专利名称：结构物损伤的诊断方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及机械结构物或设备、建筑、土木结构物、航空宇宙结构物等建筑物的损 伤检测或完好性评价。
背景技术：
结构物的损伤检测或完好性评价通过各种方法进行。作为能够早期检测结构物产 生损伤的方法，有“压电阻抗法”(例如参照(日本)特开2007-085733号公报、(日本)特 开2004-(^8907号公报、(日本)特开2001-099760号公报)。在压电阻抗法中，在结构物 表面粘贴压电元件，检测出结构物中产生的损伤引起的结构物的动特性变化，并作为压电 元件的数十kHz 数百kHz的超声波频带的电阻抗的变化。压电元件的电阻抗的倒数(导 纳)依赖于压电元件的静电电容和从压电元件侧得的结构物的驱动点可动性。由于压电元 件的粘贴位置附近的结构部位产生的损伤，而使数十kHz 数百kHz频带的结构物的驱动 点可动性大幅变化，由于上述结构物的动特性与电阻抗(或者导纳)的关系，使该频带的压 电元件的电阻抗(或者导纳)大幅变化。因此，通过压电元件的电阻抗的测定，能够灵敏度 良好地检测出压电元件的粘贴位置附近的微小损伤。为了测量电阻抗，使用阻抗分析仪或 者专用的阻抗测量电路。然而，在压电阻抗方法中，利用频率响应(阻抗)来评价损伤对高频波动的影响， 但这只不过是关注损伤造成的力学影响的时间平均。损伤被看做是静的损伤，忽略了损伤 部界面的各种非线性效果或负荷与高频波动的相互作用等。此外，由于通过粘贴于结构物 的压电元件的电阻抗在损伤前后的“变化”来检测损伤，所以评价是相对的，必须需要成为 评价基准的“基准”数据。当然，成为基准的完好时的阻抗或导纳对每个结构物来说完全不 同，由于压电元件的粘贴位置或尺寸不同而存在很大差异，因此，通过计算等进行预测是不 现实的，只能通过实测。这意味着在原理上不能通过一次测量来判定完好性，这是实用上、 操作上的大问题。而且，初始阶段的损伤经常以封闭裂纹、接合(kissing bond)等“隐藏性损伤”的 方式存在，看不见这些损伤，这在安全管理上有可能成为极大的威胁。但是，由于封闭的裂 纹等透过超声波，所以采用压电阻抗法难以检测这些损伤。另一方面，在原理上不需要基准数据，作为对“隐藏性损伤”检测有效的方法，迄今 为止提案的其中之一有“非线性波动调制法”(例如，参照C. Liang, F. P. Sun, C. A. Rogers, An impedance method for dynamic analysis ofactive material systems, Journal of Vibration and Acoustics，Transactions of theASME，Vol.116，pp. 120—128，1994、 G. Park，H. Sohn, C. R. Farrar, D. J. Inman，Overview of piezoelectric impedance-based health monitoring and path forward, The Shock and Vibration Digest，Vol. 35， No. 6, pp. 451—463，2003、K· E·—A· VanDen Abeele，P. A. Johnson and A. Sutin, Nonlinear elastic wave spectroscopy (NEWS)techniques to discern material damage，Part I :Nonlinear wavemodulation spectroscopy (NWMS), Res Nondestr Eval, Vol. 12，pp. 17-30, 2000λ V. Zaitsev, V. Gusev, B.Castagnede and P. Sas,Micro-damage detection using amodulation technique based on dissipative nonlinear effects “， Proceedings ofForum Acusticum Sevilla 2002，2002、V. Zaitsev and P.Sas， Nonlinear response ofa weakly damaged metal sample :a dissipative mechanism of vibro-acousticinteraction,Journal ο f Vibration and Control，Vol. 6，pp.803—822， 2000)。该方法着眼于伴随面与面的接触状态的变化的结构物中产生的裂纹、螺栓的松动、 粘接面的剥离等损伤，将作用于损伤部位的低频率的动态负荷变动引起的面与面的接触状 态的变化作为从压电元件等机电转换元件输入的高频波动的振幅调制及相位调制取出。如 果损伤不存在，则不发生调制，因此，原理上为绝对评价，非线性波动调制法通过一次测量 能够判定完好性。此外，该方法由于利用的是作用于损伤部位的低频率的动态负荷变动引 起的损伤部位的动特性的变动，所以也具有在原理上能够检测出“隐藏性损伤”的特点。然而，在非线性波动调制法中，高频波动的发送用和接收用最低限需要两个压电 元件，因此存在用于压电元件粘贴的空间限制严格的状况下是否能够应用的问题。因此，将 这些压电元件汇集成一个的自诊断方法的开发成为课题。
发明内容
本发明的目的是容易早期检测出结构物产生的损伤。在本发明的结构物的诊断方法中，以一定振幅的交流电压驱动安装于诊断对象的 结构物的一个以上的机电转换元件，测量流过该机电转换元件的电流。接着，将该电流信号 分离成以所述机电转换元件的驱动频率为中心的高频范围的高频分量和比该高频范围低 的频率范围的低频分量。接着，利用所述高频分量的振幅解调和/或相位解调提取出损伤 的调制信息，基于所述调制信息评价损伤的指标。本发明的诊断装置包括分离装置，其根据在以交流电压驱动安装于试验对象的 结构物的一个以上的机电转换元件时由机电转换元件测量出的电流信号，检测出以机电转 换元件的驱动频率为中心的高频范围的高频分量和频率低于该高频范围的低频分量；提取 装置，其利用振幅解调和/或相位解调，从所述高频分量提取出损伤的调制信息；指标评价 装置，其基于振幅解调后的调制信息和/或相位解调后的调制信息评价损伤的指标。发明效果在本发明的损伤诊断中，不需要将完好时的状态作为基准数据存储，通过一次测 量就能够判定结构物的完好性。此外，也能够适用于既存结构物的评价。此外，在本发明的损伤诊断中，由于作为最小限结构，仅利用单一的机电转换元件 的自诊断，就可以评价结构物的损伤，因此，可以构成更简单的系统。
图1是具有预置裂纹的试验片的图；图2是组装有试验片的结构体的图；图3是表示试验装置整体的图；图4是在完好状态下对于式(6)的第一项进行振幅解调后的波形及傅立叶频谱的 曲线4
图5是在损伤状态下对于式(6)的第一项进行振幅解调后的波形及傅立叶频谱的 曲线图；图6是针对完好状态的试验片设调制度为纵轴、设等效刚度降低率为横轴时的曲 线图；图7是针对损伤状态的试验片设调制度为纵轴、设等效刚度降低率为横轴时的曲 线图；图8是设振幅调制度为纵轴、设等效刚度降低率为横轴的曲线图；图9是设相位调制度为纵轴、设等效刚度降低率为横轴的曲线图；图10是设动态刚度调制度为纵轴、设等效刚度降低率为横轴的曲线图；图11是损伤诊断装置的图；图12是表示信号处理装置的信号处理内容的图；图13是信号的软件处理的流程图。
具体实施例方式以下，参照附图对发明的实施方式进行说明。在结构物表面粘贴有压电元件时，在压电元件的变形速度V、压电元件从结构物受 到的力F、压电元件端子之间的电压E、流过压电元件的电流I之间成立以下的关系式(1)。
'F(O))'ΖΡ(ω)-Α(ω)'V(O))(1)傘)Ε(ω)其中，Zp是使压电元件的端子间短路时的机械阻抗，Yp是限制压电元件变形时的 导纳，A是力系数，ω是频率。另一方面，当设从压电元件侧得的结构物的机械阻抗为Zm时， 下式(2)成立。F(GJ)=-Zm(CO)V(CO) (2)根据式⑴和式O)，压电元件端子之间的导纳成为下式(3)。
2Υ(ω) = 1{ω)/ Ε(ω) = ΥΡ(ω)+ 7 /^l , .(3)
Zp ( ο) + Zm (ω)此外，对结构物作用外部负荷W时，流过压电元件的电流I如下式(4)所示。Ι(ω) = Υ(ω)Ε(ω)+6(ω)Κω) (4)其中，G为从外部负荷对电流的传递系数。利用高频ωρ的一定振幅E的正弦波电 压e(t) (t表示时间)来驱动压电元件，e(t) = Ecos ω pt (5)当假定外部负荷W的频率充分低于ωρ时，时间范围的式(4)变为下式。i(t) = |Υ(ωρ) |Ecos{opt+Z Υ(ωρ)}+￥βα) (6)其中，wg(t)为G(OJ)W(CO)的时间范围的波形。此外，在结构物中存在伴随面与面接触的损伤时，由于外部负荷w(t)而使面与面 的接触状态产生变化。由于接触状态的变化使界面的高频的弹性波动的散乱条件产生变 化，因此，高频的机械阻抗Zm依赖于w(t)发生变化。考虑到此，在存在损伤的状况下的频 率ω。的式(3)可以写成下式。
权利要求
1.一种结构物的诊断方法，包括以一定振幅的交流电压驱动安装于诊断对象的结构物的一个以上的机电转换元件，测 量流过该机电转换元件的电流，从该电流信号分离出以所述机电转换元件的驱动频率为中心的高频范围的高频分量， 利用所述高频分量的振幅解调提取出损伤的调制信息， 基于所述调制信息评价损伤的指标。
2.如权利要求1所述的结构物的诊断方法，其特征在于，所述指标是解调后的电流波形的振幅与解调后的电流波形的平均值的比值，将该比值 与阈值进行比较来诊断损伤的产生。
3.一种诊断装置，包括分离装置，其根据在以交流电压驱动安装于试验对象的结构物的一个以上的机电转换 元件时由机电转换元件测量出的电流信号，检测出以机电转换元件的驱动频率为中心的高 频范围的高频分量；提取装置，其利用所述高频分量的振幅解调来提取出损伤的调制信息； 指标评价装置，其基于所述调制信息评价损伤的指标。
4.一种结构物的诊断方法，包括以一定振幅的交流电压驱动安装于诊断对象的结构物的一个以上的机电转换元件，测 量流过该机电转换元件的电流，从该电流信号分离出以所述机电转换元件的驱动频率为中心的高频范围的高频分量， 利用所述高频分量的相位解调提取出损伤的调制信息， 基于所述调制信息评价损伤的指标。
5.如权利要求4所述的结构物的诊断方法，其特征在于，所述指标是解调后的电流波形的振幅与解调后的电流波形的平均值的比值，将该比值 与阈值进行比较来诊断损伤的产生。
6.如权利要求4所述的结构物的诊断方法，还包括 利用所述高频分量的振幅解调提取出损伤的调制信息，根据相位解调后的所述调制信息和振幅解调后的所述调制信息来评价损伤的指标。
7.一种诊断装置，包括分离装置，其根据在以交流电压驱动安装于试验对象的结构物的一个以上的机电转换 元件时由机电转换元件测量出的电流信号，检测出以机电转换元件的驱动频率为中心的高 频范围的高频分量；提取装置，其利用所述高频分量的相位解调来提取出损伤的调制信息； 指标评价装置，其基于所述调制信息评价损伤的指标。
8.如权利要求7所述的诊断装置，其中，所述提取装置还利用所述高频分量的振幅解调来提取出损伤的调制信息，所述指标评 价装置根据相位解调后的所述调制信息和振幅解调后的所述调制信息来评价损伤的指标。
全文摘要
在结构物的诊断中，以一定振幅的交流电压驱动安装于诊断对象的结构物的一个以上的机电转换元件，测量流过机电转换元件的电流。对该电流信号分离出以机电转换元件的驱动频率为中心的高频范围的高频分量。利用高频分量的振幅解调和/或相位解调提取损伤的调制信息，基于调制信息评价损伤的指标。由此，使用一个以上的机电转换元件，不需要基准数据，通过一次测量就能够判定结构物的完好性。
文档编号G01M99/00GK102066920SQ200980104720
公开日2011年5月18日 申请日期2009年2月12日 优先权日2008年2月13日
发明者增田新 申请人:国立大学法人京都工芸纤维大学