基于新型压电传感的汽车结构健康检测技术

卢婉钰　邹蕴　吴琳

[摘要]车辆行驶过程中，受复杂路况及其它因素影响，车体结构可能产生不可预测的微小损伤。及时检测车体结构微损伤并采取相应维护措施，可降低安全隐患的发生概率，有效延长车辆使用寿命。本文基于压电传感检测技术，提出一种高灵敏度车辆车体微损伤检测方法，解决传统方法对微损伤检测分辨率低、对设备硬件需求高的问题，为车辆工程车体设计领域提供新思路与新方法。

[关键词]压电传感器 高频超声波 车辆 微损伤检测

一、引言

材料的损伤会降低材料自身的力学性能。汽车在使用过程中，由于道路环境的复杂性，其车体结构会产生不可预测的微损伤。这些微损伤将影响车体结构的牢固性、稳定性，并不断积累、加深，成为车辆安全行驶的隐患，可能引发难以预测的严重后果。对车辆车体结构进行检测，及时发现结构微损伤，采取必要维护措施，不仅能大大降低车辆的维护成本、延长使用寿命，还可为车辆车体设计领域的革新提供理论参考。因此，建立一种高效的、成本低廉的车辆车体结构检测方法意义重大，具有巨大的应用市场。本文基于高频超声波检测技术在理论上提出一种车辆车体结构健康检测方法。

二、结构健康检测方案

结构健康检测是一种实时无损检测方式。在避免材料损伤的前提下，通过材料内部结构对检测信号的动态响应获得结构损伤与材料力学性能之间的关联信息，给出材料健康检测的理论依据，提出材料安全使用所对应的损伤阈值，指导工程、材料领域安全生产，是材料健康检测的核心。目前，材料健康检测系统主要由压电传感器、可调高灵敏度电路及分析软件模块组成。压电传感器主要探测材料对检测信号的动态响应，并将所测声学信号转换为电学信号，经可调高灵敏度电路初步处理后，由专业分析软件对信号进行系统分析，获得材料结构健康信息。常用的健康检测方法有振动模态法和超声波法。振动模态法主要通过材料力学性质改变获得结构损伤的信息，具有检测范围大、操作简单的优点，但是所采用的检测声波波长较长，检测分辨率低，对薄层结构或微小损伤的检测灵敏度低。而车辆车体一般厚度较薄，因此可选择基于高频超声波法的健康检测方法。该方法基于高频瞬态波的传播特征检测材料结构性质的改变，推测材料中损伤程度、位置、密度等信息。

三、车辆车体健康检测方案

随着新型压电材料的开发应用，压电传感器的频带、动态响应、电力转换效率等性能都有了较大提高。最新研究结果表明，压电传感器的电阻抗与被检测材料的声阻抗关系密切，这样可以将压电传感器与专门的可调电路系统耦合，提高传感器对声学动态响应以及检测的灵敏度。在车辆车体上合理设置压电传感器，收集车体各部位动态响应信号，经由设计精良的电路系统传送给车载电脑系统，由专门分析软件对信号进行处理，实时监控汽车车体健康状态。

四、信号分析方法

在信号分析方面，有限元数值模拟可有效处理各种复杂结构中超声波传播问题，并且给出全场数值解。基于有限元時域算法计算超声波在车体结构中传播问题时，由于超声波波长非常短，因此网格单元划分很小，网格单元数量巨大，计算量极大，对车载计算机等硬件设备的要求非常高，从而提高车辆的设计成本。此外，检测时间亦大量增加，检测效率降低。有限元频域算法利用时间坐标的Laplace变换和空间坐标的Fourier变换或Hankel变换这种双积分变换方法对不同频率分量级数展开求解高频超声波传输问题，所需网格单元数目远小于时域算法，计算量大为减少，能够灵活、高效地处理车辆车体结构的动态响应信号。

五、噪声过滤方案

车辆车体的健康检测还需充分考虑车身造型以及动力系统噪声的影响。车体的结构造型决定压电传感器的分布方式。在接近发动机、传动系统等机械振动较大、安全关联性高的位置，压电传感器的分布密度相对要高。由于高频超声波在材料中传播衰减很快，因此，高灵敏度、高分辨率的信号接收、分析系统是车辆车体的健康检测方法的关键核心。在实际测量中，引入运算放大器，基于压电传感设计负电阻和负电容电路，负电阻可以提高信号的共振峰值，克服系统高频阻尼，而负电容可增强力

电耦合作用，提高系统侦测由材料结构微损伤导致的微弱声波信号的灵敏度。反之，通过已知微损伤，探测材料的微弱动态响应，可获得电信号与力

电耦合系数等参数之间的关系，进一步修正可调电路的参数，识别并过滤噪声，形成集成的车辆车体实时健康精密检测系统。

六、结论

本文基于压电传感技术，提出一种车辆车体结构健康实时监控方法。通过在车辆车体排布一定的新型高灵敏压电传感器，结合可调高灵敏度精密电路，探测车体结构中微小损伤对超声波信号的动态响应，根据车体结构微损伤与车体力学性质的关系，利用车载微型电脑将系统检测得到超声电信号进行反演运算，反演车辆车体结构的力学参数特征值，评价车辆车体的力学性能，最终获得车体结构中微损伤的信息。这种车辆车体健康检测系统灵活、高效，成本相对低，可有效降低车辆日常维护费用，降低事故发生率，延长汽车的使用寿命，不仅能够在社会经济发展中产生较大的经济效益，还能在理论上指导车辆工程汽车车体设计领域的创新变革。