[发明专利]一种带有温度补偿功能的压电阻抗监测系统及方法

说明书

本发明涉及一种带有温度补偿功能的压电阻抗监测系统及方法，包括：设置于被监测结构上的压电传感器和温度传感器；与所述压电传感器和温度传感器分别相连的电阻抗测量系统，用于测量不同温度下的压电传感器的电阻抗信号，根据该电阻抗信号获取作为补偿参数的谐振频率偏移量，并对该谐振频率偏移量进行线性拟合；与所述电阻抗测量系统相连的计算机，用于存储显示拟合函数结果。本发明能够抵消掉温度的影响，为压电阻抗法结构健康监测技术在户外大型结构中的应用提供了硬件系统及解决方法，进一步提高对被监测结构损伤状态判断的准确性。

技术领域

本发明属于压电阻抗法结构健康监测技术领域，具体涉及一种带有温度补偿功能的压电阻抗监测系统及方法。

背景技术

压电阻抗法结构健康监测技术是二十世纪末新发展起来的一种结构健康监测方法。与传统的基于模态分析的全局损伤检测技术相比，压电阻抗技术的工作频率较高，一般在30kHz以上，在结构内部激励的波动信号波长小，因而对结构的初始微小损伤非常敏感，具有很高的检测灵敏度。该方法不依赖模型分析，对于大型复杂结构，在不进行精确建模的情况下即可实现损伤的定性检测，避免了高频分析带来的困难。所使用的锆钛酸铅压电陶瓷(piezoelectric ceramic,PZT)传感器具有灵敏度高、反应速度快、长期稳定性好、线性范围大等优点，可以同时作为驱动器和传感器使用，非常适宜于大型复杂结构的在线监测。同时PZT传感器质量轻，对主体结构工作性能的影响较小，可以粘贴于在役结构表面或埋入新建结构内部进行健康监测。目前，压电阻抗技术已经成功应用于航空航天、精密机械、土木建筑等多个领域，在结构疲劳损伤监测研究中具有广阔的应用前景。

在大型结构的压电阻抗法监测现场，作为传感器的PZT片大多是采用表面粘贴的方法固定于被监测结构表面，在实际应用过程中，首先在结构处于正常无损伤状态时对PZT传感器的电阻抗值进行初始测量，之后在不同的损伤状态下测量PZT传感器的电阻抗值，通过对比电阻抗谱中谐振峰对应频率的偏移情况，可以达到检测损伤变化的效果。结构的电阻抗谱取决于结构的刚度、质量和阻尼系统。当质量和阻尼保持不变时，结构谐振频率的偏移直接反映其自身刚度的变化，因此，电阻抗谱中谐振峰偏移量是反映材料变化的本征参量。对于大型结构，由于外界环境温度的变化，会导致PZT传感器在工作过程中不可避免的出现温度变化，如在-20℃～40℃的温度范围内波动，随着温度的升高，PZT传感器的介电常数和压电系数会增大，导致不同温度下PZT传感器输出电阻抗信号的变化，表现为电阻抗谱中谐振峰对应频率出现偏移，该偏移情况会叠加到由于被监测结构损坏造成的谐振峰偏移中，干扰对被监测结构是否出现损伤的判断。

目前通用的压电阻抗法结构健康监测装置是商用阻抗分析仪(如WK6500B)都不包含温度检测和补偿功能，不同温度下测得的电阻抗信号可比性差，容易造成最终监测结果的误判。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种带有温度补偿功能的压电阻抗监测系统及方法，将温度测量功能加入到电阻抗测量系统，提供了一种频率偏移量的补偿方法，能够抵消掉温度的影响，为压电阻抗法结构健康监测技术在户外大型结构中的应用提供了硬件系统及解决方法。

为至少解决上述技术问题之一，本发明采取的技术方案为：

一方面，本发明提出了一种带有温度补偿功能的压电阻抗监测系统，包括：

设置于被监测结构上的压电传感器和温度传感器；

与所述压电传感器和温度传感器分别相连的电阻抗测量系统，用于测量不同温度下的压电传感器的电阻抗信号，根据该电阻抗信号获取作为补偿参数的谐振频率偏移量，并对该谐振频率偏移量进行线性拟合；

与所述电阻抗测量系统相连的计算机，用于存储显示拟合函数结果。