设计基于机电阻抗的快速自适应健康监测系统

针对传统高频机电阻抗（EMI）方法只能定性评价损伤，本项目研制具有高精度的自适应功能的定量EMI结构微损伤快速监测系统。该系统硬件上设计集成化、小型化的高灵敏度传感器，能将隐含在结构局部的损伤信息转换、评判、反馈、共振放大，监测灵敏度提高一个数量级以上。信号处理软件系统创新地利用谱有限元（SEM）逆算法由监测系统中的导纳变化提取结构损伤程度及位置，实现既能精确定位又能精确评价损伤程度之目标。同时提出基于概率的损伤定量评价方法，显著提高检测系统在噪音环境下的损伤检测精度、灵敏度及鲁棒性，并通过实验验证该系统测试的有效性，形成新的EMI微损伤监测技术及相关理论。未来结合无线传感网络技术，此创新技术能达到实时在线健康监测，并能应用于土木、机械和航空等领域。本项目研究涉及力学、超声学、电子学及控制理论等多门学科，理论、设计和实验上具有原创性，形成的相关研究成果具有重要的学术意义和工程应用前景。

机电阻抗技术通过比较有损伤结构的电阻抗与无损伤结构的电阻抗响应，可快速分析诊断结构损伤的存在，近年来已发展成为一种新的结构健康监测技术。为了实现机电阻抗法精确定量评价结构损伤的位置和损伤程度；构建受环境因素影响小，监测灵敏度高、稳定性好的结构健康监测系统，我们开展了本项目的研究工作。项目执行四年来，基本按照原有计划进行，取得的研究结果达到了项目计划书的预期要求。.基于谱有限元方法，建立了压电晶片和梁的耦合系统的谱有限元数值模型，以研究系统的动力学响应（机电阻抗/导纳）及超声导波的传播特性。理论和实验研究了铝梁中裂纹在不同位置及深度时对机电阻抗信号的影响。结果表明：开发的谱有限元模拟结果与有限元及实验结果具有较好的一致性，结构局部损伤导致局部刚度降低，阻抗信号共振峰左移，其左移量随着激励频率和裂纹深度的增加而增加，且会出现新的共振峰。如果裂纹位置处于结构共振模态节点，则部分共振峰几乎不偏移，为损伤定位提供了依据。在此基础上，发展了智能复合梁的热-机-电耦合谱有限元理论模型及损伤识别逆算法，建立损伤指标与材料刚度参数之间的定量关系，实现对结构微损伤位置的精确识别和损伤程度的量化。分析了机电阻抗信号随温度变化的机理，共振峰偏移主要取决于梁的材料参数随温度的变化，而幅值变化则主要取决于压电晶片材料参数随温度的变化。在机电阻抗测量平台构建方面，自主设计并完善了压电传感-可调谐电路机电阻抗检测系统，优化计算机终端实验数据自动采集程序，实现了扫描频段的自定义调节，并能够高精度、自动化测量耦合系统的机电阻抗，提高了系统在噪音环境下损伤监测的灵敏度及鲁棒性。.在项目研究期间，共在SCI、EI源刊物上发表论文14篇，在国内核心刊物上发表论文4篇，在国际学术会议做分会场报告3次，国内学术会议做分会场报告5次。本项目的研究结果为基于机电阻抗的快速自适应健康监测系统的设计提供了基础，形成的损伤监测技术及相关理论将具有重要的学术意义和工程应用前景。