Page 46 - 无损检测2025年第四期
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张 茹，等：
基于压电阻抗技术的工字形钢梁局部损伤识别方法
发，通过对信号进行分析提取相应的损伤指标，再根 出，并从理论层面推导了一维机电耦合电导纳Y(ω)
据损伤指标的变化即可实现对损伤特征的识别，具 的表达式，即
有抗干扰能力强、操作简单、对早期微小损伤敏感等优 bl Z
Y ( )=j ω a a ε s d Y （1）
ω
2
点 [3-5] ，在工字形钢梁损伤检测中具有较大的应用潜力。 h Z +Z 31 11 -
胡陶 将压电阻抗技术与BP神经网络相结合，提高了 a s a
[6]
式中： Y(ω)为测量所得导纳值；j为虚数单位； ω 为
钢梁损伤定位的效率。华中科技大学的艾德米团队结
激励角频率； ba、 la、 ha分别为PZT片的宽度、长度、
合阻抗实部与均方根偏差（RMSD）指数，利用卷积神
厚度； ε 为PZT片在应力为零时的介电常数； Za为
经网络实现了高精度的损伤程度预测 [7-8] 。在此基础上，
PZT片自身的电阻抗； Zs为结构的机械阻抗； d31为
提出了导纳数据的压缩与重构方法，提高了压电阻抗
Y
压电常数； 11 为PZT片在电场强度为零时的杨氏
技术在钢梁损伤定量分析中的可靠性 。ERAZO等 [10]
[9]
提出一种基于卡尔曼滤波技术的压电阻抗方法，消除 模量。
了温度对损伤检测的影响。HOU等 [11] 采用期望最大 由式（1）可见，机电耦合电导纳与压电片的形
化技术迭代计算结构损伤参数和超参数，在考虑温变 状和材料特性、压电片自身的电阻抗及结构的机械
条件下提高了损伤量化的精度。 阻抗有关。结构在发生局部损伤时，机械阻抗发生
损伤位置和损伤程度的变化均会改变压电阻抗 改变，进而改变机电耦合电导纳，故可以其作为损伤
信号，然而，现有的基于压电阻抗的工字形钢梁局 识别的依据。
部损伤检测方法未考虑二者的耦合作用，难以同时 1.2 损伤定位及定量方法
实现损伤的定位和定量评估。因此，文章提出一种 以图 1 所示工字形钢梁为例，检测时，首先标
基于有效特征频段选取的工字形钢梁裂缝损伤定位 定压电阻抗信号随损伤位置和损伤程度的变化关
和定量解耦分析方法。首先采用多个连续布置的压 系。在工字形钢梁一侧的翼缘板上布置间隔为 d
电传感器获得准确的损伤位置，而后利用与损伤最 的 8 个 PZT 片，PZT 1 右端距离为 d 处设置长度为
近的两个传感器接收信号特征的变化来识别损伤程 l 的裂缝损伤。PZT 片的布置间距应根据结构材
度。所提方法的可靠性通过多物理场有限元仿真和 料特性、几何尺寸、激励电压的频率范围等确定，
试验得到了验证。 以确保能对结构实施有效监测。当 PZT 片距离损
伤越近时，对损伤的敏感性越高，文章中取 d 为 50
1 基于压电阻抗技术的损伤识别方法
mm。设置多级损伤工况，对应不同的裂缝长度，分
1.1 压电阻抗技术的原理 别测量了无损和不同损伤工况下各个 PZT片的阻
机电耦合模型最早由LIANG等 [12] 于1994年提 抗信号。
图 1 工字形钢梁上的 PZT 片布置示意
不同的损伤程度会导致导纳信号幅值和相位的 所采用的电导信号频段的起点和终点。
变化，文章采用RMSD值衡量损伤前后导纳信号在 定义了损伤指数R2，探究电导值随损伤程度的
特定频率区间上的差异。将其定义为损伤指数R ，来 变化关系，计算公式为
1
反映电导值随损伤位置的变化关系，其计算公式为 4 f
∑ ( i j -Y 0i ) Y 2
2 f
∑ ( i j -Y 1 j ) Y 2 R 2 =j f = 3 f 4 f （3）
R 1i = f = 1 f 2 f （2） ∑ ( 0i )Y 2
∑ ( )Y 2 f = 3 f
f = 1 f 1 j 式中： R2j为PZT片在第j个损伤工况下的R2值； Y 0i
式中：R1i为第i个PZT片的R1值； Yij为第i个传感器 为第i个传感器在无损状态下的电导值； f3、 f4分别为
在第j个损伤工况下的电导值； f1、 f2分别为损伤定位 损伤定量所采用的电导信号频段的起点和终点。
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2025 年 第 47 卷 第 4 期
无损检测
