采用机电阻抗技术的结构健康监测系统技术方案

一种获取飞行器机械部件的结构健康状态的方法，所述方法通过使用换能器网络并运行同时作为致动器和传感器的每个换能器对每个关注频率点执行测量。通过每个任意频率点的正弦、恒定频率和任意振幅的电压波形单独激励用于轮询所述结构的每个换能器。专用硬件执行模拟的(模拟)量化，以测量每个换能器的电流和平均功耗。利用这两个变量，获得所监控结构不同区域的结构机电特征。

Structural health monitoring system using electromechanical impedance technique

A method of obtaining the mechanical components of the aircraft structure health status, the method by using a transducer network and run at the same time as each transducer actuator and sensor to measure the frequency of each executive attention. Each transducer for each of the structures is individually excited by a sinusoidal, constant frequency, and arbitrary amplitude voltage waveform at each frequency point. Dedicated hardware performs analog (Analog) quantization to measure the current and average power consumption of each transducer. Using these two variables, the structural electromechanical characteristics of the monitored structures are obtained.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用关于联邦资助的研究和开发的声明无。
这里的技术涉及电子感测和分析，并且更具体地涉及根据确定部件的机械阻抗来获取飞行器机械部件的结构健康状态的方法、系统和技术。
技术介绍
飞行器部件在使用中会承受压力。虽然已知用于自动分析振动响应中的变化的技术，但是使用更加简单、更有效并且更少耗时的技术来自动感测和分析机械阻抗的变化将是有益的。附图说明结合如下附图，通过参考以下对于示例的非限制性的说明性实施例的详细描述，将更好和更全面的理解这些以及其它的特征和优点，其中：图1示出了因压电片和被监控结构的相互作用而产生的示例性机电阻抗的一维模型。图2示出了施加到换能器(transducer)上的激励的正弦电压v(t)与其相应的循环电流i(t)之间的示例相移。图3示出了由换能器消耗的瞬时功率s(t)(虚线示出了平均功耗)。图4(a)和4(b)示出了换能器的电阻抗的部分(4(a))和其消耗的电功率的部分(4(b))之间的示例关系。图5是示出了如何测量和计算机电阻抗的电阻部分的示例的示意图。图6是示出了用于测量监控网络中每个换能器的EMI FRF的示例的非限制性的专用数据采集系统的的示意性框图。图7示出了引起EMI FRF中频率和/或振幅漂移的示例性温度环境影响。图8是描述了用于测量每个EMI FRF以及评估可能的损坏而实现的示例的非限制性的过程的流程图。具体实施方式图1示出了包含集成的传感器-致动器压电片的机械系统的已知一维模型。结合到结构中的压电(PZT)片的波动方程的解导致了由公式1给出的频率相关的电导纳(admittance)： Y ( ω ) = i ω α [ ϵ 33 - T ( 1 - i δ ) - Z s ( ω ) Z s ( ω ) + Z α ( ω ) d 31 2 Y ^ I I 2 ] - - - ( 1 ) ]]>公式1中，Y(ω)是电导纳(电阻抗的倒数)，za和zs分别是PZT和该结构的机械阻抗，是在零电场下压电片在方向1上的复数杨氏模量，d31是零应力下的压电耦合常数，是在零应力下的介电常数，δ是压电片的介电损耗角正切，以及α是压电片的几何常数。该公式表明，结合在结构上的压电晶片的电阻抗与宿主结构的机械阻抗直接相关。在一定频率范围上的EMI与结构的频率响应函数(FRF)类似，其包含关于结构完整性的重要信息。损伤引起结构刚度和/或阻尼的直接改变，并且改变系统的局部动态特性。因此，机械阻抗由于结构损坏而被改变。假设PZT压电片的特性保持恒定，则证明，zs(ω)是唯一确定机电系统整体导纳的结构的阻抗。通过监视所测量的EMI和将其与对应于原始条件的基线测量进行比较，可以定性地确定是否已经发生初期结构损坏。本文根据测量每个EMI FRF而提出的创新的方法是基于在每一个关注频率点，基于简单和简约的方程组计算有源换能器的机电阻抗的电阻部分。图2示出了施加到换能器上的正弦激励电压v(t)产生一个类似波形但具有相移θ的电流i(t)。公式2和3在数学上描述了这两个量，其中ω是以[rd/s]为单位的激励频率，V和I分别是激励电压和循环电流的幅值。v(t)＝V sin(ωt) (2)i(t)＝I sin(ωt+θ) (3)通过将公式2乘以公式3获得换能器消耗的瞬时功率s(t)。公式4表示了该结果： S ( t ) = V I c o s ( θ ) 2 - V I c o s ( 2 ω t ) c o s ( θ ) 2 + V I s i n ( 2 ω t ) sin ( θ ) 2 - - - ( 4 ) ]]>公式4中的第一项不随时间变化，并且包括了关于v(t)和i(t)的之间的相移的足够信息。图3示出了该项，它通常被称为平均功率。公式5在数学上将平均功率定义为v(t)和i(t)的之间的相移的函数： P ( θ ) = V I c o s ( θ ) 2 = V R M 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种获取对象或者结构部件的健康状态的方法，该方法利用EMI技术通过使用同时作为传感器/致动器来操作的一个或者多个压电换能器对每个关注带宽频率点执行测量，所述方法包括：a.对每个关注频率点，提供恒定频率和振幅的正弦波激励；b.模拟量化所述换能器的RMS循环电流和平均功耗，从而直接测量机电阻抗的电阻部分；c.补偿环境影响；以及d.补偿静态和动态负载；e.其中所述方法仅使用一个换能器来监控对象或者结构的预定区域的健康状态。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.16 US 14/107,5761.一种获取对象或者结构部件的健康状态的方法，该方法利用EMI技术通过使用同时作为传感器/致动器来操作的一个或者多个压电换能器对每个关注带宽频率点执行测量，所述方法包括：a.对每个关注频率点，提供恒定频率和振幅的正弦波激励；b.模拟量化所述换能器的RMS循环电流和平均功耗，从而直接测量机电阻抗的电阻部分；c.补偿环境影响；以及d.补偿静态和动态负载；e.其中所述方法仅使用一个换能器来监控对象或者结构的预定区域的健康状态。2.如权利要求1所述的方法，包括：使用专用电路执行所述换能器的平均功率和RMS电流这两者的模拟量化。3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：使用一组后处理算法以补偿施加到所监控的结构或对象上的温度和压力的变化的影响。4.如权利要求1所述的方法，进一步包括监控金属的或者非金属的对象或者结构的健康状态。5.如权利要求1所述的方法，包括：避免FFT算法生成EMI FRF响应。6.如权利要求1所述的方法，其中AD通道的采...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡米拉·贾尼尼·冈萨雷斯，格劳库·温贝托·戈梅斯，费尔南多·多塔，毛里西奥·哈特曼，保罗·安谢塔·达席尔瓦，里卡多·皮涅罗·鲁里，卡洛斯·阿尔贝托·加洛，多明戈·阿尔维斯·拉德，伊莱亚斯·比滕考特·特奥多罗，鲁兹·古斯塔沃·马丁斯，马科斯·莫赖斯·德索萨，罗伯特·门德斯·芬齐·内托，小瓦尔德·斯特芬，
申请(专利权)人：埃姆普里萨有限公司，乌贝兰迪亚联邦大学，
类型：发明
国别省市：巴西;BR