Protocolo de toma de datos para la determinación de funciones de sensibilidad Embedded

Abstract

La eficacia de muchas técnicas de monitoreo de salud estructural depende de la colocación de los sensores y la ubicación de las fuerzas de entrada. Los algoritmos para la determinación óptima del sensor y obligando a lugares normalmente requieren datos, ya sea simulada o medido, de la estructura dañada. funciones de sensibilidad Embedded proporcionan un enfoque para determinar la mejor ubicación del sensor disponibles para detectar daño con sólo los datos de la estructura sana. En este video y el manuscrito, se presenta el procedimiento de adquisición de datos y las mejores prácticas para la determinación de las funciones de sensibilidad incrustados de una estructura. Las funciones de respuesta de frecuencia utilizados en el cálculo de las funciones de sensibilidad incrustados se adquirieron usando el ensayo de impacto modal. Los datos se adquieren y se muestran los resultados representativos de una pala de aerogenerador escala residencial. Estrategias para evaluar la calidad de los datos que se adquieran se proporcionan durante la manifestación del proceso de adquisición de datos.

Introduction

Muchas técnicas de monitoreo de salud estructural se basan en cambios en las funciones de respuesta de frecuencia medidos (FRF) para detectar daños dentro de una estructura. Sin embargo, algunos de estos métodos ocupa de cómo determinar las ubicaciones de los sensores y / o lugares de entrada de fuerza que maximicen la eficacia del método para detectar daños. funciones de sensibilidad Embedded (SESF) se pueden utilizar para determinar la sensibilidad de un FRF a un cambio local en las propiedades del material de una estructura. Por lo tanto, debido a los daños típicamente resulta en un cambio local de la rigidez, amortiguamiento, o la masa de la estructura, ESF proporcionan un método para determinar las mejores ubicaciones del sensor y de la fuerza de las técnicas de vigilancia de la salud a base de FRF.

El propósito de este video y el manuscrito es detallar el proceso de adquisición de datos y las mejores prácticas para la determinación de los FSE para una estructura. El proceso incluye la determinación de diversas FRF de ensayo de impacto modal, que se realiza excitando un structuvolver con un martillo de impacto modal y medir su respuesta con acelerómetros. En este trabajo, la estructura que se está probando es una escala residencial pala de aerogenerador de 1,2 m. El objetivo de la prueba y el análisis es identificar ubicaciones de los sensores que son más sensibles a los daños a la hoja. Estas ubicaciones de los sensores podrían ser utilizados en un esquema de vigilancia de la salud estructural para supervisar la hoja de daños.

Además del uso de ESF para determinar los lugares más eficaces de sensores para utilizar en un sistema de vigilancia de la salud estructural, varios algoritmos de colocación óptima del sensor también se pueden encontrar demostrado en la literatura. En [Kramer], Kramer iterativamente evalúa la capacidad de un conjunto de sensores para observar los modos de un sistema. Más recientemente, los algoritmos genéticos y redes neuronales ^{1-3 4} se han desarrollado para identificar las ubicaciones óptimas de sensores. En ^5, un enfoque bayesiano se utiliza que tenga en cuenta el riesgo de diferentes tipos de erroresy la distribución de los tipos de daños. En ^6, un modelo de elementos finitos fue impulsada a identificar las ubicaciones de los sensores más probables para detectar daños. En la mayoría de los algoritmos de colocación del sensor presentados en la literatura, los datos de la estructura dañada, ya sea simulada o de medición, se necesita. Una ventaja del enfoque de sensibilidad incorporado es que las ubicaciones de los sensores se pueden determinar a partir de la estructura sana.

Otra ventaja de ESFs es que las propiedades del material no es necesario conocer de forma explícita. En su lugar, las propiedades del material están "incrustados" en las expresiones para FRF del sistema. Por lo tanto, todo lo que se necesita para calcular ESF son un conjunto de FRF medidos en determinados lugares de entrada / salida. Específicamente, la sensibilidad de la FRF (H _jk) calculado a partir de una respuesta medida en el punto j a una entrada en el punto k, a un cambio en la rigidez (K _mn) entre los puntos de m y nes

dónde es el FSE como una función de la frecuencia, ω ^7-9. El procedimiento para medir las FRF requeridos para calcular el lado derecho de la ecuación (1) se detalla en la siguiente sección y demostrado en el vídeo.

Protocol

1. Preparación previa a la prueba

1. Diseñar y fabricar el dispositivo de prueba. Diseñar el aparato para reproducir las condiciones de contorno realistas por elegir ubicaciones de los pernos para que coincida con las ubicaciones de montaje de la cuchilla. Elija acero para el accesorio para minimizar la contribución del accesorio a la respuesta dinámica de la muestra de ensayo.
   1. El cerrojo a la cuchilla a la t-soporte personalizado.
   2. Sujetar el accesorio a una mesa de acero.
2. Identificar y marcar las ubicaciones de rejilla de impacto.
   1. Elija 30 puntos que abarcan toda la hoja.
   2. Marcar los puntos con un marcador o cera de la pluma y el número de referencia. Medir espaciado de punto utilizando una cinta métrica para su uso posterior en la representación visual de los resultados.
3. Seleccionar y calibrar los acelerómetros.
   1. Elija un solo eje, de 10 mV / g acelerómetros. Asegúrese de elegir los acelerómetros con la sensibilidad adecuada con el fin de evitar la sobrecarga del sensor y para lograr una buena señal arelaciones de la Ruido. También, asegúrese de que el rango de frecuencia de los sensores es suficiente para capturar el rango de frecuencias de interés para la muestra de ensayo.
   2. Calibrar cada sensor.
      1. Una el sensor a un agitador de mano cuya salida es una fuerza de una sola frecuencia con una magnitud de 9,81 m / seg ² rms (es decir, 1 g).
      2. Medir la respuesta de 2 seg.
      3. Determinar la amplitud RMS de la respuesta de la lectura de software.
      4. Multiplicar la amplitud rms por 1000 para determinar el factor de calibración para el acelerómetro en unidades de mV / g.
4. Elija un martillo y punta de martillo.
   1. Elija un martillo de impacto con una sensibilidad del 11,2 mV / N. Asegúrese de seleccionar un martillo que suficientemente excita la muestra de ensayo, tanto en amplitud y frecuencia gama.
   2. Seleccione una punta de nylon. Asegúrese de seleccionar una punta de martillo que suficientemente excita la muestra de ensayo, tanto en amplitud y frecuencia gama.
   3. Connect el martillo para el sistema de adquisición de datos con un cable BNC.
5. Identificar ubicaciones de los sensores y adjuntar sensores (Figura 4).
   1. Elija lugares en los puntos de m y n en cada lado de la ubicación de la avería.
   2. Montar tercera acelerómetro en la posición k. Los datos de este sensor se utilizarán para validar los resultados del análisis de función de sensibilidad incorporado.
   3. Adjuntar acelerómetros utilizando pegamento. Deje que el pegamento para fijar por completo antes de realizar la prueba de impacto.
6. Seleccione los parámetros de prueba en la interfaz gráfica de adquisición de datos.
   1. Permitir la detección doble golpe.
   2. Ajuste la frecuencia de muestreo de 25.600 Hz. La gama de frecuencia útil es, por lo tanto, 12,800 Hz.
   3. Ajuste el tiempo de la muestra a 1 seg.
   4. Seleccione el canal de martillo como el canal de disparo. Ajuste el nivel de disparo a 10 UE.
   5. Establecer la longitud de disparo previo al 5% del tiempo total de la muestra. El pre-tdatos instalador es datos recogidos antes de iniciar la adquisición de datos que se ha almacenado en una memoria intermedia. Es importante para recuperar y guardar estos datos de manera que se captura todo el evento de impacto.
   6. Seleccione el estimador H1 FRF. Este estimador asume que hay ruido en los canales de respuesta y no hay ruido en el canal de la fuerza.
      Nota: No datos de la ventana durante la adquisición. Windows puede ser aplicado en el procesamiento posterior, si es necesario.
   7. Introduzca el acelerómetro y la información de martillo, incluyendo factores de calibración o la ficha descriptiva.
   8. Guardar las opciones de mantenimiento de registros y para su uso en futuras pruebas.

2. Pruebas de impacto en la hoja sana

1. 1 punto de impacto con el martillo. Cuando la amplitud de la fuerza de impacto excede el nivel de disparo elegido, se activará el sistema de adquisición de datos y datos, incluyendo la cantidad seleccionada de los datos previos al disparo, se iniciará la grabación.
   1. Durante Acquisitio datosn, observar canales para evitar la saturación del canal y los impactos dobles mediante la observación de las historias de tiempo que se muestran en el software de adquisición de datos.
   2. Durante la adquisición de datos, controlar la coherencia para cada canal acelerómetro para evaluar la calidad de los datos adquiridos mediante la observación de la trama coherencia en el software de adquisición de datos.
2. Repita el paso 2.1 de cuatro veces más en el punto 1.
   1. Utilice amplitudes de impacto consistentes para todos los impactos.
3. Repita los pasos 2.1 y 2.2 para todos los puntos.

3. Pruebas de impacto en la hoja dañados

1. Repita la sección 2 de la tarjeta dañada con el fin de recopilar datos para la validación de los resultados de la función de sensibilidad embebidos. Excepto por el cambio en la muestra de ensayo, todos los parámetros de ensayo se mantienen la misma.

Representative Results

La figura 1 muestra una función típica sensibilidad incorporado. Similar a un FRF, el FSE tiene picos cerca de las frecuencias naturales de la estructura. Cuanto mayor sea el valor de la FSE, más sensible será la ubicación es dañar entre los puntos M y N. Cada uno de los treinta puntos sometidos a ensayo sobre la pala de aerogenerador tiene una única FSE. Estos ESFs se pueden comparar para determinar que la ubicación del sensor sería más sensibles a los daños. Por ejemplo, la Figura 2 muestra las amplitudes de las ESF cerca de 142 Hz. De esta figura, es evidente que las ubicaciones de los sensores correspondientes a las plazas de la primera y la tercera columnas son más sensibles a los daños. Tenga en cuenta que estas ubicaciones se determinan a partir de datos adquiridos de la hoja sano.

La Figura 3 muestra la diferencia medida en FRF entre las FRF determinados a partir de datos de la saludable la cuchilla y los determinados a partir de datos de la hoja dañada. Las similitudes entre la diferencia en FRF y el SESF muestran la eficacia de las FSE para predecir las posiciones en las que se expondrán los mayores cambios en FRF debido a los daños.

Figura 1. La amplitud de la función de sensibilidad e mbedded para el punto 1. El valor de la ESF corresponde a la sensibilidad de la FRF en el punto 1 a daños en la estructura en el lugar elegido. Los valores cambian como una función de la frecuencia. Los picos en el FSE tienden a corresponder a las frecuencias naturales de la estructura. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 2. Las amplitudes de las FSE para todos los treinta puntos a 142 Hz. Cada cuadrado de color se corresponde con el valor del FSE en 142 Hz para cada localización espacial probado. Los colores cálidos corresponden a puntos en los que el SESF predicen el mayor cambio en francos franceses debido a los daños. Los colores más fríos indican que el cambio en francos franceses en ese punto será relativamente pequeño. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3. La diferencia en las FRF, H _jk, para todos los treinta puntos en 142 Hz. Las diferencias se calcula restando las FRF determinados a partir de las hojas sanas y dañadas. Los colores cálidos indican grandes diferencias en FRF. Los colores fríos indican small cambios en FRF. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4. Impacto puntos utilizados durante la prueba. Puntos fueron elegidos para abarcar la hoja. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

accesorios de la prueba deben ser diseñados para replicar las condiciones de contorno realistas por lo que los resultados serán aplicables en condiciones de funcionamiento. La selección del número de puntos de impacto utilizados para las pruebas es un equilibrio entre el mantenimiento de suficiente resolución espacial y el tiempo de prueba. Seleccione el martillo en función del tamaño de la muestra de ensayo y la gama de frecuencias de interés. En general, cuanto menor es el martillo, la más amplia la gama de frecuencias excitado. Sin embargo, los martillos más pequeños producen típicamente fuerzas de amplitud más bajos. martillos de impacto están equipados con un medidor de fuerza para medir la evolución temporal de los efectos. El tipo de punta de martillo también afecta a la gama de frecuencias de excitación. El más difícil de la punta, más amplia será la banda de frecuencias de excitación. Pegamento se elige más de cera, por ejemplo, para reducir al mínimo la atenuación de la respuesta por el material de montaje.

En el software de adquisición de datos, activar la detección de doble golpe con el fin de automáticamente indican cuándo se ha producido un doble impacto. se desean impactos individuales, ya que producen un espectro más amplio de fuerza más repetible. Cuando la amplitud de la fuerza se eleva por encima del nivel de activación seleccionado, se inicia la adquisición de datos. datos de tiempo es adquirida por el software de adquisición de datos. Durante la adquisición de datos deben ser monitoreados para asegurar la calidad de los datos. recorte de canal, que se produce cuando la respuesta medida por el sensor excede el rango de tensión admisible, debe ser evitado. La coherencia es un excelente indicador de usar para juzgar la calidad de los datos. En general, la coherencia debe estar cerca de uno para todas las frecuencias dentro de la gama de frecuencias excitadas por el impacto. Se espera que Dips en coherencia cerca de las frecuencias de resonancia de anti-la muestra de ensayo debido a que la relación de señal a ruido es bajo y el ruido no está correlacionado con la entrada. Una vez que se adquiere la calidad de datos, las historias de tiempo se convierten en el dominio de la frecuencia a través de la Transformada Rápida de Fourier (FFT), y el promedio es de FRF EstimaTed usando el estimador H1 ^10.

Para determinar el FSE de las FRF medidos durante la prueba, la ecuación 1 se puede utilizar en una de dos maneras. En primer lugar, el enfoque directo se puede utilizar, lo que requiere mediciones para HJM, hjn, Hkm y hkn. Estos FRF serían determinadas por la colocación de un sensor en la posición k y roving un sensor a cada potencial ubicación del sensor j. Impactos serían aplicados en los dos lugares que abarcan la ubicación de la avería. Para la recogida de datos más eficiente, el principio de reciprocidad se puede utilizar para revertir los lugares de entrada y de medición. Con este enfoque, hmj, HNJ, Hmk, y Hnk se determinan. Ahora, en lugar de tener que mover los sensores para cada medición diferente, los sensores permanecen estacionario y el punto de impacto se recorrieron. Una vez que las FSE se calculan para cada lugar, sus amplitudes se comparan para determinar qué localización jes más sensible a los daños entre los lugares m y n. Tenga en cuenta que una sola ubicación de la avería se asume en este trabajo.

Los resultados del análisis FSE ahora se pueden utilizar en un sistema de vigilancia de la salud estructural a base de FRF. En ^11, se demostró que las ubicaciones de los sensores identificados por ESFs como los más sensibles a los daños fueron más eficaces en la identificación de la presencia de daños en una pala de aerogenerador.

Otros métodos para predecir posiciones en las que FRF de una estructura serán sensibles a los daños por lo general se basan en el modelado analítico de la estructura ^{3, 6, 12.} FRF datos se simula utilizando diferentes combinaciones de los lugares de entrada y de medición. Sin embargo, los resultados de estos métodos se basan en el desarrollo de un modelo fiable y precisa, lo que requiere un conocimiento detallado de las propiedades del material y la geometría de la estructura. Debido ESFs se pueden calcular a partir de datos medidos experimentalmenteen la estructura sana, la identificación de las propiedades del material no es necesaria y la geometría de la estructura no tiene que ser determinada.

Una limitación potencial de la técnica es que requiere un conocimiento a priori de que el daño se va a producir. En muchas aplicaciones, este requisito no es limitante, porque debido a la tensión y analiza la experiencia previa, la ubicación de la avería puede ser previsto. En aplicaciones en las que la ubicación de la avería es desconocida, múltiples conjuntos de datos pueden ser adquiridos, cada vez asumiendo una ubicación daño diferente. Dentro del protocolo de adquisición de datos, se identificaron muchos mejores prácticas que no sólo se aplica a la adquisición de datos para el FSE, sino que también se aplican en general a las pruebas de impacto modal. Ser capaz de juzgar la calidad de los datos que están siendo adquiridos mejora con la experiencia, pero a sabiendas de los fundamentos, incluyendo la determinación de la fuerza de roll-off y evaluar la coherencia permitirá incluso aquellos que son nuevos en modal pruebas de impacto para adquirir hidatos de calidad de GH.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores no tienen reconocimientos.

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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