基于壓電陶瓷的銷軸連接受力狀態(tài)監(jiān)測

霍林生，張晨晨，趙 楠

(大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

0 引言

結構連接構件的健康監(jiān)測對保證結構的安全運行具有重要意義。銷軸連接作為一種常用的連接構件，在鋼結構、橋梁、塔吊等工程結構中大量使用[1]。在某些情況下，結構承受過大的荷載會導致連接構件的損壞，從而影響結構的正常運行和安全性。因此，實時監(jiān)測銷軸連接的受力狀態(tài)，并及時評估連接構件的可靠性，對保證整體結構的正常運行具有重要意義。

結構健康監(jiān)測技術能實時獲得結構的健康狀態(tài)，并提高結構的安全性[2]。近年來，基于壓電陶瓷的主動傳感方法因其具有形式多樣，頻響范圍寬，安裝簡易及成本低等特點，在結構的損傷檢測和健康監(jiān)測中都得到了廣泛的應用。Kong等[3]將球形壓電智能骨料埋置于混凝土材料中，基于壓電傳感方法實現(xiàn)了混凝土早期強度的監(jiān)測。Huo等[4]基于壓電陶瓷研發(fā)了一種智能墊圈，并提出利用時間反演法來識別螺栓預緊力的變化。許斌等[5]研究了利用壓電陶瓷對鋼管混凝土柱進行脫空監(jiān)測的方法，該方法在混凝土內埋置智能骨料作為驅動器，在鋼管表面粘貼壓電陶瓷片作為傳感器，并利用主動傳感方法成功檢測出了該結構的脫粘區(qū)域。Zhang等[6]基于壓電陶瓷和小波包能量分析法提出了錨固連接鋼絞線的預應力監(jiān)測方法，并通過實驗驗證了其可行性。Feng等[7]提出利用壓電主動傳感方法來檢測混凝土管道的裂縫和泄漏，根據(jù)應力波在裂紋中的能量衰減程度來區(qū)分裂紋類型，并進一步確定泄漏量。目前，基于壓電陶瓷的銷軸連接狀態(tài)監(jiān)測技術也正在展開研究。

本文將一對壓電陶瓷片粘貼在銷軸連接裝置的銷軸和耳板表面，一個用于發(fā)射應力波信號，一個用于接收應力波信號。基于壓電波動法和小波包能量理論，研究了利用接收應力波信號的能量值特征來識別銷軸連接受力狀態(tài)的監(jiān)測方法，并開展實驗研究驗證了該方法的可行性。

1 基于壓電波動法的銷軸連接狀態(tài)監(jiān)測原理

1.1 壓電波動法原理

壓電波動法是將一對壓電陶瓷安裝在結構中，利用壓電智能材料的正、逆壓電效應進行應力波的“一發(fā)一收”，從而與結構形成完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)應力波傳播理論分析可知，當結構出現(xiàn)損傷變化時，傳感器接收的應力波信號特征(幅值、能量值和波速等)會發(fā)生變化，通過分析信號特征的變化可以獲得有關結構狀態(tài)變化的信息，從而實現(xiàn)對結構的健康監(jiān)測。

1.2 銷軸連接受力狀態(tài)監(jiān)測原理

當銷軸連接承受結構內力時，其銷軸和耳板銷孔的表面會因相互擠壓而形成接觸界面。從微觀層面上看，銷軸和銷孔的表面是粗糙的，因此，該界面是粗糙接觸界面，如圖1所示。對于粗糙的彈性表面，已有研究證明[8]，當兩個粗糙表面相互擠壓時，其真實接觸面積隨法向壓力(F)的增大而增大。因此，對于圖1所示的銷軸連接裝置，在一定壓力范圍內，隨著銷軸連接裝置所受外力增大，其粗糙接觸界面上的真實接觸面積增大。

圖1 銷軸連接中的粗糙接觸界面

根據(jù)以上分析并結合壓電波動法原理，設計了銷軸連接受力狀態(tài)的監(jiān)測方案(見圖2)，在銷軸和耳板的表面各粘貼1個壓電陶瓷片(即PZT)，當銷軸連接的受力狀態(tài)發(fā)生變化時，其接觸界面的接觸狀態(tài)會發(fā)生相應變化，從而影響應力波在接觸界面的傳播。因此，分析壓電陶瓷片接收傳播的應力波信號，可判斷銷軸連接的受力狀態(tài)。

圖2 銷軸連接受力狀態(tài)監(jiān)測的方案

1.3 小波包能量分析法

小波包能量分析法是壓電波動法中常用的一種信號處理方法，為信號能量分析提供了一種精確的分析方法，因而近年來在結構健康監(jiān)測中得到了廣泛應用[9-12]。為了對實驗得到的應力波信號進行分析，本文采用小波包能量分析法獲得信號的能量值。將壓電陶瓷片接收到的信號進行分解，圖3為小波包分解原理圖，其中A代表低頻，D代表高頻，下角表示分解的層數(shù)。

圖3 小波包分解原理圖

將信號X進行n層小波包分解，則末層會生成n個信號子集[9]：

X=X1+X2+…+Xi+…+X2n-1+X2n

(1)

式中Xi為小波包分解后的信號子集，i=1,2,…,2n為頻段。

Xi可表示為第i個頻帶中所有離散點幅值的集合：

Xi=[xi,1,xi,2,…,xi,j,…,xi,m-1,xi,m]

(2)

式中Xi,j為Xi中第j個采樣點的數(shù)值，j=1,2,…,m為采樣點順序。則Xi的能量可表示為

(3)

因此，接收的應力波信號能量值為

(4)

利用小波包能量分析法可以分析信號的能量值特征，從而對不同受力狀態(tài)下銷軸連接界面的信號能量值進行比較。顯然，當銷軸連接所受荷載值增大，其連接界面的真實接觸面積增大，從而壓電陶瓷片接收到的應力波信號能量增大。

2 實驗方案

2.1 實驗裝置

基于上述監(jiān)測原理，設計了銷軸連接受力狀態(tài)監(jiān)測試驗方案(見圖4)。由圖可知，整個實驗包括計算機、數(shù)據(jù)采集卡(NI-USB 6366)、壓電功率放大器和萬能試驗機(可最大加載100 kN)。

圖4 實驗裝置

圖5為制作的銷軸連接裝置。在銷軸和耳板表面粘貼壓電陶瓷片，分別為PZT-A和PZT-B。壓電陶瓷片采用壓電智能骨料傳感器(銅殼)，其內部為PZT-5H型壓電陶瓷(直徑?15 mm、厚為0.5 mm的圓形片材，其部分參數(shù)如表1所示)。壓電智能骨料傳感器具有安裝簡易，抗干擾性強及保護內部壓電陶瓷等優(yōu)點。

圖5 銷軸連接裝置及采用的壓電陶瓷片

表1 PZT-5H型壓電陶瓷參數(shù)

2.2 實驗步驟

利用萬能試驗機對銷軸連接裝置施加豎向荷載來模擬銷軸連接的不同受力狀態(tài)。加載過程由萬能試驗機的控制平臺預先設定，以5 kN為初始荷載，并以10 kN為間隔逐步加載到95 kN，每一步加載結束后萬能試驗機都將保載一段時間，以供實驗測試的需要。為保證實驗的可重復性，在相同實驗環(huán)境和操作下，進行了3次重復加載和測試試驗。

利用掃頻信號測試程序(基于LabView)發(fā)射一個正弦掃頻信號，正弦信號掃頻寬度為20～200 kHz，幅值為10 V，掃頻周期為1 s，此掃頻信號的具體參數(shù)如表2表示。該激勵掃頻信號經功率放大器放大，激發(fā)PZT-A產生應力波，PZT-B接收界面?zhèn)鞑サ膽Σú⑥D換成電壓信號，最后該電壓信號被數(shù)據(jù)采集卡(NI-USB 6366)采集并發(fā)送回測試程序中。

表2 掃頻信號參數(shù)

3 實驗結果與分析

對實驗數(shù)據(jù)進行分析，圖6為全部實驗荷載工況下PZT-B接收到的時域信號。由圖可知，每個時程曲線存在多個共振峰-峰值，且不同工況下，最大共振峰-峰值位置發(fā)生變化，因此無法從單一時程曲線判斷連接界面的受力狀態(tài)。本文通過小波包能量法處理不同工況下的時程曲線。

圖6 全部實驗荷載工況下的接收信號

圖7 接收信號能量值與荷載的關系

圖8 3次重復實驗的結果

對接收信號進行5層小波包分解，末層共分解為32個信號子集(即32個頻段的信號)。利用小波包能量分析法得到接收信號的能量值，如圖7所示。由圖可知，隨著施加在銷軸連接裝置上的荷載值增加，接收信號的能量也隨之增大。圖8為基于小波包能量分析法的3次重復實驗結果。由圖可知,3次實驗結果有較好的一致性。由實驗結果分析接收信號的能量值特征可判斷銷軸連接的受力狀態(tài)，因此，該監(jiān)測方法具有可行性和實際應用價值。

根據(jù)圖8可知，隨著試驗荷載的逐步增加，接收信號的能量值增加逐漸減緩，直到趨于飽和。其原因是當連接界面承受較大荷載時，隨著荷載的進一步增大，連接界面的接觸狀態(tài)變化微小，從而導致壓電陶瓷片接收的應力波信號的能量值也逐漸趨于飽和。因此，下一步的研究重點是在較大法向荷載壓力作用下連接界面的微小受力狀態(tài)變化。

4 結論

本文研究了一種基于壓電理論的銷軸連接受力狀態(tài)的實時監(jiān)測方法，并對其展開了理論和實驗研究，結果表明：

1) 根據(jù)壓電波動法原理，實現(xiàn)了在銷軸和耳板上布設壓電陶瓷片，實時監(jiān)測銷軸受力狀態(tài)的監(jiān)測方法，并通過實驗研究證明了該方法的可行性。

2) 接收信號的能量值特征與銷軸連接的受力狀態(tài)相關。實驗表明，隨著接觸面的法向壓力增大，接收信號的能量值隨之增大。

3) 當實驗荷載增大到一定值后，接收信號的能量值特征對荷載值的變化不再敏感，達到飽和狀態(tài)。