柔性结构共振频率可视化检测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及柔性结构损伤检测和结构主动振动控制领域，具体涉及一种柔性结构共振频率可视化检测系统及方法。
【背景技术】
[0002]结构的共振频率在许多领域，包括结构设计、损伤检测和主动振动控制等领域都非常重要。在损伤检测或结构健康监测中，相比其他的模态参数，共振频率作为模态参数对噪声干扰的敏感度小，抗噪声能力强。
[0003]压电传感器的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。压电传感器有压电陶瓷和压电薄膜和压电纤维复合材料，其中压电薄膜因为质量最小所以可以对系统的共振频率的干扰最小。
[0004]聚偏氟乙稀(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)压电薄膜对于机械应力或应变的变化具有极快速的响应，频响范围宽，因此适合用作传感元件。
[0005]发光二极管在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示，其中平面有机发光二极管(Organic Light-Emitting D1de，0LED)具有发光面均勾与无频闪等特性，相对其他点光源更有助于共振频率的可视化测试研究。本研究通过压电传感器进行结构振动频率的测量，仅利用压电传感器测量的动态应变信号的输出的电压并不高，因此需要电压放大电路驱动发光二极管达成共振频率的可视化目的。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种柔性结构共振频率可视化检测系统及方法。
[0007]本发明解决技术问题的方案如下
[0008]柔性结构共振频率可视化检测系统包括信号发生器、电压放大器、作动器、压电传感器、交流-直流自激式升压转换电路、发光二极管、亮度计;所述的压电薄膜传感器和作动器设置在待检测的柔性结构上，信号发生器、电压放大器和作动器顺次相连，所述压电薄膜传感器通过交流-直流自激式升压转换电路与发光二极管相连，亮度计用于检测发光二极管的亮度。
[0009]优选的，所述的压电传感器为压电薄膜。所述的交流-直流自激式升压转换电路为交流-直流-电压放大器。所述的作动器为叠层式压电作动器。所述的发光二极管为平面有机发光二极管。
[0010]针对柔性结构的固定边界条件和自由边界条件分别建议的作动器安装位置和压电薄膜传感器安装位置如下:
[0011 ] (I)固定-自由边界条件:作动器和压电传感器均安装在靠近固定端；
[0012](2)自由-自由边界条件:作动器安装在靠近自由端，压电传感器安装在结构全长靠近自由端的1/4处或安装在结构全长靠近自由端的1/2处。
[0013]本发明还公开了所述检测系统的检测方法，其步骤如下:
[0014]信号发生器连接电压放大器并输入激振信号给作动器，作动器激发柔性结构的振动响应，柔性结构上贴的压电薄膜传感器感受到振动导致应变变化，产生变化的电压信号，电压信号通过交流-直流自激式升压转换电路驱动平面有机发光二极管，平面有机发光二极管的亮度能随电压信号的变化而变化，亮度计检测平面有机发光二极管的亮度，亮度最大值处对应的振动频率即为柔性结构的共振频率。
[0015]本发明与现有技术相比，具有的有益效果是:
[0016]I)现有技术下得到共振频率需要进行模态分析，本发明具有快速测量共振频率，可以借由肉眼观测平面有机发光二极管的亮度可以快速得知共振频率的大小值的优点。
[0017]2)现有模态分析技术下一般需要力锤、加速度计等传统传感器与后端数据采集与分析系统，本发明系统架构简单，相对成本需求低，不需示波器或信号采集设备。
【附图说明】
[0018]图1为实施例1性结构共振频率可视化检测系统的结构示意图；
[0019]图2为实施例1的电路不意图；
[0020]图3为二阶共振频率附近OLED的发亮实验图；
[0021 ]图4为三阶共振频率附近OLED的发亮实验图；
[0022]图5为四阶共振频率附近的OLED发亮实验图。
【具体实施方式】
[0023]如图1所示，本发明公开了一种柔性结构共振频率可视化检测系统包括信号发生器、电压放大器、作动器、压电传感器、交流-直流自激式升压转换电路、发光二极管、亮度计;所述的压电薄膜传感器和作动器设置在待检测的柔性结构上，信号发生器、电压放大器和作动器顺次相连，所述压电薄膜传感器通过交流-直流自激式升压转换电路与发光二极管相连，亮度计用于检测发光二极管的亮度。
[0024]优选的，所述的压电传感器为压电薄膜。所述的交流-直流自激式升压转换电路为交流-直流-电压放大器。所述的作动器为叠层式压电作动器。所述的发光二极管为平面有机发光二极管。
[0025]针对柔性结构的固定边界条件和自由边界条件分别建议的作动器安装位置和压电薄膜传感器安装位置如下:
[0026](I)固定-自由边界条件:作动器和压电传感器均安装在靠近固定端；
[0027](2)自由-自由边界条件:作动器安装在靠近自由端，压电传感器安装在结构全长靠近自由端的1/4处的表面可以测量较多的共振频率，若安装在结构全长靠近自由端的1/2处可以优化测量奇数阶的共振频率。
[0028]本发明还公开了所述检测系统的检测方法，其步骤如下:
[0029]信号发生器连接电压放大器并输入激振信号给作动器，作动器激发柔性结构的振动响应，柔性结构上贴的压电薄膜传感器感受到振动导致应变变化，产生变化的电压信号，电压信号通过交流-直流自激式升压转换电路驱动平面有机发光二极管，平面有机发光二极管的亮度能随电压信号的变化而变化，亮度计检测平面有机发光二极管的亮度，亮度最大值处对应的振动频率即为柔性结构的共振频率。实施例1:
[0030]如图1所示，为本实施例的结构示意图，其中悬臂梁材料为铝合金，叠层式压电作动器型号为AE0505D16，电压放大器为XE-500，信号发生器型号为DG400。如图2所示为本实施例的电路示意图。
[0031]图3-图5可以发现随着频率的变化，OLED的亮度也随之出现相同趋势的强弱变化，在共振频率处亮度达到最大值。图3-图5分别是测试悬臂梁的二到四阶共振频率值附近OLED的发亮实验图。OLED的亮度由亮度计进行测取，且肉眼可以分辨明显的亮度差异。图3同时给出在共振频率值下一般发光二极管的结果，可以看出平面有机发光二极管的可视化的优势。本实验证明可以快速通过调整信号发生器改变激振频率，观测OLED的亮度变化，快速决定共振频率值。
【主权项】
1.一种柔性结构共振频率可视化检测系统，其特征在于包括信号发生器、电压放大器、作动器、压电传感器、交流-直流自激式升压转换电路、发光二极管、亮度计;所述的压电薄膜传感器和作动器设置在待检测的柔性结构上，信号发生器、电压放大器和作动器顺次相连，所述压电薄膜传感器通过交流-直流自激式升压转换电路与发光二极管相连，亮度计用于检测发光二极管的亮度。2.根据权利要求1所述的柔性结构共振频率可视化检测系统，其特征在于所述的压电传感器为压电薄膜。3.根据权利要求1所述的柔性结构共振频率可视化检测系统，其特征在于所述的作动器为叠层式压电作动器。4.根据权利要求1所述的柔性结构共振频率可视化检测系统，其特征在于所述的发光二极管为平面有机发光二极管。5.根据权利要求1所述的柔性结构共振频率可视化检测系统，其特征在于针对柔性结构的两种边界条件，即固定边界条件和自由边界条件，分别建议作动器安装位置和压电薄膜传感器安装位置如下: (1)固定-自由边界条件:作动器和压电传感器均安装在靠近固定端； (2)自由-自由边界条件:作动器安装在靠近自由端，压电传感器安装在结构全长靠近自由端的1/4处或安装在结构全长靠近自由端的1/2处。6.根据权利要求1所述的柔性结构共振频率可视化检测系统，其特征在于所述的交流-直流自激式升压转换电路为交流-直流-电压放大器。7.—种如权利要求1所述检测系统的检测方法，其特征在于步骤如下: 信号发生器连接电压放大器并输入激振信号给作动器，作动器激发柔性结构的振动响应，柔性结构上贴的压电薄膜传感器感受到振动导致应变变化，产生变化的电压信号，电压信号通过交流-直流自激式升压转换电路驱动平面有机发光二极管，平面有机发光二极管的亮度能随电压信号的变化而变化，亮度计检测平面有机发光二极管的亮度，亮度最大值处对应的振动频率即为柔性结构的共振频率。
【专利摘要】本发明公开了一种柔性结构共振频率可视化检测系统及方法。检测系统包括信号发生器、电压放大器、作动器、压电材料传感器、交流‐直流自激式升压转换电路、发光二极管、亮度计，压电材料作为传感器能够很好地感应结构振动频率，发光二极管的亮度随着结构振动的增强其亮度相应的增强，可以快速测量与判断出结构共振时的频率。
【IPC分类】G01H13/00
【公开号】CN105527015
【申请号】CN201610008759
【发明人】庄国志, 李振华, 陈鹏飞, 孙竣利
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2016年1月7日