廖付陽，楊東儒，趙小波，姚英邦，陶 濤，梁 波，肖志明，魯圣國（通信作者）

（1 廣東省智能材料和能量轉(zhuǎn)化器件工程技術(shù)研究中心 廣東 廣州 510006）

（2 廣東省功能軟凝聚態(tài)物質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東 廣州 510006）

（3 廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院 廣東 廣州 510006）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，人民群眾的生活水平正在不斷提高。目前工程結(jié)構(gòu)正在向大型化、多樣化、復(fù)雜化方向發(fā)展，例如航空航天、土木建筑、橋梁、軍事設(shè)施等工程結(jié)構(gòu)貫穿人類生活的方方面面，安全歷來都是最受人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。如何避免建筑結(jié)構(gòu)因材料老化，服役時(shí)環(huán)境的影響、疲勞效應(yīng)以及其他方面的物理化學(xué)影響下發(fā)生災(zāi)難性的事故，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究逐漸成為工程領(lǐng)域一個(gè)十分重要的研究課題。這些大型結(jié)構(gòu)如房屋、橋梁、堤壩等的使用壽命往往長達(dá)幾十年甚至上百年，如果不能預(yù)見因結(jié)構(gòu)損傷帶來的突發(fā)事故，很可能會(huì)造成非常嚴(yán)重的影響，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)以及國家安全造成極大的破壞[1]。

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳感器技術(shù)的應(yīng)用，“可穿戴”的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)即接觸式傳感系統(tǒng)也得到了進(jìn)一步發(fā)展，不論是應(yīng)用于人體還是應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（structural health monitoring,SHM）[2-3]，如今普遍存在靈敏度不高、信噪比較低以及分析結(jié)果誤差較大等問題。懸臂梁結(jié)構(gòu)較為簡單，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)其結(jié)構(gòu)等效后易于研究。對(duì)基于固有頻率識(shí)別的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，接觸式傳感器往往會(huì)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。因此，本文針對(duì)非接觸式激光測(cè)振儀、搭配數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)不同材料及損傷結(jié)構(gòu)懸臂梁進(jìn)行了測(cè)試，研究了結(jié)構(gòu)損傷于監(jiān)測(cè)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 研究方法

1.1 基本原理

1.1.1 虛擬儀器概述

在工業(yè)測(cè)試，故障診斷、模態(tài)分析等各個(gè)領(lǐng)域中測(cè)試儀器的應(yīng)用是非常廣泛的，專用的動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀器精度高、功能多，但是造價(jià)昂貴操作也比較復(fù)雜，最重要的是無法擴(kuò)展。而隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能愈加突出，利用這些相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)儀器的部分或全部功能，并基本克服了上述缺點(diǎn)。因此虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生[4]。

搭配NI 的數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計(jì)基于Labview[5]平臺(tái)的一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集軟件前面板與主要程序框圖分別見圖1 和圖2。

1.1.2 損傷識(shí)別辦法

基于固有頻率的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別辦法[6]，在眾多基于模態(tài)參數(shù)識(shí)別的方法中，是較容易實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)楣逃蓄l率容易獲取，且損傷的發(fā)生造成結(jié)構(gòu)剛度降低、阻尼增加，造成固有頻率的損失，而結(jié)構(gòu)質(zhì)量的變化可以忽略不計(jì)。結(jié)構(gòu)的固有頻率與其剛度、彈性模量相關(guān)。因此，基于固有頻率的損傷識(shí)別辦法已經(jīng)被廣泛用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中[7]。

根據(jù)歐拉-伯努利懸臂梁模型，得到等截面梁的動(dòng)力學(xué)方程[8]：

懸臂梁的主振型即式（1）的解設(shè)為：

將式（2）代入式（1）中可得：

其中C i(i= 1 - 4)和ω應(yīng)滿足的頻率方程由懸臂梁的邊界條件確定。

當(dāng)懸臂梁的初始條件為一端固定，一端自由時(shí)，固定端撓度和截面轉(zhuǎn)角為0，即φ(0) = 0，φ′ (0) = 0,自由端的彎矩和截面剪力為0，即φ′ (l) = 0,φ′(l) = 0,代入式（4）可得：

解出上述頻率方程可得：當(dāng)i=1，2，3 時(shí)，1lβ=1.875，β2l=4.694，β3l=7.855;當(dāng)i≥3 時(shí)π（i=3，4，…）。

各階固有頻率為：

因此，結(jié)構(gòu)固有頻率與其健康狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)，相應(yīng)的固有頻率也發(fā)生變化。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)試件

實(shí)驗(yàn)試件選用了兩種材料，第1 種材料為6 061 鋁合金，材料參數(shù)為彈性系數(shù)68.9 GPa，泊松比0.33。第2種材料為Q235 碳鋼，材料參數(shù)為彈性系數(shù)為2e11Pa，泊松比為0.31，密度為7 850kg/m3。懸臂梁尺寸見圖3，外形尺寸為420 mm×25 mm×4 mm。其中固定端深入長度為20 mm，振動(dòng)長度為600 mm。通過激光切割在懸臂梁上切掉長度不等的圓環(huán)形缺口來模擬損傷，不同類型尺寸的懸臂梁實(shí)驗(yàn)試件的損傷長度分別120 mm 和80 mm。為了表述方便，將損傷長度為120 mm 的碳鋼懸臂梁試件定為A，損傷長度為80 mm 的碳鋼懸臂梁試件定為B，將未損傷碳鋼懸臂梁試件定為C，損傷長度為120 mm 的鋁合金懸臂梁試件定為D，損傷長度為80 mm 的鋁合金懸臂梁試件定為E，未損傷6 061 鋁合金懸臂梁試件定為F[9]。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

搭建好的實(shí)驗(yàn)裝置見圖4。物品清單分別是：臺(tái)虎鉗，90 度角碼，M10 螺母，實(shí)驗(yàn)試件，砝碼，光纖傳感器，數(shù)據(jù)采集卡，臺(tái)式計(jì)算機(jī)。以下詳細(xì)介紹各個(gè)部件作用及參數(shù)。

（1）臺(tái)虎鉗的作用是為了固定連接實(shí)驗(yàn)試件的90 度角碼。選用的是滿安五金公司生產(chǎn)的5 寸重型臺(tái)虎鉗，總質(zhì)量為11 kg。為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性且不影響實(shí)驗(yàn)試件的自由運(yùn)動(dòng)，臺(tái)虎鉗的質(zhì)量相較于實(shí)驗(yàn)試件應(yīng)該足夠大。

（2）90 度角碼的作用是連接并穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)試件，一頭使用螺母固定實(shí)驗(yàn)試件，一頭夾在鉗口里面。因?yàn)榕_(tái)虎鉗的鉗口朝上而實(shí)驗(yàn)試件為橫向放置。

（3）M10 螺母是為了固定角碼和實(shí)驗(yàn)試件。

（4）實(shí)驗(yàn)試件已在上節(jié)介紹。

（5）砝碼的作用是為了給實(shí)驗(yàn)試件一個(gè)初始速度。

（6）信號(hào)調(diào)理電路板為定制的電路板。

（7）數(shù)據(jù)采集卡選用的是NI 公司的USB-6001。

（8）裝有數(shù)據(jù)采集軟件的計(jì)算機(jī)為個(gè)人電腦。

2 過程討論

2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)按圖示正確連接好之后，用輕繩將砝碼系在懸臂梁的自由端。將測(cè)振控制器接上電源，速度解碼口連接到數(shù)據(jù)采集卡，然后將數(shù)據(jù)采集卡通過USB接口連接到PC機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明，將控制器的速度檔位設(shè)置成50 mm/s/V 得到的結(jié)果較為良好。然后將激光測(cè)振儀通過專用光纜連接到測(cè)振控制器，最后調(diào)節(jié)光纖探頭聚焦，確保打在懸臂梁上的激光能夠反射回探頭，測(cè)振控制器里有個(gè)信號(hào)指示燈，當(dāng)反射回光纖探頭的信號(hào)達(dá)到要求時(shí)，就可以開始振動(dòng)實(shí)驗(yàn)了。打開PC 機(jī)運(yùn)行Labview 程序。點(diǎn)擊前面板的開始采集按鈕啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，待系統(tǒng)穩(wěn)定之后，然后馬上用剪刀剪短細(xì)繩，此時(shí)懸臂梁會(huì)做自由振動(dòng)，光纖傳感器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)輸出到PC 機(jī)[10]。待懸臂梁恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)之后，點(diǎn)擊前面板的停止采集按鈕，然后保存數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 Q235 碳鋼懸臂梁

以下數(shù)據(jù)均為在采樣率設(shè)置為500 S/s 的條件下采集得到，在剪短細(xì)繩之后，懸臂梁在豎直方向上做往復(fù)衰減運(yùn)動(dòng)。由于是先啟動(dòng)上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集程序，然后再剪短細(xì)繩。所以有些時(shí)域信號(hào)一開始幾乎處于0 的位置。待系統(tǒng)穩(wěn)定下來之后，結(jié)束數(shù)據(jù)采集程序。把數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel，采用Python 做數(shù)據(jù)分析。

圖5 ～7 分別為試件A、B、C 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中時(shí)間信號(hào)可以看出，懸臂梁從振動(dòng)狀態(tài)恢復(fù)至平穩(wěn)狀態(tài)隨著損傷的程度越大恢復(fù)時(shí)間越長。這是由于損傷的存在導(dǎo)致剛度下降，所以恢復(fù)的時(shí)間變長。健康懸臂梁從非平衡位置恢復(fù)到平衡位置所消耗的時(shí)間，幾乎是有損傷懸臂梁的1/3。這也從側(cè)面說明，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)穩(wěn)定性也會(huì)一定程度上降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。從頻域的角度看，A、B、C 3個(gè)試件中，每個(gè)頻域圖都出現(xiàn)了極大值，這與上述相關(guān)理論知識(shí)是相符的。其中C 的固有頻率最高，為57.72 Hz，對(duì)應(yīng)的是健康狀態(tài)下的懸臂梁的固有頻率，A 的固有頻率最低，為46.32 Hz。隨著損傷的程度越大，對(duì)應(yīng)固有頻率降低，從而以固有頻率的降低為指標(biāo)，判定結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，通過固有頻率來監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷是可行的，也與實(shí)際理論相對(duì)應(yīng)。

頻譜圖中，每個(gè)實(shí)驗(yàn)試件固有頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幅值都比較大，這是因?yàn)樵跀?shù)據(jù)處理的過程中，沒有對(duì)幅值做歸一化處理，而且幅值也不是主要的關(guān)注對(duì)象，因此每個(gè)實(shí)驗(yàn)試件固有頻率所對(duì)應(yīng)的幅值都比較大。

2.2.2 6 061 鋁板懸臂梁

為了分析不同材料對(duì)于固有頻率識(shí)別損傷的可靠性，搭建了鋁合金材料的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，獲取了鋁合金材料在同樣條件下的振動(dòng)特性。圖8 ～10 分別為試件D、E、F 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，健康狀態(tài)下的鋁合金懸臂梁的固有頻率比碳鋼高。結(jié)合其他兩種不同損傷情況的懸臂梁可以看出，鋁合金懸臂梁從非平衡狀態(tài)恢復(fù)至平衡狀態(tài)的時(shí)間相較于碳鋼要稍長一些，這是因?yàn)殇X合金的彈性模量遠(yuǎn)低于碳鋼的彈性模量。從頻域上角度看，D、E、F 3 個(gè)試件中，其中F 的固有頻率最高，為67.53 Hz，對(duì)應(yīng)的是健康狀態(tài)下鋁合金懸臂梁的固有頻率。D 的固有頻率最低，為51.21 Hz?？傮w上符合隨著損傷程度的增大，結(jié)構(gòu)的固有頻率明顯降低這一規(guī)律。

3 結(jié)論

本文利用光纖傳感器，通過Labview 編寫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，搭建了一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)懸臂梁振動(dòng)信號(hào)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以準(zhǔn)確提取結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)并提取損傷特征。對(duì)于碳鋼材料懸臂梁，健康狀態(tài)下提取的固有頻率是57.72 Hz。當(dāng)發(fā)生損傷時(shí)，下降到54.26 Hz。當(dāng)損傷進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)，固有頻率下降為46.32 Hz。當(dāng)懸臂梁材料為鋁合金時(shí)，也得出了類似的結(jié)論。

該結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用多普勒原理計(jì)算結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度或位移，輸出精度高。本文說明依據(jù)固有頻率識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的可靠性，可在更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別情況中推廣。