Wykorzystanie pomiarów impedancji elektromechanicznej do detekcji uszkodzeń konstrukcji mechanicznych

• Autorzy: Martowicz A. , Rosiek M. , Uhl T.

Warianty tytułu

EN

An application of measurements of electro-mechanical impedance for damage detection in mechanical systems

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Pomiar impedancji elektromechanicznej umożliwia detekcję oraz śledzenie rozwoju różnego rodzaju uszkodzeń występujących w konstrukcjach mechanicznych. Nieniszczący charakter badań pozwala na stały monitoring stanu wrażliwych komponentów. Koncepcja systemu monitorowania konstrukcji bazującego na pomiarach impedancji elektromechanicznej wykorzystuje własność sprzężenia elektromechanicznego przetwornika piezoelektrycznego przyklejonego do konstrukcji. Wnioskowanie o zaistnieniu uszkodzenia mechanicznego dotyczy przede wszystkim obszaru znajdującego się w bezpośrednim otoczeniu przetwornika i jest przeprowadzane na podstawie analizy zmienności zmierzonej impedancji elektromechanicznej. W artykule przedstawiono definicję i sposób pomiaru impedancji elektromechanicznej. Ponadto scharakteryzowano metody monitoringu wykorzystujące impedancję elektromechaniczną oraz opisano możliwości ich praktycznego wykorzystania.

EN

The paper deals with electromechanical impedance-based and non-destructive methods used for damage detection in mechanical structures. In section 1 the overview of methods is presented including main idea, used physical phenomenon, characteristics of mounted piezoelectric transducers, possible areas of applications and comparison to other monitoring techniques. In section 2 the definition of electromechanical impedance is presented. Direct and reverse piezoelectric effects are determined by matrix constitutive equation for piezoelectric transducers. Equation describing electromechanical admittance is presented for exemplary model of structure with transducer. Equivalent electrical model of transducer is also described. Section 3 presents most commonly used processing techniques applicable for measured data to determine damage indicators. Exemplary kinds of detected damages and monitored structures are listed in section 4. The last section summarizes the paper and presents concluding remarks.

Słowa kluczowe

PL

impedancja elektromechaniczna; przetwornik piezoelektryczny; detekcja uszkodzeń; własności dynamiczne

EN

electromechanical impedance; piezoelectric transducer; damage detection; dynamic properties

• Wydawca: Wydawnictwo PAK
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Kontrola
• Rocznik: 2009
• Tom: R. 55, nr 9
• Strony: 707--710
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., wykr., wzory

Twórcy

autor

Martowicz A.

autor

Rosiek M.

autor

Uhl T.

• Katedra Robotyki i Mechatroniki, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Akademia Górniczo-Hutnicza,

Bibliografia

• [1] Inman D. J., Farrar C. R., Lopes V. Jr., Steffen V. Jr. [ed.]: Damage prognosis. For aerospace, civil and mechanical systems. John Willey & Sons, Ltd., Chichester, England, 2005.
• [2] Park G., Farrar C. R., Rutherford A. C., Robertson A. N.: Piezoelectric Active Sensor Self-Diagnostics using Electrical Admittance Measurements. ASME Journal of Vibration and Acoustics, 128(4),469-476, 2006.
• [3] Bhalla S., Soh C. K.: Structural impedance based damage diagnosis by piezo-transducers. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 32, 2003, pp. 1897–1916.
• [4] Giurgiutiu V.: Structural Health Monitoring with Piezoelectric Wafer Active Sensors, Elsevier Academic Press, 2008.
• [5] Park G., Inman D. J.: Structural health monitoring using piezoelectric impedance measurements, Philosophical Transactions of the Royal Society A 365 (2007) 373-392.
• [6] Ayres J. W., Lalande F., Chaudhry Z., Rogers C. A.: Qualitative impedance-based health monitoring of civil infrastructures, Smart Materials and Structures 7 (1998) 599–605.
• [7] Yan W., Lim C. W., Chen W. Q., Cai J. B.: A coupled approach for damage detection of framed structures using piezoelectric signature. Journal of Sound and Vibration 307 (2007) 802–817.
• [8] Naidu A. S. K., Soh C. K.: Damage severity and propagation characterization with admittance signatures of piezo transducers, Smart Materials and Structures 13 (2004) 393–403.
• [9] Sun F. P., Chaudhry Z., Liang C., Rogers C. A.: Truss structure integrity identification using PZT sensor–actuator. Journal of Intelligent Material Systems and Structures 6 (1995) 134–139.
• [10] Park S., Yun C. -B., Inman D. J.: Structural health monitoring using electro-mechanical impedance sensors. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 31, 2008 714–724.
• [11] Park G., Sohn H., Farrar C. R.: Overview of piezoelectric impedance-based health monitoring and path forward. The Shock and Vibration Digest, 35(6), 2003, p. 451-463.
• [12] Park G., Kabeya K., Cudney H. H., Inman D. J.: Impedance-based Structural Health Monitoring for temperature varying applications. JSME International Journal, Series A, Vol. 42, No 2, 1999.
• [13] Zagrai A. N., Giurgiutiu V.: Electro-Mechanical Impedance Method for Crack Detection in Thin Wall Structures. 3rd International Workshop of Structural Health Monitoring, Sept. 12-14, 2001, Stanford University.
• [14] Wait J. R., Park G., Farrar C. R.: Integrated Structural Health Assessment using Piezoelectric Active Sensors, Shock and Vibration, 12(6), 389-405, 2005.
• [15] Sodano H. A., Park G., Inman D. J.: An investigation into the performance of macro-fiber composites for sensing and structural vibration applications, Mechanical Systems and Signal Processing 18 (2004) 683–697.
• [16] Fasel T. R., Sohn H., Park G., Farrar C. R.: Active Sensing using Impedance-based ARX Models and Extreme Value Statistics to Damage Detection, Earthquake Engineering & Structural Dynamics Journal, (2005) Vol. 34, No 7, 763-785.
• [17] Chiu W. K., Koh Y. L., Galea S. C., Rajic N.: Smart structure application in bonded repairs, Composite Structures 50 (2000) 433-444.
• [18] Kim M. H., Kang S. W., Lee J. M., Inman D. J.: Simultaneous Health Monitoring and Vibration Control of Structures using Smart Materials. Key Engineering Materials Vol. s. 297-300 (2005) pp 2207-2212.
• [19] Bois Ch., Herzog P., Hochard Ch.: Monitoring a delamination in a laminated composite beam using in-situ measurements and parametric identification, Journal of Sound and Vibration, 299 (2007), 786–805.
• [20] Park S., Inman D. J., Yun Ch-B.: An outlier analysis of MFC-based impedance sensing data for wireless structural health monitoring of railroad tracks, Engineering Structures 30 (2008) 2792–2799.
• [21] Yang Y., Hu Y.: Electromechanical impedance modeling of PZT transducers for health monitoring of cylindrical shell structures, Smart Materials And Structures, 17 (2008) 015005.