主動Lamb波健康監測系統設計及應用

蘇宇航，李繼承

（廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院，廣東 珠海 519000）

結構健康監測是一種基于智能材料和智能結構思想發展起來的多學科綜合交叉技術。根據實現方法的不同，該技術可以分為主動監測和被動監測。作為主動監測技術的重要方式，Lamb波檢測技術具有傳播距離遠、對小損傷敏感、能夠實現損傷定量定位等突出特點，在飛機平尾大軸、風機葉片、盆式絕緣子等結構的裂紋損傷監測中得到了應用。目前，該領域的研究熱點集中在不同形狀結構中Lamb波的傳播特性，Lamb波監測系統的構建和小型化，損傷定位定量算法。

1 主動Lamb波監測原理

Lamb波是在薄板結構中傳播的特殊類型超聲波，具有多模態和頻散特性。通過求解Lamb波的頻散方程可以得到不同材料、不同厚度條件下相速度和群速度頻散曲線，進而得到不同模態Lamb波的傳播速度。在現場應用中，當被監測結構形狀比較復雜時，多種模態的Lamb波信號相互疊加，給后期信號分析帶來較大難度。通過調整激勵信號的頻率，使用較低的檢測頻率，可以減少高階模態的激發，在被檢測結構內部僅保留低階模態，通常選用A0和S0模態作為檢測模態。

Lamb波信號的發射和接收元件均使用PZT傳感器，該種傳感器由鋯鈦酸鉛陶瓷經燒結制成，具有正逆壓電效應，可以同時作為發射和接收傳感器使用。現場檢測中所用到的PZT傳感器采用底面翻邊工藝制作，即將底面鍍膜電極從側面延伸到上表面，上下表面的鍍膜電極之間使用絕緣溝槽分隔開。使用強力膠將PZT傳感器粘貼到被監測結構表面，兩者之間的結合力要足夠強，膠水層的厚度和剛度會對監測結果產生影響。常用膠水包括環氧樹脂膠和快干膠，快干膠使用方便但只適用于短期監測，隨著監測時間的延長快干膠的黏結力會出現下降的現象。

環境溫度的變化會影響Lamb波對于損傷的定位精度，因為溫度會導致聲波傳播速度的變化。對于溫差變化較大的監測現場，在后期進行信號處理過程中需要對聲速進行補償。同時，潮濕環境會加速PZT傳感器表面電極的老化失效，傳感器封裝過程中應進行防水處理。避免將PZT傳感器粘貼于應力集中或存在加大應力的部位，放置PZT傳感器出現裂紋而提前報廢。

2 Lamb波監測系統設計

主動Lamb波監測技術實施過程中，需要將特定類型的激勵電壓信號加載到發射傳感器上，多個接收傳感器形成傳感器網絡，在不同損傷周期接收發射傳感器傳出的Lamb波信號，提取反映損傷類型和損傷位置的信息，實現損傷監測。

整套主動Lamb波監測系統包含信號發射裝置、功率放大裝置、接收放大裝置、信號采集裝置和控制裝置。其中，信號發射裝置的主要作用是輸出電壓激勵信號，可以使用波形發生器、波形發射卡、具有波形發射功能的芯片如AD9851等。信號發射裝置輸出的電壓信號幅度較低，通常不高于±10V，需要借助功率放大裝置將激勵信號的電壓放大到50V以上施加到發射傳感器的上下電極之間。

接收傳感器感應到的電壓信號比較微弱，需要借助電荷放大器進行信號放大，并將放大后的信號通過數據采集裝置顯示保存。常用的信號采集裝置包括美國NI公司的6366數據采集卡和數字示波器。控制裝置由個人計算機承擔，主要用于信號發射和數據采集過程的控制，以及信號處理和損傷成像。

3 試驗研究

本研究構建的主動Lamb波監測系統如圖1所示，包含AFG3051C任意波形發生器、ATA3900功率放大器、NI 6366數據采集卡、5015A型電荷放大器、個人計算機。圖2所示為本研究選用的一維鋁板檢測試樣。鋁板的尺寸為500mm×80mm×10mm，在其上粘貼2片PZT傳感器，位置見圖2。PZT傳感器的尺寸為φ20mm×2mm。使用PZT1作為發射傳感器，PZT2作為接收傳感器。首先，在結構沒有損傷的狀態下，利用波形發生器和功率放大器對PZT1進行信號激勵，所用激勵信號為5波峰正弦調制信號。PZT2接收結構處于健康狀態下的Lamb波信號。之后，利用線切割方法在PZT1和PZT2之間制作裂紋損傷，裂紋的長度為5mm和8mm，寬度為0.1mm。在完成裂紋加工后，利用PZT2傳感器接收結構處于不同損傷狀態下的Lamb波信號。

圖1 主動Lamb波監測系統

圖2 PZT傳感器和裂紋設置示意圖

利用主動Lamb波技術對圖2所示的平板結構進行損傷監測時，裂紋缺陷的出現會導致其附近傳播的Lamb波信號產生散射信號，通過提取并分析該散射信號可以獲得裂紋損傷的位置和尺寸變化。由于Lamb波傳播過程中的多模態和頻散特性，接收傳感器信號中包含多個反射波形的疊加，如何從接收信號中提取出反映裂紋特性的波形信號是該項技術的研究難點。最常用和最簡便的方法是將結構損傷前后的反射信號做差，在模態和聲速確定的情況下根據差信號峰值對應的時間可以確定出損傷的位置。通過多個傳感器形成的傳感器網絡，可以大致確定出損傷的形狀和大小。

圖3所示是出現裂紋損傷后，接收傳感器PZT2接收到的反射信號和結構沒有裂紋時反射信號的差信號結果。所使用的檢測模態為A0，檢測頻率為100kHz，在鋁板中的聲速為3021m/s，損傷散射信號的峰值和激勵信號之間的時間間隔為6.8×10-5s，表明裂紋和發射傳感器PZT1之間的距離為205mm。隨著裂紋尺寸的增大，缺陷反射信號幅度增大，直達信號幅度降低。

圖3 裂紋損傷檢測結果

4 結語

根據主動Lamb波技術的檢測原理構建了相應的檢測系統，以鋁板為檢測對象，對裂紋損傷進行了定位檢測，證明了所構建系統的有效性。作為一種具有監測面積大、損傷定位精度高的監測技術，主動Lamb波技術在檢測裝置的集成化和小型化方面仍需要繼續發展。