實驗(yan)名稱(cheng)：基于壓電智(zhi)能傳感技術的(de)鋼結構節點連接健康(kang)監測研(yan)究

　　研究方(fang)向：無損檢(jian)測

　　測試(shi)目(mu)的：

　　鋼(gang)(gang)結(jie)構在安裝和(he)使用(yong)過程中(zhong)，節點連(lian)接區較常(chang)見的(de)兩類損傷(shang)：螺栓松動和(he)裂紋擴展進行研(yan)(yan)究(jiu)，提(ti)出了基于壓電(dian)智能傳(chuan)感技術的(de)鋼(gang)(gang)結(jie)構節點連(lian)接健(jian)康監(jian)測(ce)(ce)方(fang)法(fa)，以期為鋼(gang)(gang)結(jie)構的(de)安全運(yun)營(ying)提(ti)供一定保障。具體研(yan)(yan)究(jiu)內容(rong)包括(kuo)：基于時間(jian)反(fan)演技術的(de)鋼(gang)(gang)塔筒法(fa)蘭(lan)節點螺栓松動監(jian)測(ce)(ce)研(yan)(yan)究(jiu)；基于壓電(dian)阻(zu)抗和(he)BP神經網絡的鋼網架節點連接區裂紋擴展監測研究。

　　測試設備：ATA-2022B高壓放大器、通道數獨立(li)式數據(ju)采集卡、力矩扳(ban)手、壓(ya)電陶瓷片、筆記(ji)本(ben)電腦。

圖：基(ji)于(yu)時(shi)間(jian)反演技術的鋼塔筒(tong)法蘭節點螺栓松動監測(ce)流(liu)程圖

　　實驗過程：

圖：基于時間(jian)反演(yan)技術的鋼塔筒法蘭節點螺栓(shuan)松(song)動監測的試驗(yan)裝(zhuang)置圖

　　基(ji)于時(shi)間反演技術的(de)鋼塔筒法蘭節(jie)點螺栓松(song)動監測的(de)試驗裝置(zhi)，如上(shang)圖所示。以1號螺栓為例，具體試驗過程如下：

　　1）設備(bei)連(lian)通與(yu)信號發射(she)。根據(ju)上圖(tu)所示的(de)試驗裝置，完成設備(bei)的(de)連(lian)接，開啟電源(yuan)進(jin)行(xing)儀器預熱(re)并設置好相(xiang)關參數，等待(dai)指(zhi)示燈顯示各(ge)設備(bei)連(lian)接正常后，進(jin)行(xing)信號發射(she)。

　　2）信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)采(cai)集。對法蘭節點處的(de)螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)施(shi)加工況一(yi)即初擰，由電(dian)(dian)(dian)腦Labview程序控制數據采(cai)集卡發射高(gao)斯脈沖(chong)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)，信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)通(tong)(tong)過連(lian)線到達功率放(fang)大(da)器被(bei)放(fang)大(da)50倍；放(fang)大(da)后(hou)的(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)通(tong)(tong)過連(lian)線到達螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)帽(mao)上的(de)PZT1，并(bing)產生一(yi)個應力(li)波(bo)，該(gai)應力(li)波(bo)穿過螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)和(he)法蘭盤連(lian)接(jie)表面，之后(hou)被(bei)PZT2接(jie)收(shou)；Labview程序利用時間反演(yan)技(ji)術(shu)將(jiang)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)進(jin)行反轉(zhuan)并(bing)發射；最終(zhong)，應力(li)波(bo)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)在PZT1處形成(cheng)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)聚焦，PZT1通(tong)(tong)過逆壓電(dian)(dian)(dian)效應將(jiang)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)轉(zhuan)化為電(dian)(dian)(dian)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)，通(tong)(tong)過連(lian)線傳遞到信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)采(cai)集卡中，信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)采(cai)集卡將(jiang)電(dian)(dian)(dian)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)轉(zhuan)化成(cheng)數字(zi)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)，保(bao)存(cun)至電(dian)(dian)(dian)腦端。以同樣(yang)的(de)方式，完(wan)成(cheng)1號(hao)(hao)(hao)螺(luo)(luo)(luo)栓(shuan)不(bu)同工況下的(de)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)采(cai)集。

　　本試驗(yan)選用PZT在100kHz附近的一個頻率峰值，即中心頻率設為100kHz，試驗中采樣頻率為1MHz，采樣時長為1s。具體參數如表3.3所示。根據脈沖信號的相關參數，利用高斯型調制正弦模式生成的脈沖信號，如下圖所示。

圖：高斯脈沖信號圖

　　實驗結(jie)果：

　　鋼塔筒法(fa)蘭節(jie)點損傷(shang)機理：法(fa)蘭節(jie)點上的PZT片被高斯信號激勵后，產生應力波并沿著法蘭節點進行傳遞，當法蘭節點處的連接發生松動時，法蘭節點之間的接觸面積相對減少，引起應力波能量在傳感器之間的傳播和衰減，能量變化會引起聚焦峰值的不同，通過聚焦信號峰值的變化就可以判斷法蘭節點的松緊狀態。

　　鋼塔筒法(fa)蘭節點損傷識別結(jie)果(guo)：七種不同扭(niu)矩值(zhi)作(zuo)用下，鋼塔筒法(fa)蘭節點結(jie)構(gou)基于(yu)時間反(fan)演技術測(ce)得的聚(ju)焦信號峰值(zhi)，如下(xia)圖所示，從圖像中可(ke)以(yi)得到，在不同的(de)工況下(xia)即(ji)在不同的(de)扭矩值(zhi)作(zuo)用下(xia)，應力波信號形成(cheng)了(le)不同程度(du)的(de)聚焦，驗(yan)證了(le)時間反演技(ji)術的(de)有效性。

圖：1號螺栓在不同扭矩值作用下的應力波聚焦信號圖

　　為了更加直觀的(de)反應(ying)不同工況下應(ying)力波聚焦信號的(de)變化趨(qu)勢(shi)，提取1號螺栓每種工況下應力波的聚焦峰值，利用Origin軟件繪制1號螺栓在不同扭矩值作用下，應力波信號的聚焦峰值和扭矩值之間變化的曲線圖，如下圖所示，由曲線圖可知：1）每一種工況下應力波的聚焦峰值各不相同，扭矩值和應力波的聚焦峰值存在非線性關系，且應力波信號聚焦峰值的大小隨著扭矩值的增加而增大，這與之前的推導結果呈現一致性，即PZT片接收到的應力波信號的聚焦峰值越多，法蘭節點有效接觸面積越多，法蘭節點連接就越緊密。進一步證明了基于時間反演技術所獲得的應力波信號的聚焦峰值可以實現鋼塔筒法蘭節點連接狀態的有效監測；2）在整個曲線圖中，應力波的聚焦峰值在扭矩值為0-45N?m的范圍內增速較快，后期增速趨于平穩，這是因為隨著扭矩值的不斷增加，越來越靠近健康狀態，所以，圖像變化較慢，增長速度較緩。

圖：1號螺栓不同扭矩值作用下聚焦信號峰值的變化圖

　　安泰ATA-2022B高壓放大器：

圖(tu)：ATA-2022B高壓放大器指標參數

　　本文實驗素材(cai)由西(xi)安(an)安(an)泰電子整理(li)發布。Aigtek已經成為在業界擁有廣泛產品線，且具有相當規模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。西安(an)(an)安(an)(an)泰(tai)電子是專業從事(shi)功率放大(da)器、高(gao)壓放大(da)器、功率信(xin)號源、前置微小信(xin)號放(fang)大器、高精度(du)電壓源(yuan)、高精度電流(liu)源等電子測(ce)量儀器研(yan)發、生產和銷售(shou)的高科技(ji)企(qi)業。公(gong)司致力(li)于功率放(fang)大(da)器(qi)、功率信(xin)號源、計(ji)量校準(zhun)源等產(chan)品(pin)為核心(xin)的(de)(de)相(xiang)關(guan)行業(ye)測(ce)試(shi)解(jie)決方案的(de)(de)研究，為用(yong)戶(hu)提供具(ju)有競爭力(li)的(de)(de)測(ce)試(shi)方案，Aigtek已經成為在業(ye)界擁有廣泛產(chan)品(pin)線，且具(ju)有相(xiang)當規模的(de)(de)儀器(qi)設備供應商，樣(yang)機都支持(chi)免(mian)費試(shi)用(yong)。如(ru)想了解(jie)更多功率放(fang)大(da)器(qi)等產(chan)品(pin)，請(qing)持(chi)續(xu)關(guan)注(zhu)安泰(tai)電子官網hkdyw.cn或撥打029-88865020。

　　本文實驗案例參考自(zi)知網論文《基于壓電智能傳(chuan)感技術(shu)的鋼(gang)結構節點連(lian)接健康監測研(yan)究(jiu)》