實驗名稱：基于LDR振型的損傷(shang)檢(jian)測(ce)方法(fa)實驗

　　研究方向：隨著(zhu)科技的(de)(de)(de)(de)(de)不斷進(jin)步，材料中的(de)(de)(de)(de)(de)腐蝕、分(fen)(fen)層等缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)是(shi)(shi)導(dao)致結(jie)構剛度(du)下(xia)降、破壞失效(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)原因。為保證結(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)安(an)全性與可(ke)靠性，對(dui)(dui)其進(jin)行無(wu)損檢測(ce)(ce)(ce)是(shi)(shi)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)。首先,深(shen)入了(le)解(jie)(jie)了(le)LDR方(fang)法的(de)(de)(de)(de)(de)檢測(ce)(ce)(ce)原理,從(cong)平底孔模型(xing)入手(shou)分(fen)(fen)析(xi)了(le)LDR效(xiao)(xiao)應產生的(de)(de)(de)(de)(de)機制。在此基(ji)礎上(shang)，搭建(jian)實驗(yan)平臺，使用基(ji)于LDR振型(xing)識別(bie)的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法對(dui)(dui)不同類型(xing)及深(shen)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)進(jin)行檢測(ce)(ce)(ce)，探究了(le)由缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)引(yin)起的(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構局部剛度(du)下(xia)降以(yi)(yi)及LDR效(xiao)(xiao)應。接著(zhu)，研究了(le)LDR效(xiao)(xiao)應影響下(xia)結(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)振動特(te)征和頻(pin)(pin)(pin)譜特(te)征，提出了(le)近LDR頻(pin)(pin)(pin)帶的(de)(de)(de)(de)(de)損傷(shang)信息融合方(fang)法，解(jie)(jie)決了(le)依據LDR振型(xing)進(jin)行損傷(shang)識別(bie)的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法在應用過程中抗噪能(neng)力較差以(yi)(yi)及缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)面(mian)積識別(bie)不準確的(de)(de)(de)(de)(de)問(wen)題:分(fen)(fen)析(xi)了(le)由LDR效(xiao)(xiao)應引(yin)起的(de)(de)(de)(de)(de)缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)區域測(ce)(ce)(ce)點頻(pin)(pin)(pin)譜異(yi)常現象，通過研究不同頻(pin)(pin)(pin)帶下(xia)結(jie)構表面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量分(fen)(fen)布特(te)征，給出了(le)基(ji)于全頻(pin)(pin)(pin)帶能(neng)量分(fen)(fen)布的(de)(de)(de)(de)(de)損傷(shang)成像優(you)化方(fang)法。最后，制作(zuo)了(le)帶有脫粘缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)蜂窩夾層結(jie)構試(shi)件并基(ji)于LDR方(fang)法對(dui)(dui)缺(que)(que)(que)陷(xian)(xian)進(jin)行檢測(ce)(ce)(ce)。研究了(le)LDR方(fang)法對(dui)(dui)復雜結(jie)構中損傷(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)檢測(ce)(ce)(ce)能(neng)力，評(ping)估了(le)全頻(pin)(pin)(pin)帶能(neng)量分(fen)(fen)布優(you)化方(fang)法的(de)(de)(de)(de)(de)檢測(ce)(ce)(ce)效(xiao)(xiao)果。

　　實驗目的：利用(yong)(yong)掃描(miao)式激光測(ce)(ce)(ce)振(zhen)(zhen)儀(yi)搭建了(le)用(yong)(yong)于在高頻下進(jin)(jin)行(xing)非接觸檢測(ce)(ce)(ce)的(de)(de)(de)檢測(ce)(ce)(ce)系統，使(shi)用(yong)(yong)基(ji)于LDR振(zhen)(zhen)型識(shi)別(bie)的(de)(de)(de)檢測(ce)(ce)(ce)方(fang)法分別(bie)對(dui)鋁板中(zhong)的(de)(de)(de)平(ping)底(di)孔缺陷(xian)以(yi)及復材板中(zhong)的(de)(de)(de)分層(ceng)缺陷(xian)進(jin)(jin)行(xing)檢測(ce)(ce)(ce):探究了(le)不同(tong)缺陷(xian)引(yin)起的(de)(de)(de)結構局部剛度(du)的(de)(de)(de)下降以(yi)及局部共振(zhen)(zhen)振(zhen)(zhen)型特征，對(dui)比分析了(le)該方(fang)法對(dui)不同(tong)尺(chi)寸和深度(du)缺陷(xian)的(de)(de)(de)檢測(ce)(ce)(ce)效果。

　　測試設備：掃描式激光測振(zhen)儀(yi)系(xi)統(tong)、信號發生器(qi)、電(dian)壓放大器(qi)、壓電(dian)陶瓷換能(neng)器(qi)以及隔振(zhen)臺等。

　　實驗過程：

　　實驗(yan)(yan)中通過測(ce)量結構表面(mian)的(de)(de)(de)振動(dong)響應(ying)(ying)，識(shi)別(bie)出缺陷局部(bu)(bu)振型(xing)，進(jin)而實現對結構中損傷的(de)(de)(de)定位和成(cheng)像，實驗(yan)(yan)原理如圖3.1所(suo)(suo)示。用到的(de)(de)(de)儀(yi)器(qi)(qi)(qi)設備主要有(you):掃描式激光測(ce)振儀(yi)系統(tong)、功(gong)率放大器(qi)(qi)(qi)、壓電陶瓷換(huan)能器(qi)(qi)(qi)以及隔振臺。按照試(shi)驗(yan)(yan)模(mo)態(tai)分(fen)(fen)析方法的(de)(de)(de)原理，可以將(jiang)測(ce)試(shi)系統(tong)分(fen)(fen)為激勵(li)與采(cai)(cai)集兩個部(bu)(bu)分(fen)(fen)，其(qi)中激部(bu)(bu)分(fen)(fen)由(you)信號發生器(qi)(qi)(qi)產生所(suo)(suo)需頻率范圍的(de)(de)(de)寬(kuan)頻激勵(li)信號，經(jing)過高(gao)頻功(gong)率放大器(qi)(qi)(qi)后由(you)壓電換(huan)能器(qi)(qi)(qi)為待測(ce)結構提供定點激勵(li):采(cai)(cai)集部(bu)(bu)分(fen)(fen)利用掃描式激光測(ce)振儀(yi)進(jin)行(xing)二維掃描，采(cai)(cai)集包含缺陷的(de)(de)(de)檢測(ce)區域上各測(ce)點的(de)(de)(de)面(mian)外振動(dong)速度響應(ying)(ying)信號并(bing)進(jin)行(xing)存儲。

　　實驗中，根據激(ji)勵(li)方(fang)式選擇(ze)單輸(shu)(shu)入單輸(shu)(shu)出方(fang)法同(tong)時高速(su)采(cai)集輸(shu)(shu)入與(yu)輸(shu)(shu)出兩個(ge)點(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)信(xin)號(hao)(hao)。使用(yong)壓電換(huan)能器粘貼于試(shi)(shi)件固(gu)定位(wei)置(zhi)處，產生持續的(de)(de)(de)(de)周期掃頻(pin)(pin)信(xin)號(hao)(hao)激(ji)勵(li)試(shi)(shi)件振(zhen)動，同(tong)時使用(yong)激(ji)光測(ce)振(zhen)儀(yi)采(cai)集表(biao)面某一測(ce)點(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)面外振(zhen)動速(su)度響(xiang)應(ying)(ying)信(xin)號(hao)(hao),為了(le)減弱環境因素引起的(de)(de)(de)(de)噪聲對測(ce)試(shi)(shi)結果的(de)(de)(de)(de)干擾，對每(mei)一個(ge)測(ce)點(dian)(dian)采(cai)集多次(ci)信(xin)號(hao)(hao)取線性平均。完(wan)成單點(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)采(cai)集后，按布點(dian)(dian)順(shun)序(xu)掃描頭移動到(dao)下(xia)一測(ce)點(dian)(dian)完(wan)成振(zhen)動響(xiang)應(ying)(ying)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)采(cai)集。最終獲取結構(gou)(gou)表(biao)面整個(ge)測(ce)試(shi)(shi)區域(yu)的(de)(de)(de)(de)振(zhen)動響(xiang)應(ying)(ying)數(shu)(shu)據。利用(yong)快(kuai)速(su)傅里葉變換(huan)(FastFourierTransformFFT)將原始的(de)(de)(de)(de)時域(yu)信(xin)號(hao)(hao)變換(huan)到(dao)頻(pin)(pin)域(yu)，得到(dao)各(ge)測(ce)點(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)頰率(lv)一速(su)度幅值信(xin)號(hao)(hao)。如圖3.3所示，將每(mei)個(ge)測(ce)點(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)一維振(zhen)動響(xiang)應(ying)(ying)數(shu)(shu)據按照(zhao)空間坐標放置(zhi)在三(san)維數(shu)(shu)組的(de)(de)(de)(de)相應(ying)(ying)位(wei)置(zhi)中，既(ji)得到(dao)整個(ge)測(ce)試(shi)(shi)頻(pin)(pin)帶(dai)內不同(tong)率(lv)下(xia)結構(gou)(gou)表(biao)面的(de)(de)(de)(de)振(zhen)動。

　　實驗結果：基(ji)于LDR振(zhen)(zhen)(zhen)型(xing)的(de)檢(jian)測方法主(zhu)要通過對(dui)(dui)比(bi)整個(ge)檢(jian)測頻(pin)(pin)(pin)(pin)帶內不同(tong)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率下結(jie)構(gou)表面的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)動響(xiang)應(ying)，依(yi)據LDR振(zhen)(zhen)(zhen)型(xing)的(de)特(te)點識(shi)別出局(ju)部(bu)共振(zhen)(zhen)(zhen)模態，進而對(dui)(dui)損傷(shang)進行定位和成像(xiang)。由于局(ju)部(bu)共振(zhen)(zhen)(zhen)效應(ying)，當激勵(li)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率與缺(que)陷(xian)區域(yu)對(dui)(dui)應(ying)的(de)局(ju)部(bu)共振(zhen)(zhen)(zhen)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率吻合(he)時，在缺(que)陷(xian)位置(zhi)的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)動幅(fu)(fu)值會大(da)幅(fu)(fu)增加，顯(xian)著區別于結(jie)構(gou)整體振(zhen)(zhen)(zhen)動模態。依(yi)據局(ju)部(bu)振(zhen)(zhen)(zhen)動幅(fu)(fu)值異(yi)常這一特(te)征，首先通過對(dui)(dui)比(bi)不同(tong)頰(jia)率下的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)型(xing)，得到可能的(de)與缺(que)陷(xian)相對(dui)(dui)應(ying)的(de)LDR模態，然后再結(jie)合(he)該異(yi)常區域(yu)測點的(de)頻(pin)(pin)(pin)(pin)響(xiang)特(te)征，通過對(dui)(dui)比(bi)各峰值對(dui)(dui)應(ying)的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)型(xing)來確定出LDR振(zhen)(zhen)(zhen)型(xing)。實驗中，使用LDR振(zhen)(zhen)(zhen)型(xing)識(shi)別方法分別對(dui)(dui)鋁板(ban)中四處不同(tong)深(shen)度(du)與尺寸的(de)平(ping)底孔(kong)缺(que)陷(xian)進行檢(jian)測，實驗結(jie)果如下:

　　表3.1給出(chu)了實驗(yan)中所用鋁板的(de)彈性參數(shu)以及(ji)位(wei)于(yu)中間的(de)平底孔(kong)缺陷尺(chi)寸，使用基于(yu)平底孔(kong)模(mo)(mo)型(xing)導出(chu)的(de)一(yi)階(jie)局部(bu)共(gong)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)頻(pin)(pin)率理論預(yu)測(ce)公(gong)式(2.15)，可以求出(chu)其一(yi)階(jie)LDR頻(pin)(pin)率約為25.14KHz,遠高(gao)于(yu)結(jie)構整體振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)動模(mo)(mo)態對(dui)應(ying)的(de)頻(pin)(pin)率。圖(tu)3.7為采集到的(de)缺陷區(qu)(qu)域測(ce)點在頻(pin)(pin)域上的(de)響應(ying)信號，首先在26.57kHz的(de)頻(pin)(pin)率下識(shi)別出(chu)最(zui)低階(jie)的(de)LDR共(gong)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)峰(feng)，與理論預(yu)測(ce)結(jie)果較接近。同時(shi)在整個(ge)試驗(yan)頻(pin)(pin)帶內還(huan)出(chu)現多個(ge)共(gong)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)峰(feng)，結(jie)合各峰(feng)值對(dui)應(ying)的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)型(xing)，即可識(shi)別出(chu)與該(gai)處缺陷對(dui)應(ying)的(de)LDR模(mo)(mo)態。部(bu)分(fen)LDR頻(pin)(pin)率下的(de)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)型(xing)及(ji)損(sun)傷成像結(jie)果如圖(tu)3.8所示，圖(tu)中左側(ce)為缺陷區(qu)(qu)域的(de)局部(bu)共(gong)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)型(xing)，右(you)側(ce)為依據(ju)該(gai)振(zhen)(zhen)(zhen)(zhen)型(xing)進行投影得到的(de)二維(wei)損(sun)傷成像結(jie)果。

　　對于(yu)(yu)直徑為(wei)20mm、深度為(wei)2mm的(de)平(ping)底孔缺陷，由于(yu)(yu)缺陷尺寸相(xiang)對較(jiao)(jiao)大(da)，局部剛度下降明顯，在檢測頓(dun)帶范圍(wei)內可(ke)(ke)以(yi)清(qing)晰地識別出(chu)多個LDR相(xiang)關振(zhen)型(xing)(xing)(xing)。其中，引(yin)(yin)起局部振(zhen)動幅(fu)值顯著增(zeng)加的(de)振(zhen)型(xing)(xing)(xing)主要可(ke)(ke)以(yi)分為(wei)兩類(lei):其中一(yi)類(lei)為(wei)LDR振(zhen)型(xing)(xing)(xing)，即由LDR效應引(yin)(yin)起的(de)包括一(yi)階(jie)(jie)(jie)LDR振(zhen)型(xing)(xing)(xing)以(yi)及髙(gao)階(jie)(jie)(jie)LDR振(zhen)型(xing)(xing)(xing)如圖(tu)3.8(a,c)所(suo)示(shi),通(tong)常這些振(zhen)型(xing)(xing)(xing)均出(chu)現在較(jiao)(jiao)高的(de)頓(dun)率下。另外一(yi)類(lei)為(wei)特殊(shu)的(de)結(jie)構(gou)整(zheng)體振(zhen)動模態(tai)。隨著模態(tai)階(jie)(jie)(jie)數的(de)增(zeng)加，結(jie)構(gou)整(zheng)體振(zhen)型(xing)(xing)(xing)呈現出(chu)節點和節線(xian)規律性的(de)排列，當缺陷的(de)位(wei)置位(wei)于(yu)(yu)振(zhen)型(xing)(xing)(xing)的(de)波峰處時，由于(yu)(yu)材料局部剛度下降，會引(yin)(yin)起該階(jie)(jie)(jie)振(zhen)型(xing)(xing)(xing)下缺陷位(wei)置振(zhen)動幅(fu)值的(de)放大(da)，如圖(tu)3.8(b)所(suo)示(shi)。檢測結(jie)果表(biao)明，通(tong)過識別LDR振(zhen)型(xing)(xing)(xing)對損傷(shang)進行成像(xiang)可(ke)(ke)以(yi)清(qing)晰地檢測出(chu)中間位(wei)置的(de)平(ping)底孔缺陷。

　　2.直徑10mm的平底(di)孔缺(que)陷檢測結(jie)果

　　試件表面共(gong)包(bao)含(han)有(you)三處直徑均為10mm但深度不同的(de)(de)平(ping)底孔(kong)缺陷，圖3.9為深度2mm的(de)(de)平(ping)底孔(kong)缺陷對應的(de)(de)損(sun)傷區域測點在(zai)頻域上的(de)(de)速(su)度響應信(xin)號。結(jie)合曲(qu)線中各峰值對應的(de)(de)振型(xing)，可以識(shi)別出與該缺陷相對應的(de)(de)局(ju)部(bu)共(gong)振模態(tai)。部(bu)分(fen)LDR頻率下的(de)(de)損(sun)傷檢測結(jie)果如圖310所示。

　　結(jie)(jie)(jie)合頻(pin)(pin)(pin)響曲線與(yu)(yu)不同(tong)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)下結(jie)(jie)(jie)構表(biao)面的(de)(de)振(zhen)(zhen)動(dong)響應特征可(ke)以看出，LDR頻(pin)(pin)(pin)率(lv)基本(ben)與(yu)(yu)頻(pin)(pin)(pin)響曲線中異常峰值(zhi)對應頻(pin)(pin)(pin)率(lv)吻合。首先在(zai)(zai)62.28kHz的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)下識(shi)別出最低階的(de)(de)LDR頻(pin)(pin)(pin)率(lv)，在(zai)(zai)該(gai)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)激(ji)勵(li)下缺(que)(que)陷(xian)區域測點的(de)(de)振(zhen)(zhen)動(dong)幅值(zhi)遠大于(yu)健康區域，如(ru)圖(tu)3.10(a)所示，但由該(gai)振(zhen)(zhen)型(xing)得到的(de)(de)損傷成像結(jie)(jie)(jie)果(guo)存在(zai)(zai)噪聲(sheng)的(de)(de)干擾,信(xin)噪比較(jiao)低。另外,在(zai)(zai)更高(gao)的(de)(de)激(ji)勵(li)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)90.45kHz下，出現與(yu)(yu)中間(jian)區域直徑(jing)為(wei)20mm缺(que)(que)陷(xian)相互耦合的(de)(de)振(zhen)(zhen)型(xing)，在(zai)(zai)該(gai)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)的(de)(de)激(ji)勵(li)下，結(jie)(jie)(jie)構中的(de)(de)兩(liang)處缺(que)(que)陷(xian)均表(biao)現出局(ju)部共(gong)振(zhen)(zhen)現象。

　　使用同樣(yang)的(de)方式可以檢測(ce)出深(shen)度為1.8mm的(de)平(ping)底(di)孔(kong)缺陷，此處不(bu)再贅述。值得注(zhu)意(yi)的(de)是，隨著缺陷尺寸及深(shen)度的(de)減小(xiao),損傷對(dui)材料局(ju)部(bu)剛度變化(hua)的(de)影響減弱,LDR效應不(bu)明顯。對(dui)于直徑(jing)10mm、深(shen)度為1mm的(de)平(ping)底(di)孔(kong)缺陷，在整(zheng)個100kHz的(de)檢測(ce)頻(pin)帶內(nei)LDR相關振型(xing)數目(mu)較少(shao)，因此在使用基于LDR振型(xing)的(de)檢測(ce)方法(fa)時(shi)目(mu)標振型(xing)數量少(shao)，識別過程比較費時(shi)且容易出現誤差(cha)。

　　對比不同尺寸(cun)平底孔的(de)(de)(de)(de)檢測(ce)結果可以得出，對于(yu)(yu)鋁(lv)板表面剛(gang)度(du)削減較(jiao)大(直(zhi)徑20mmm，深度(du)2mm)的(de)(de)(de)(de)平底孔缺(que)(que)陷(xian)(xian)，使用(yong)基于(yu)(yu)LDR振(zhen)(zhen)(zhen)型(xing)識別的(de)(de)(de)(de)損傷檢測(ce)方(fang)法(fa)有(you)較(jiao)好的(de)(de)(de)(de)檢測(ce)效果，可以準確(que)地識別出與(yu)缺(que)(que)陷(xian)(xian)對應的(de)(de)(de)(de)多階LDR振(zhen)(zhen)(zhen)型(xing)，并實現損傷的(de)(de)(de)(de)定位與(yu)成像。對于(yu)(yu)深度(du)較(jiao)淺(qian)的(de)(de)(de)(de)缺(que)(que)陷(xian)(xian)(深度(du)1mm)，由于(yu)(yu)材(cai)料(liao)局(ju)部(bu)剛(gang)度(du)的(de)(de)(de)(de)下(xia)降幅度(du)較(jiao)小，相應的(de)(de)(de)(de)局(ju)部(bu)共振(zhen)(zhen)(zhen)頻率較(jiao)高，因(yin)此在有(you)限的(de)(de)(de)(de)檢測(ce)帶寬(kuan)內只有(you)少數的(de)(de)(de)(de)LDR振(zhen)(zhen)(zhen)型(xing)，導致檢測(ce)效率與(yu)精度(du)下(xia)降。

　　電壓放大器推薦(jian)：ATA-2031

　　圖：ATA-2031高壓放大器指標參數

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