海上風機智能葉片材料壓電阻抗技術研究

鄭開元，任正奎，董秀芬，史凱特，湯 鵬，馬鵬閣

（1.中國長江三峽集團有限公司，北京 101199；2.鄭州航空工業(yè)管理學院，河南鄭州 450046）

0 引言

在海上風機葉片工作過程中，如果不能快速、及時發(fā)現(xiàn)基體出現(xiàn)的開裂損傷，就會造成葉片損傷擴展，導致風機服役年限縮短、降低發(fā)電效率。目前，兆瓦級風機葉片主要選用質量輕、耐腐蝕、化學穩(wěn)定性好等特點的玻璃纖維復合材料作為基體材料[1]。

智能材料由基體材料、感知材料、執(zhí)行材料和感知及測控系統(tǒng)組成，具有驅動、感知、響應、控制、自診斷等功能[2]。本文采用了新型的壓電陶瓷智能材料鋯鈦酸鉛PZT 與葉片內腔的基體材料玻璃纖維結合的智能結構，形成對玻璃纖維材料進行主動式損傷監(jiān)測的系統(tǒng)。通過在葉片基體材料玻璃纖維安裝PZT-5A傳感器，利用壓電陶瓷傳感器的正逆壓電效應，監(jiān)測葉片材料結構的信息。首先進行頻率掃描，通過分析PZT 傳感器反饋的信息得出幅頻特性，找到最大幅值處頻率Fc，再以特征頻率為輸入頻率，根據(jù)阻抗變化判斷是否存在損傷，再利用損傷指數(shù)進行評估（圖1）。

圖1 技術流程

1 智能壓電材料的檢測原理

1.1 壓電阻抗理論

壓電效應于19 世紀末被法國物理學家居里兄弟發(fā)現(xiàn)，其原理如圖2、圖3 所示。在基于壓電阻抗技術的無損檢測中，使用的PZT 傳感器是由壓電陶瓷材料制作而成的。由于壓電材料的正逆壓電效應，這種傳感器既能激勵信號，又能接收信號。在損傷檢測中，分析阻抗能夠間接測得被測結構的機械阻抗，這是利用壓電阻抗技術實現(xiàn)無損檢測的基本原理[3]。

圖2 正壓電效應

圖3 逆壓電效應

系統(tǒng)中PZT 傳感器的應力—電場關系為：

式中，εj表示機械應變，表示彈性柔順常數(shù)，σj表示機械應力，dij表示壓電應變常數(shù)，Ej表示電場強度，Dj表示電位移，表示介電常數(shù)。

1.2 PZT 傳感器一維壓電耦合阻抗模型（圖4）

圖4 一維壓電耦合阻抗模型

質量—剛度—阻尼系統(tǒng)的機械阻抗表達式為：

從式（3）可知，角頻率ω 固定的情況下，質量m、剛度k 和阻尼c 三個參數(shù)決定了結構的機械阻抗的大小。當系統(tǒng)發(fā)生損傷后，將導致結構的質量、剛度和阻尼發(fā)生改變，這將造成系統(tǒng)機械阻抗的變化。因此，通過監(jiān)測直接貼附于結構表面的PZT 傳感器的電阻抗信號，就可以間接監(jiān)測結構內部特性的變化[4]。

1.3 特征頻率

工作頻率的選取需要考慮其應力波波長小于損傷的尺寸，應力波波長可以達到毫米級，因此應力波會因微小損傷的出現(xiàn)而大幅衰減，從而達到檢測初始損傷的目的[5]。由于玻璃纖維與壓電陶瓷材料耦合的有效頻段為0～500 kHz。為保證PZT 傳感器的有效監(jiān)測范圍及對結構損傷識別的敏感性，選擇0～500 kHz 的頻段。根據(jù)該頻段的幅頻特性曲線得出中心頻率，該頻率信號的信噪比高、能力衰減弱、探測距離大，在中心頻率下的損傷指數(shù)更加精確。

1.4 評估指標

結構的損傷程度加劇后，會導致信號曲線之間誤差加大，可以采用損傷指標避免觀察帶來誤差。常用的損傷指標有均方根偏差（RMSD）、平均絕對百分比偏差（MAPD）、協(xié)方差（COV）、互相關系數(shù)（CC）等，其中均方根偏差（RMSD）的效果最為優(yōu)異[6]。

均方根偏差（RMSD）：

式中，y 為損傷信號，x 為健康狀態(tài)信號，N 為信號的采集數(shù)。

2 實驗設計

實驗采用3420 環(huán)氧樹脂玻璃纖維板材，其規(guī)格為長度400 mm、寬度400 mm、厚度5 mm 的正方形板材。在玻璃纖維板材上布置了12 塊電極正負極同壓電片，相鄰PZT 傳感器間距100 mm，PZT 傳感器距離板材邊緣距離為50 mm（圖5）。

圖5 無損玻璃纖維板材

輸入信號采用STM-32F407 型單片機進行處理。采用AD9851 芯片產生兩路正弦信號，一路為信號的主頻模塊，另一路為調幅信號，用于產生壓電驅動器所需的正弦信號。信號采集模塊共有7路采集接口，其中前3 路可以采集高電壓，以適應采集放大倍數(shù)較高的電壓信號；另外4 路是可采集低電壓信號，用于低放大倍數(shù)的實驗電壓信號。起始點為25 kHz、終止頻率為500 kHz、步長為25 kHz，可以檢測20 個點，并繪制幅頻曲線圖。

中心頻率是幅頻特性曲線最大幅度對應的頻率，該頻率即為結構的中心頻率。在此頻率下，PZT 傳感器的激勵傳播能量損失最小、信噪比最高，可以有效提升PZT 傳感器的檢測精度與檢測范圍。

在玻璃纖維板材上切割了一條長60 mm、寬5 mm、深3 mm 的損傷，損傷中心與PZT3 的距離為100 mm，與PZT5 的距離為100 mm（圖6）。選擇200 kHz 為中心頻率激勵驅動器，通過切換探測模塊采集2 組數(shù)據(jù)，第1 組選擇PZT1～PZT4 做縱向數(shù)據(jù)采集，用以確定損傷的縱向相對位置；第2 組選擇PZT4～PZT7做橫向數(shù)據(jù)采集，用以確定損傷的橫向相對位置。共采集32 次特征頻率下?lián)p傷后的玻璃纖維的阻抗信息，再根據(jù)數(shù)據(jù)的RMSD 指數(shù)確定損傷的坐標，作為損傷定位的基準，為后續(xù)的損傷定位提供阻抗參考。

圖6 損傷玻璃纖維板材

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 中心頻率選擇

由圖7 數(shù)據(jù)分析可得，基體材料玻璃纖維在無損狀態(tài)下的諧振頻率在200 kHz 范圍內，則將中心頻率固定為200 kHz。通過驅動器發(fā)射中心頻率的激勵，對比分析感知器在損傷前、后的信號，利用損傷指數(shù)進行評估來定位損傷的位置。

圖7 玻璃纖維健康狀態(tài)的幅頻特性

3.2 特征頻率點阻抗

在頻率200 kHz 時，無損狀態(tài)阻抗為7.78 Ω、初始損傷狀態(tài)阻抗為9.41 Ω、加深狀態(tài)阻抗為10.07 Ω、加寬狀態(tài)阻抗為11.22 Ω、加長狀態(tài)阻抗為12.51 Ω，無損與有損的阻抗均達到最小值（圖8）。隨著損傷的擴展，阻抗在特征頻率處也會增大。

圖8 損傷前后阻抗對比

3.3 損傷檢測與定位

由圖9 可知，PZT3 做激勵與PZT8 接收的RMSD最大，因此，損傷距離PZT3 和PZT8 檢測路徑最近。PZT5 做激勵與PZT12 接收的RMSD 最大，因此，損傷距離PZT5 和PZT12 檢測路徑最近。通過橫向與縱向兩條檢測路徑，可確定損傷的位置過PZT3 與PZT8 的連接線與PZT5 與PZT12 的連接線的交點。

圖9 陣列定位RMSD

對比圖6、圖10 可知，陣列式定位的理論結果與實際定位的結果一致，表明基于智能結構特征頻率的阻抗檢測系統(tǒng)能夠通過對陣列橫縱方向損傷最敏感的驅動探測路徑能夠確定損傷的具體位置。

圖10 損傷定位理論結果

4 結束語

在壓電陶瓷與玻璃纖維耦合系統(tǒng)中，損傷會導致結構的質量、剛度和阻尼發(fā)生改變，造成耦合阻抗的明顯變化。對于檢測路徑上的損傷，阻抗增幅更加明顯。PZT 傳感器耦合玻璃纖維系統(tǒng)，能夠有效檢測損傷的位置和程度。實驗結果表明：在特征頻率處，隨著損傷的擴大，特征頻率阻抗也會隨之增大；由于損傷在檢測路徑上的敏感性最高，可以根據(jù)橫向與縱向RMSD 變化最大的兩條檢測路徑的交點，確定損傷的具體位置。