)計(jì)算 Lamb 波角度誤差對(duì)損傷可能出

2、現(xiàn)的位置進(jìn)行成像。此外，本文分析了區(qū)域內(nèi)不同位置的角度分辨率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)區(qū)域精度的預(yù)估。盲區(qū)，利用壓電線陣擴(kuò)大了范圍，有效避免了盲區(qū)的出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用壓電線陣和 MPF 花形傳感器可以精確地對(duì)損傷位置進(jìn)行成像。：主動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；主動(dòng)損傷成像；含壓電；角度分辨率；Research on Active Damage Visualization using MPiezoelectric Fiber RosetteWang Yuhai, QiuJinhao, Zhang Chao, Ji Hongli-coreThe State key Laboratory of Mechanics and

3、Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics Astronautics,Nanjing, 210016, China;Abstract:Structure Health Monitoring (SHM) techniques enable online prediction and detection for small damages in many advanced structures, and thus provide possibilities for life extension and re

4、liability of the wholestructures. One limitation of the traditional Lamb waves based SHM method which uses time-of-flight approach tolocalize damages is the requirement of the wave velocities. This paper used m-core piezoelectric fiber (MPF)rosettes which are sensitive to wave propagation directions

5、 and proposed a damage visualization method without requiring Lamb wave velocities. The damage localization was implemented by measuring the error of wave propagation directions. Based on calculating the direction resolution at different points of interest, the damage localization accuracy was analy

6、zed. In addition, a linear PZT array was used to enlarge the area of decent localization accuracy. Experimental results indicated that the generator (linear PZT array) and receiver (MPFrosettes) pair can localize the damages with high accuracy.Keywords: active structural health monitoring；active ima

7、ging method；mresolution;-core piezoelectric fibers; angle基金項(xiàng)目：973 計(jì)劃項(xiàng)目,項(xiàng)目編號(hào)：2015CB057501；“高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助，No.NE2015001 & NE2015101 & NP2016201”；省 333 工程 BRA2015310；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目引言1.1MPF 對(duì) Lamb 波的響應(yīng)隨著科技不斷的發(fā)展和進(jìn)步，人們對(duì)材料的結(jié)構(gòu)特性更加趨向于智能化和多功能。但是材料和結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中，由MPF 作為一種新型的壓電傳感器5，其幾何結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。MPF 包含三部分：

8、金屬（鉑）芯、表面電極和壓電陶瓷。于工作環(huán)力載荷和疲勞腐蝕效應(yīng)等眾多因素的影響，材料和結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)各式各樣 壓電陶瓷表面電極的損傷，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性能產(chǎn)生的威脅。甚至在損傷未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)時(shí)，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部遭到致命性破壞，對(duì)個(gè)人的人生安全造成。因此，人們對(duì)現(xiàn)代材料和結(jié)構(gòu)的健康狀況愈發(fā)重視。為了保障物質(zhì)和人身安全性，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)被提了出來(lái)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是指利用集成在結(jié)構(gòu)伸縮運(yùn)動(dòng)中的先進(jìn)驅(qū)動(dòng)/傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)地獲取圖 1 MPF 的幾何結(jié)構(gòu)圖MPF 的內(nèi)部中心為與結(jié)構(gòu)健康狀況相關(guān)的信息，并結(jié)合相關(guān)的先進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)，提取結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)， 從而識(shí)別結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)1。因此，開展針對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

9、健康監(jiān)測(cè)技術(shù)有著重 要的工程意義2。基于 Lamb 波的主動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法是利用布置在不同位置的壓電傳感器激勵(lì)和接收 Lamb 波信號(hào)，通過(guò)損傷反射波的， 半徑𝑅𝑚 為 50𝑢𝑚維，而壓電陶瓷包裹著壓電陶瓷纖表面濺射一層薄薄的金屬層作為表面電極。由于 MPF 同時(shí)具有表，因此，單根 MPF 就面電極和內(nèi)部可以作為激勵(lì)或者傳感元件。MPF半徑𝑅𝑐 一般為 300um，長(zhǎng)度 L 根據(jù)需要，一般為1030mm。相比于一般的壓電元件，MPF 細(xì)小的結(jié)構(gòu)使其易于粘貼在結(jié)構(gòu)表面或者嵌入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部。而且，由于

10、MPF 內(nèi)部含路程來(lái)?yè)p傷出現(xiàn)的位置。傳統(tǒng)的基于Lamb 波的方法都是通過(guò)三角導(dǎo)波的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行的，比如 delay-and-sum 算法3， 而精確的波速測(cè)量是該算法的決定性因素。由于Lamb 波的波速在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不同方向上存在細(xì)微的差異4，而且由于 Lamb 波有，因此克服了傳統(tǒng)壓電陶瓷的脆性，使其具有更廣泛的工程應(yīng)用。如圖 2 所示，將單根 MPF 粘貼在厚度為 2d 的各向同性鋁板上，單根 MPF 的有效長(zhǎng)度為 L，MPF 的長(zhǎng)度方向平行于 x 軸，然后在(x , z)面內(nèi)施加一個(gè)沿x方向的𝐴0 模式Lamb 波，Lamb 波將在 MPF 區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變場(chǎng)6,。的頻散

11、效應(yīng)，使得 Lamb 波在結(jié)構(gòu)中時(shí)，波包會(huì)被拉長(zhǎng)，從而無(wú)法獲得波包的準(zhǔn)確到達(dá)時(shí)間。同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的材料參，及不可的環(huán)境因素等，都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀況出現(xiàn)漏判或誤判。上述傳統(tǒng)損傷檢測(cè)方法的不足，本MPFyzy'壓電（ MPF，文利用基于含M-core Piezoelectric Fiber）花形傳感器對(duì)Lamb 波傳感具有方向性的特性，提出了一2d種無(wú)需 Lamb 波波速信息的損傷方法。該方法通過(guò)計(jì)算Lamb 波角度誤差對(duì)損傷可能出現(xiàn)的位置進(jìn)行成像。圖 2 MPF 對(duì) Lamb 波響應(yīng)的方向性其中，波的方向與 MPF 的長(zhǎng)度方向（x 軸方向）成角度 ，笛卡爾坐標(biāo)系原1、MPF 花形傳感器x

12、'Lamb波x點(diǎn)設(shè)置在鋁板的中間面上。當(dāng)入射的 Lamb 波為遠(yuǎn)場(chǎng) Lamb 波時(shí)，板面 Lamb 波應(yīng)變場(chǎng)S|z=d簡(jiǎn)化為如下形式7:表面得到兩個(gè)夾角𝜎1、𝜎2 所形成的唯一交點(diǎn)，該交點(diǎn)即是損傷波源。1.2 花形傳感器的特性雖然MPF 對(duì)Lamb 波傳感具有方向性， 然而 Lamb 波入射角度 不是決定 MPF 電𝜋 𝑖 𝑘𝑥 𝜔𝑡 2𝑆|= 𝑖𝑘 𝑀𝑒2𝑧=&#

13、119889;壓響應(yīng)幅值的唯一因素，其中 MPF 與結(jié)構(gòu)中損傷波源之間的距離，以及 Lamb 波波源信號(hào)的強(qiáng)弱都會(huì)對(duì) MPF 的電壓響應(yīng)幅值產(chǎn)2𝛼𝛽(1)× 𝑡𝑎𝑛𝛼𝑑 𝑡𝑎𝑛𝛽𝑑 𝑘 2 +𝛽 2、杰6借鑒了電阻其中：M 為 Lamb 波的幅值，k 為波數(shù)，為角頻率，參數(shù) 和 定義為：生影響。因此，應(yīng)變花確定主應(yīng)變的思想，提出一種基于MPF 的花形傳感器，其中三

14、根 MPF 互成60°，成等邊三角形，粘貼在鋁板表面的實(shí) 物圖如圖 3（a）所示。該花形傳感器利用相對(duì)幅值的方法，很好的消除了 MPF 與損傷波源之間的距離、以及 Lamb 波波源信號(hào)強(qiáng)弱的影響，從而使 Lamb 波的入射角度 成為唯一決定 MPF 花形傳感器電壓響應(yīng)幅值的因素。由于 MPF 粘貼在結(jié)構(gòu)表面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)易折斷、引線難、易受環(huán)境和外力影響， 因此對(duì)花形傳感器進(jìn)行封裝 ，使其更易應(yīng)用在工程結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)圖如圖 3(b)所示。𝜔2𝜔2 = 𝑘2 2 ， = 𝑘2 2 （2）𝑐𝐿

15、19888;𝑇其中：𝑐𝐿 、𝑐𝑇 為體波波速（常數(shù)），下標(biāo) L、T 分別表示縱波和橫波。由 MPF 電壓響應(yīng)表達(dá)式可得8：2𝑁𝑘𝐿 cos 𝜎 𝑁𝐿𝑐𝑜𝑠2（3）V =cos 𝜎 sin𝜎9𝑘2其中：N 是與 MPF 性能參數(shù)相關(guān)的常數(shù)，N 可寫為 𝑅(𝑅 + 𝑅 )Ү

16、97;𝑛𝑐 𝑚𝑐𝑅𝑚× 𝑘2𝑀）N =MPF1MPF2𝑠𝐸 𝜀𝑇2𝐿 𝑑31 11 33 𝑑31× 𝑡𝑎𝑛𝛼𝑑 𝑡𝑎𝑛𝛽𝑑 （4）𝑘2 + 𝛽22&

17、#120572;𝛽其中：Rm 為 MPF 的的壓電陶瓷半徑，即半徑，Rc 為 MPF半徑，L 為 MPFMPF3的有效長(zhǎng)度，d31為壓電應(yīng)變常數(shù)，sE 為短(a)花形傳感器實(shí)物圖 (b)花形傳感器結(jié)構(gòu)圖11路彈性柔順系數(shù)，T介電常數(shù)。33圖 3 花形傳感器示意圖由式（3）可知：MPF 的電壓響應(yīng)表達(dá)式僅與Lamb 入射角度 的余弦平方呈線性關(guān)系。當(dāng)在結(jié)構(gòu)表面事先粘貼一片圓形壓電片作為激勵(lì)源，MPF 作為傳感器，分別接收由于3 根MPF 的振動(dòng)方式相同，且MPF 的電壓響應(yīng)幅值與Lamb 入射角度 的余弦平方呈線性關(guān)系，因此花形傳感器中三根MPF 電壓響應(yīng)之和為常數(shù)。本文對(duì) MP

18、F 的電壓響應(yīng)幅值進(jìn)行歸一化處理，提取花形傳感器中每根 MPF 的電壓響應(yīng)幅值，每根MPF 的歸一化電壓幅值如下：結(jié)構(gòu)在健康狀的健康信號(hào)及在損傷狀的損傷信號(hào)，健康信號(hào)與損傷信號(hào)之差就是損傷散射信號(hào)。根據(jù) MPF 接收到的電壓信號(hào)，并提取電壓響應(yīng)幅值，由式（3）可以反推出 Lamb方向與 MPF 軸向的𝑉𝑉𝑖𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎𝑥2𝑉 = 𝑐𝑜𝑠 (𝜎 + x

19、575; )𝑖𝑖2 3夾角𝜎 。同理，采用另一組傳感器 MPF 可𝑉𝑚𝑎𝑥𝑉1以反算出另一個(gè)夾角𝜎2，因此便可以在結(jié)構(gòu)𝑖𝑚𝑎𝑥𝑖=13𝛿1,2,3 = 0°, 120°, 240° (5)其中：𝑉𝑖 是每根 MPF 的歸一化電壓幅值，𝑉𝑖𝑚w

20、886;𝑥 是 MPF 的電壓響應(yīng)最大值。由式（5）可以看出，花形傳感器的歸一化幅值僅僅與角度 有關(guān)系。由誤差曲線定義可知：當(dāng)𝜎 = 時(shí)，誤差E 𝜎 等于零；但是由于不可避免的測(cè)量誤差及 𝑓(𝜎) 𝑐𝑜𝑠2𝜎等因素，誤差E 𝜎 不可能等于零。但是在𝜎 趨近于 時(shí)，誤差E 𝜎 趨近于零，因此誤差曲線可以用來(lái)Lamb22.1損傷檢測(cè)原理波的方向。2.2 損傷精度評(píng)估基于散射波角度識(shí)別的損傷成像方法在基于三角導(dǎo)

21、波測(cè)量時(shí)間算法中，需要輸入的參數(shù)為結(jié)構(gòu)中壓電傳感器的坐標(biāo)在主動(dòng)健康監(jiān)測(cè)中，常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法主要分為三種：1）基于 Lamb 波的損傷散射位置信息和 Lamb 波的速度信息。因?yàn)樾盘?hào)的方法，該方法主要提取結(jié)構(gòu)中的壓電傳感器是事先粘貼好的，因此在算法中傳感器的位置信息比較準(zhǔn)確。然而由于壓電損傷散射信號(hào)，再根據(jù)損傷散射信號(hào)的波包到 達(dá) 時(shí) 間 對(duì) 損 傷 進(jìn) 行。 例 如傳感器本身的大小、系統(tǒng)分辨率及噪聲delay-and-sum 算法3；2）基于 Lamb 波信等因素都會(huì)對(duì)Lamb 波波速測(cè)量產(chǎn)生一定影響。同樣，花形傳感器是利用方向傳感特性號(hào)峰值的損傷方法，該方法同樣提取結(jié)構(gòu)中的損傷散射信號(hào)，并根據(jù)

22、損傷散射信號(hào)的幅值變化情況確定損傷的位置信息，例如采用RAPID 算法對(duì)損傷進(jìn)行成像10；3）基進(jìn)行損傷成像的，為研究花形傳感器的角度分辨率對(duì)成像準(zhǔn)確性的影響，本文提出一種精度的評(píng)估方法，如圖 4 所示，花于 Lamb 波頻散補(bǔ)償算法的損傷方法，形傳感器分別布置在點(diǎn)（0,0）和（400,0）處，該方法具體步驟如下：例如成像11。課題組通過(guò)高分辨率進(jìn)行損傷首先，假定已知損傷在結(jié)構(gòu)區(qū)域本文利用成像的方法對(duì)結(jié)構(gòu)中的中的位置信息點(diǎn)P(x,y)處，計(jì)算出P 點(diǎn)與兩個(gè)花形傳感器所形成的角度，。然后，對(duì)計(jì)算出的角度，設(shè)定一個(gè)角度偏差±°，將得到的角度𝛼1,2、ҵ

23、73;1,2設(shè)定給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：𝛼1,2 = 𝛼 ± °𝛽1,2 = 𝛽 ± °接著，將上述四個(gè)角度直線圍成的區(qū)域損傷進(jìn)行成像12,13。在 1.1 節(jié)中敘述了如何由式（3）反推出 Lamb方向與 MPF 軸向之間的夾角 。由式（3）可知，電壓響應(yīng)信號(hào)的幅值與角度 呈唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即：𝑓(𝜎) 𝑐𝑜𝑠2𝜎(6)因此，花形傳感器的電壓響應(yīng)信號(hào)的歸一化幅值可以表示為：面積(圖 4 紅域)定義為損傷精度，精

24、度越面積越大表示角度分辨率越低，𝑉𝑖 = 𝑐𝑜𝑠2 𝜎 + 𝛿𝑖 = 𝑓 𝜎 + 𝛿𝑖 (7)低；反之，面積越小，其角度分辨率越高，精度越高。為了確定Lamb 波方向與花形傳感器之間的夾角，歸一化幅值𝑉𝑖 與f(𝜎 + 𝛿𝑖 )之間的角度誤差曲線定義為：31E 𝜎 = 𝑉𝑖 &#

25、119891; 𝜎 + 𝛿𝑖 23𝑖=1𝛿1,2,3 = 0°, 120°, 240° (8)圖 4 角度分辨率原理圖P1°1°1°1°Rosette1Rosette2最后，對(duì)結(jié)構(gòu)中監(jiān)控區(qū)域的每一點(diǎn)進(jìn)行上述過(guò)程處理，最終將得到監(jiān)控區(qū)域的損傷定位精度分布圖。根據(jù)上述步驟，設(shè)定角度偏差 = 1， 得到相應(yīng)的監(jiān)控區(qū)域的損傷定位精度分布 圖，如圖 5 所示（監(jiān)控區(qū)域采用400mm × 250mm）。控區(qū)域，電壓放大器主要對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行500Hz

26、-200kHz 濾波及 80 倍信號(hào)放大，16 路多通道信號(hào)調(diào)理儀可控制壓電片的激勵(lì) 次序。實(shí)驗(yàn)中被測(cè)結(jié)構(gòu)為 1mm 厚鋁板，密度 = 2700kg/m3 ,楊氏模量 Y=70GPa，泊松比 v=0.3，在鋁板上布置兩個(gè)花形傳感器Rosette1 和 Rosette2、三個(gè)壓電片，壓電片編 號(hào) 為 A,B,C ， 在 鋁 板 上 形 成400mm×250mm 的監(jiān)控區(qū)域，壓電片和花形傳感器分布圖如圖 7 所示。實(shí)驗(yàn)中選用底面直徑為 20mm，重量為 50g 的砝碼模擬損傷，激勵(lì)信號(hào)選用 5 波峰正弦信號(hào)，中心頻率為15kHz。25020015010050010020X(m圖 5 角度

27、分辨率由圖 5 可得出結(jié)論：監(jiān)控區(qū)域中損傷的 角度分辨率依賴于其坐標(biāo)位置，在以近似坐 標(biāo)點(diǎn)（200,0）為圓心，離圓心越近，其激勵(lì)傳感路徑距離短，角度分辨率較高，意味著 損傷定位的準(zhǔn)確性對(duì)角度分辨率不敏感，即 位于該區(qū)域的損傷能被更準(zhǔn)確地定位；反之， 離圓心越遠(yuǎn)，其激勵(lì)傳感路徑距離較長(zhǎng)，分 辨率較低，位于此區(qū)域的損傷不易被準(zhǔn)確定 位。但是，在圖中依然可以觀察到，在監(jiān)控 區(qū)域邊界處，尤其是靠近花形傳感器的邊界 處，雖然激勵(lì)傳感距離較近，但其角度分辨 率較低。這是由于花形傳感器組合本身無(wú)法 識(shí)別其連線處的損傷所導(dǎo)致的。 顯示器 圖 6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建實(shí)物圖3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3.1 實(shí)驗(yàn)裝置圖 7 傳感器分

28、布圖3.2 檢測(cè)結(jié)果及討論3.2.1 花形傳感器角度分辨率驗(yàn)證在 2.2 節(jié)中對(duì)損傷定位精度評(píng)估算法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，本節(jié)主要驗(yàn)證其角度分辨率的正確性。實(shí)驗(yàn)中，利用壓電片A 作為激勵(lì)元件，花形傳感器 Rosette1、Rosette2 作為傳感元件，砝碼作為損傷，分別在鋁板上五個(gè)不同位置 a,b,c,d,e 處先后布置砝碼，再利用損傷成像算法對(duì)其進(jìn)行損傷成像，成像結(jié)為了驗(yàn)證本文提出的角度分辨率的正 確性及損傷定位成像的可行性，建立實(shí)驗(yàn)條件下的主動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由NI PXIe-1082 機(jī)箱、NI PXIe-5105 數(shù)據(jù)采集卡、NI PXIe-5412 任意波形發(fā)生器、NF HSA

29、4052 功率放大器以及實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的電壓放大器和 16 路多通道信號(hào)調(diào)理儀，如圖 6 所示。波形發(fā)生器和數(shù)據(jù)采集卡可實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生和傳感信號(hào)的采集，功率放大器可對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行放大，以擴(kuò)大其監(jiān)Y(mm)10cm 10cm壓電片鋁板CB ARosette1Rosette240cm電果如圖 8(a)-(e)所示。其中，白色由圖 8 可知，圖(a)、圖(c)、圖(e)基本能準(zhǔn)確對(duì)損傷位置進(jìn)行成像，其誤差較小，區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件下?lián)p傷成像位置，紅色五角星為損傷實(shí)際位置。但是圖(b)、圖(d)不能準(zhǔn)確出損傷位置，其誤差較大。分析其為：對(duì)照?qǐng)D 5 可知，圖 8(b)、(d)所代表的損傷位于區(qū)域分辨250

30、率較低的區(qū)域，因此在進(jìn)行損傷成像時(shí)必然會(huì)出現(xiàn)極大誤差，而圖 8(a)、圖 8(c)、圖 8(e)200150所代表的損傷位置位于其區(qū)域分辨率100較高的區(qū)域，因此在損傷位置時(shí)其誤差50較小。所以，圖 8 很好的驗(yàn)證了在鋁板區(qū)域中存在角度分辨率問(wèn)題，同時(shí)也揭示了只用壓電片 A 作為激勵(lì)源進(jìn)行損傷成像是不合理的布置。050100150200250300350400(a)2502003.2.2 壓電片陣列損傷成像150為了彌補(bǔ) 3.2.1 節(jié)中損傷成像時(shí)出100現(xiàn)極大誤差，本節(jié)利用壓電片 A、B、C 分別依次作為激勵(lì)源，實(shí)驗(yàn)中同樣選取 3.2.150050100150200(b)2503003504

31、00節(jié)實(shí)驗(yàn)中砝碼損傷位置，分別花形傳感器的信號(hào)并進(jìn)行損傷成像進(jìn)行圖像融-(e)所示。成像，最后對(duì)損傷像結(jié)果如圖 9(a)25020015025010020050150050100150200(c)25030035040010050250050100150200(a)25030035040020015025010020050150050100150 200（d）25030035040010050250050100150200(b)25030035040020015025010020050150050100150 200 250（e）30035040010050圖 8 壓電片 A 損傷成像圖050

32、100150200250300350400（c）250成像方法可以有效避免結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)區(qū)。盲200150在式(8)中定義了誤差曲線，當(dāng)𝜎 趨近于 時(shí)，誤差E 𝜎 趨近于零，誤差曲線可以用100來(lái)Lamb 波的方向。在實(shí)驗(yàn)中布置50了兩組傳感器組合，花形傳感器 Rosette1、050100150200(d)250300350400Rosette2 分別可以出兩組波的角度，即角度 1、2。圖 10 表示損傷在 b 處的誤差曲線（對(duì)應(yīng)圖8 和圖9 中(b)的損傷成像圖），250200曲線代表壓電片 A 激勵(lì)形傳感150器傳感得到的誤差曲線；紅色曲線代表壓電100片陣列

33、激勵(lì)形傳感器傳感得到的誤差曲線；黑色直線為損傷對(duì)應(yīng)的實(shí)際角度。圖中 b 處的損傷實(shí)際角度 1、2 分別為 58° 和 146°。同樣，圖 11 代表?yè)p傷在 d 處的誤差曲線，圖中 d 處的損傷實(shí)際角度 1、2 分別為40°和138°。從圖10 和圖11 可以看出， 紅色誤差曲線最小值所對(duì)應(yīng)的角度更加接 近損傷實(shí)際位置所對(duì)應(yīng)的角度，因此利用壓電片陣列進(jìn)行損傷成像，不僅可以降低損傷50050100150200250300350400(e)圖 9 壓電陣列損傷成像圖從上述圖中可以看出，各個(gè)位置的損傷成像不再出現(xiàn)圖 8(b)、(d)中那種極大誤差，而且誤差總體較

34、小，損傷成像基本成像位置的誤差，還可以有效避免的出現(xiàn)。盲區(qū)準(zhǔn)確，說(shuō)明利用壓電片陣列進(jìn)行的損傷2壓電片A，角度1 壓電片A，角度2 壓電陣列，角度1 壓電陣列，角度2 實(shí)際角度1實(shí)際角度21.510.500306090角度(°)120150180圖 10 b 處損傷誤差曲線圖2壓電片A，角度1 壓電片A，角度2 壓電陣列，角度1 壓電陣列，角度2 實(shí)際角度1實(shí)際角度21.510.500306090角度(°)120150180圖 11 d 處損傷誤差曲線圖誤差誤差因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷成像時(shí)，MCore piezoelectric FibersD：Nanjing：Nanjing要

35、充分考慮試驗(yàn)材料的面積，當(dāng)面University of Aeronautics and Astronautics6積較小可以只用單壓電片作為激勵(lì)源。但監(jiān)控區(qū)域較大時(shí)，應(yīng)采用壓電片陣列作為激勵(lì)源，對(duì)盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償?；诤瑝弘娕c Lamb 波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究D ：南京：南京航空航天大學(xué)，2010Liu Jian. Research on Structural Health Monitoring4 結(jié)論Based on MCore Piezoelectric Fibers and LambwavesD:Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and A

36、stronautics.7. Matt H，Scalea F L DMacro-fiber composite piezoelectric rosettes for acoustic source location in complex structuresJ. Smart Materials & Structures， 2007， 16(4)：1489-1499.8. Zhang Chao，QiuJinhao，Ji Hongli， Animaging method for impact localization using本文提出了一種基于含壓電纖維花形傳感器的損傷成像方法，該方法無(wú)

37、需知道Lamb 波在介質(zhì)材料中的速度信息，只需提取花形傳感器中 MPF 響應(yīng)信號(hào)的小波變換系數(shù)，利用角度誤差算法對(duì)其進(jìn)行損傷成像，具有無(wú)需測(cè)量結(jié)構(gòu)中 Lamb波波速的優(yōu)勢(shì)。由于實(shí)驗(yàn)區(qū)域中不可避免地存在盲區(qū)，采用壓電片陣列進(jìn)行損m-core piezoelectric fiber rosettesJ. Journal of傷成像融合能夠有效的避免這一問(wèn)題。Intelligent Material Systems & Structures，2015.9含壓電陶瓷的封裝技參考文獻(xiàn)1術(shù)與性能研究D ：南京：南京航空航天大學(xué)，2012.Yan ChuanxiaEncapsulation and

38、Properties Research. 結(jié)構(gòu)健康M.北京：國(guó)防工.2007.業(yè)Yuan ShenfangStructural health monitoring andon M-core Piezoelectric FiberD ： Nanjing ：damagecontrolMy Press，2007(in:National Defence IndustrNanjing University of Aeronautics and Astronautics 10Zhao Xiaoliang，Gao Huidong，Zhang Guangfan， et alActive health monitoring