Aquisição de Dados Protocolo para determinação de funções de sensibilidade embutidas

Abstract

A eficácia de muitas técnicas de monitoramento de saúde estrutural depende da colocação de sensores e a localização das forças de entrada. Algoritmos para determinar o sensor ideal e forçando locais geralmente requerem dados, seja simulado ou medido, da estrutura danificada. funções sensibilidade incorporados fornecem uma abordagem para determinar a melhor localização do sensor disponíveis para detectar danos, com apenas os dados da estrutura saudável. Neste vídeo e manuscrito, o procedimento de aquisição de dados e melhores práticas para a determinação das funções de sensibilidade incorporados de uma estrutura é apresentada. As funções de resposta em frequência utilizados no cálculo das funções de sensibilidade embutidos são adquiridos utilizando testes de impacto modal. Os dados são adquiridos e os resultados representativos são apresentados para uma pá de turbina eólica escala residencial. Estratégias para avaliar a qualidade dos dados sendo adquirido são fornecidos durante a demonstração do processo de aquisição de dados.

Introduction

Muitas técnicas de monitoramento de integridade estrutural dependem de mudanças nas funções de resposta em frequência medidos (FRF) para detectar danos dentro de uma estrutura. No entanto, alguns destes métodos de abordar a forma de determinar os canais de sensores e / ou locais de entrada de força que irá maximizar a eficácia do método para detectar danos. funções sensibilidade embutidas (ESF) pode ser utilizado para determinar a sensibilidade de um FRF a uma alteração local nas propriedades do material de uma estrutura. Portanto, porque os danos normalmente resulta em uma alteração local na rigidez, amortecimento, ou a massa da estrutura, ESFs fornecer um método para determinar as melhores localizações de sensor e força para técnicas de monitoramento de saúde baseados em francos franceses.

O objetivo deste vídeo e manuscrito é detalhar o processo de aquisição de dados e melhores práticas para a determinação ESFs para uma estrutura. O processo inclui a determinação de vários testes de impacto FRFs modal, que é realizada através da excitação de uma estruture com um martelo de impacto modal e medindo a sua resposta com acelerômetros. Neste trabalho, a estrutura que está sendo testado é uma escala residencial lâmina de turbina eólica de 1,2 m. O objectivo do teste e a análise deve identificar os locais de sensores, que são mais sensíveis a danos na lâmina. Esses locais de sensores poderia, então, ser usado em um esquema de monitoramento de integridade estrutural para monitorar a lâmina por danos.

Além do uso de ESFs para determinar as localizações dos sensores mais eficazes para usar em um esquema de monitoramento de integridade estrutural, vários algoritmos de posicionamento do sensor ideais também podem ser encontradas demonstrado na literatura. Em [Kramer], Kramer iterativamente avalia a capacidade de um conjunto de sensores para observar os modos de um sistema. Mais recentemente, os algoritmos genéticos ^1-3 e redes neurais ⁴ ter sido desenvolvido para identificar locais de sensores óptimas. Em ^5, uma abordagem Bayesiana é utilizado que leva em conta o risco de diferentes tipos de errosea distribuição de ocorrência de danos. Em ^6, um modelo de elementos finitos foi aproveitado para identificar os locais de sensores mais adequados para detectar danos. Na maior parte dos algoritmos de posicionamento de sensores apresentados na literatura, os dados da estrutura danificada, se simulado ou medido, é necessária. Uma vantagem da abordagem de sensibilidade incorporado é que as localizações de sensor pode ser determinada a partir da estrutura saudável.

Outra vantagem de ESF é que as propriedades do material não necessitam de ser explicitamente conhecido. Em vez disso, as propriedades do material são "incorporado" nas expressões para FRFs do sistema. Portanto, tudo que é necessário para calcular ESFs são um conjunto de FRFs medidos em determinados locais de entrada / saída. Especificamente, a sensibilidade do FRG _(JK H) calculada a partir de uma resposta medida no ponto j de uma entrada no ponto K, a uma alteração na rigidez (K _Mn) entre os pontos M e Né

Onde é o FSE em função da frequência, ω ^7-9. O procedimento de medição das FRF necessários para calcular o lado direito da equação (1) é detalhado na secção seguinte e demonstrado no vídeo.

Protocol

Preparação 1. Pré-teste

1. Projetar e fabricar o suporte de ensaio. Projetar o dispositivo elétrico para replicar condições de contorno realistas, escolhendo locais de parafuso para coincidir com os locais de montagem da lâmina. Escolha de aço para o equipamento para minimizar a contribuição da fixação para a resposta dinâmica do espécime de teste.
   1. Fecha a lâmina para a t-suporte.
   2. Prender o dispositivo elétrico a uma mesa de aço.
2. Identificar e marcar grelha de pontos de impacto.
   1. Escolha 30 pontos que se estendem por toda a lâmina.
   2. Mark aponta com um marcador ou cera caneta e número de referência. Medir o espaçamento ponto usando uma fita métrica para uso posterior na representação visual dos resultados.
3. Selecionar e calibrar os acelerómetros.
   1. Escolha um único eixo, de 10 mV / g acelerômetros. Tenha certeza de escolher acelerômetros com a sensibilidade adequada, a fim de evitar sobrecarregar o sensor e para alcançar um bom sinal pararácios -noise. Além disso, certifique-se a gama de sensores de frequência é suficiente para captar a gama de interesse para o modelo de teste de frequência.
   2. Calibrar cada sensor.
      1. Fixe o sensor a um agitador de mão cuja saída é uma força de frequência única, com uma magnitude de 9,81 m / seg ² rms (ou seja, 1 g).
      2. Medir a resposta durante 2 seg.
      3. Determinar o RMS amplitude da resposta a partir da leitura de software.
      4. Multiplicar a amplitude rms em 1000 para determinar o fator de calibração para o acelerômetro em unidades de mV / g.
4. Escolha um martelo e ponta martelo.
   1. Escolha um martelo de impacto com uma sensibilidade de 11,2 mV / N. Certifique-se de selecionar um martelo que suficientemente excita o modelo de teste em ambos faixa de amplitude e frequência.
   2. Escolha uma ponta de nylon. Certifique-se de selecionar uma ponta martelo que suficientemente excita o modelo de teste em ambos faixa de amplitude e frequência.
   3. connect o martelo para o sistema de aquisição de dados com um cabo BNC.
5. Identificar os locais de sensores e anexar sensores (Figura 4).
   1. Escolha locais nos pontos de m e n em ambos os lados do local de dano.
   2. Montar uma terceira acelerômetro na posição k. Os dados deste sensor será usado para validar os resultados da análise da função sensibilidade incorporado.
   3. Anexar acelerômetros usando super-cola. Permitir que a super-cola para definir completamente antes de realizar o teste de impacto.
6. Selecione os parâmetros de teste na GUI de aquisição de dados.
   1. Ative a detecção de duplo golpe.
   2. Defina a frequência de amostragem de 25.600 Hz. A gama de frequência utilizável é, por conseguinte, 12800 Hz.
   3. Defina o tempo da amostra a 1 seg.
   4. Selecione o canal de martelo como o canal de gatilho. Defina o nível de disparo para 10 UE.
   5. Definir o comprimento de pré-disparador para 5% do tempo total de amostragem. O pré-tdados rigger são os dados coletados antes da aquisição de dados é iniciado que foi armazenado em um buffer. É importante para obter e guardar esses dados de modo que todo o evento é capturado impacto.
   6. Selecione o estimador H1 FRF. Este estimador assume que não há ruído nos canais de resposta e nenhum ruído no canal vigor.
      Nota: Não dados da janela durante a aquisição. Windows pode ser aplicado em pós-processamento, se necessário.
   7. Digite acelerômetro e informações martelo, incluindo os fatores de calibração e elementos de identificação.
   8. Salve as configurações para manutenção de registros e para uso em futuros testes.

2. Teste de Impacto sobre a Lâmina Saudável

1. ponto de impacto 1 com o martelo. Quando a amplitude da força de impacto excede o nível de disparo escolhida, o sistema de aquisição de dados será desencadeado e os dados, incluindo a quantidade seleccionada de dados pré-disparador, irá começar a gravação.
   1. Durante acquisitio dadosn, monitorar canais para evitar o corte de canal e impactos duplas, observando as histórias do tempo exibido no software de aquisição de dados.
   2. Durante a aquisição de dados, controlar a coerência para cada canal de acelerómetro para avaliar a qualidade dos dados adquiridos por meio da observação da trama coerência no software de aquisição de dados.
2. Repita o passo 2.1 mais quatro vezes no ponto 1.
   1. Use amplitudes de impacto consistentes para todos os impactos.
3. Repita os passos 2.1 e 2.2 para todos os pontos.

3. Teste de Impacto sobre a lâmina danificada

1. Repita o ponto 2 sobre a lâmina danificada, a fim de recolher dados para validar os resultados da função sensibilidade embutidos. Exceto para a mudança no corpo de prova, todos os parâmetros de teste são mantidos os mesmos.

Representative Results

A Figura 1 mostra uma típica função sensibilidade incorporado. Semelhante a um FRF, o FSE tem picos próximos das frequências naturais da estrutura. Quanto maior o valor do FSE, mais sensível a localização é danificar entre pontos M e n. Cada um dos trinta pontos testados na pá de turbina eólica tem um FSE original. Estes ESF podem ser comparadas para determinar qual a localização do sensor seria mais sensível a danos. Por exemplo, a Figura 2 mostra as amplitudes dos próximos ESF 142 Hz. A partir deste gráfico, é evidente que as localizações de sensores correspondentes para os quadrados na primeira e terceira colunas são mais sensíveis aos danos. Note-se que estes locais são determinados a partir dos dados adquiridos a partir da lâmina saudável.

A Figura 3 mostra a diferença medida no FRF entre as FRF determinadas a partir de dados do saudável A lâmina e os valores determinados a partir de dados da lâmina danificada. As semelhanças entre a diferença em FRFs e as ESFs mostrar a eficácia das ESFs para prever os locais em que as maiores mudanças na FRFs devido aos danos serão expostos.

Figura 1. A amplitude da função sensibilidade e mbedded para o ponto 1. O valor do FSE corresponde à sensibilidade do FRG no ponto 1 para danos na estrutura no local escolhido. Os valores mudar como uma função da frequência. Picos no FSE tendem a corresponder às frequências naturais da estrutura. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 2. As amplitudes de ESF para todos os pontos de trinta a 142 Hz. Cada quadrado de cor corresponde ao valor do FSE a 142 Hz para cada localização espacial testado. As cores quentes correspondem aos pontos em que as ESF prever a maior mudança de FRF devido a danos. Cores mais frias indicam que a mudança de FRF naquele ponto será relativamente pequeno. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. A diferença nas FRFs, H _JK, para todos os pontos de trinta a 142 Hz. As diferenças foram calculados subtraindo os FRFs determinados a partir das lâminas saudáveis ​​e danificados. Cores quentes indicam grandes diferenças de FRFs. As cores frescas indicam smaalterações ll em FRFs. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. Impacto pontos utilizada durante o ensaio. Os pontos foram escolhidos para abranger a lâmina. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

dispositivos de teste devem ser projetados para replicar condições de contorno realistas para que os resultados serão aplicáveis ​​em condições de funcionamento. A selecção do número de pontos de impacto utilizados para o ensaio é um trade-off entre ter resolução espacial suficiente e o tempo de teste. Escolha do martelo com base no tamanho da amostra de teste e a gama de frequências de interesse. Em geral, quanto menor for o martelo, a gama de frequências mais vasta do animado. No entanto, martelos mais pequenos produzem tipicamente forças de menor amplitude. martelos de impacto são instrumentados com um medidor de força para medir a evolução temporal do impacto. O tipo de ponta martelo também afeta a faixa de excitação frequência. O mais difícil a ponta, a mais ampla faixa de excitação frequência. Super cola é escolhida em detrimento de cera, por exemplo, para minimizar a atenuação da resposta por o material de fixação.

No software de aquisição de dados, permitir a detecção duplo golpe, a fim de automaticamente indicar quando um duplo impacto ocorreu. impactos individuais são desejados, porque eles produzem um espectro de força mais ampla e repetível. Quando a amplitude da força de eleva acima do nível de disparo seleccionado, a aquisição de dados é iniciada. dados de tempo é adquirido pelo software de aquisição de dados. Durante a aquisição de dados deve ser monitorado para garantir a qualidade dos dados. Canal de corte, que ocorre quando a resposta medida pelo sensor excede a faixa de tensão admissível, deve ser evitada. A coerência é uma excelente métrica para usar para julgar a qualidade dos dados. Em geral, a coerência deve estar perto de um para todas as freqüências dentro da faixa de freqüência animado pelo impacto. Mergulhos em coerência são esperados perto de frequências anti-ressonância do corpo de prova, porque a relação sinal-ruído é baixo eo ruído não está correlacionada com a entrada. Depois que os dados de qualidade é adquirido, os temporais são convertidos para o domínio da frequência através da Transformada Rápida de Fourier (FFT), ea FRF média é de estimated usando o estimador H1 ^10.

Para determinar o FSE das FRFs medidos durante o teste, a equação 1 pode ser utilizado em uma de duas maneiras. Em primeiro lugar, a abordagem directa pode ser usada, a qual requer medições para HJM, HJN, Hkm e HKN. Estes FRFs seria determinado pela colocação de um sensor no local K e roving um sensor para cada sensor de potencial local j. Impactos seria aplicado nas duas localizações que se estendem do local de dano. Para fazer a coleta de dados mais eficiente, o principal da reciprocidade pode ser usado para reverter os locais de entrada e de medição. Usando essa abordagem, HMJ, HNJ, HMK e Hnk são determinados. Agora, em vez de ter que se deslocar dos sensores para cada medição diferente, os sensores de ficar estacionário e o local de impacto é percorreram. Uma vez que os ESF são calculados para cada localização, as suas amplitudes são comparados para determinar a posição de jé mais sensível a danos entre os locais de m e n. Note-se que um único local danos é assumida neste trabalho.

Os resultados da análise FSE agora pode ser usado em um esquema de monitoramento de integridade estrutural à base de FRF. Em ^11, foi demonstrado que os locais identificados pelos sensores ESF como sendo mais sensível a danos eram mais eficazes na identificação da presença de danos para uma pá de turbina eólica.

Outros métodos para prever locais em que FRF uma estrutura será sensível a danos tipicamente dependem de modelagem analítica da estrutura ^{3, 6, 12.} FRF dados é simulado utilizando diferentes combinações de posições de entrada e de medição. No entanto, os resultados destes métodos baseiam-se no desenvolvimento de um modelo fiável e preciso, que exige o conhecimento pormenorizado das propriedades do material e da geometria da estrutura. Porque ESFs pode ser calculado a partir de dados medidos experimentalmentesobre a estrutura saudável, a identificação de propriedades do material não é necessária e a geometria da estrutura não precisa de ser determinada.

Uma limitação potencial da técnica é que ele requer um conhecimento a priori de que o dano vai ocorrer. Em muitas aplicações, este requisito não é limitante, pois devido ao estresse análises e experiências anteriores, a localização dano pode ser previsto. Em aplicações em que o local de dano é desconhecida, múltiplos conjuntos de dados podem ser adquiridos, cada vez assumindo uma posição diferente danos. No âmbito do protocolo de aquisição de dados, muitas das melhores práticas foram identificadas que não só se aplicam a aquisição de dados para ESFs, mas também são geralmente aplicáveis ​​a testes de impacto modal. Ser capaz de avaliar a qualidade dos dados que estão sendo adquiridos melhora com a experiência, mas sabendo fundamentos, incluindo a determinação força de roll-off e avaliar a coerência permitirá mesmo aqueles novo para modal testes de impacto para adquirir oiGH-dados de qualidade.

Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Os autores não têm confirmações.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Accelerometer	PCB	356B11	three used in testing
Impact hammer	PCB	086C01
Data acquisition card	NI	9234
DAQ chasis	NI	cDAQ-9171	or similar
Software	MATLAB
Super glue	Loctite	454
Handheld Shaker	PCB	394C06	for calibration

References

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Engenharia assuntos 110 incorporado funções de sensibilidade monitorização estrutural saúde funções de resposta em frequência vibrações testes de impacto pás de turbinas eólicas