Общие вопросы дефектоскопии
УДК 620.179
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИКЛЕИВАЕМОГО И
ПРИМАГНИЧИВАЕМОГО ЦТС-ДАТЧИКОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕТОДА
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА В ЦЕЛЯХ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО
КОНТРОЛЯ
© 2022 г. С.К. Сингх1,*, Р. Шанкер1,**
1Национальный технологический институт Мотилала Неру в Аллахабаде,
Праяградж, 211004 Индия
E-mail: *sachin6738@gmail.com; **ramashanker@mnnit.ac.in
Поступила в редакцию 08.07.2022; после доработки 09.08.2022
Принято к публикации 12.08.2022
Метод электромеханического импеданса (ЭМИ) является одним из важных методов в области мониторинга состоя-
ния конструкций. Повреждение на начальном этапе может быть легко обнаружено с помощью этого метода по сравне-
нию с другими. Исследователями были предложены различные конфигурации ЦТС-датчиков для метода ЭМИ, которые
имеют свои преимущества и недостатки. В данной работе приклеиваемый ЦТС-датчик (КЦД) и примагничиваемый
ЦТС-датчик (МЦД) используются для контроля дефектов в стальной балке двутаврового сечения. В балке создаются
повреждения, и с помощью статистических методов производится их количественная оценка. При анализе результатов
было обнаружено, что МЦД имеет большую зону чувствительности, чем КЦД. Это связано с отсутствием эффекта сдви-
гового запаздывания в МЦД, чего нет в случае КЦД. Задержка сдвига влияет на механизм передачи деформации между
ЦТС-датчиком и объектом, на котором данный датчик и располагается. Область чувствительности МЦД достигает
3,5 м, в то время как область чувствительности КЦД составляет менее 2,0 м в случае стальной балки.
Ключевые слова: контроль состояния конструкций, метод электромеханического импеданса, приклеиваемый ЦТС-
датчик, примагничиваемый ЦТС-датчик.
DOI: 10.31857/S0130308222100062, EDN: BTKVCC
ВВЕДЕНИЕ
Многие гражданские инженерные сооружения (такие как мосты, высотные здания, плотины,
железные дороги и метро) играют значительную роль для транспортных сетей, социальной жизни
и экономики. Срок службы многих из этих сооружений подходит к концу из-за экономической
нецелесообразности их реконструкции. Исследователи и инженеры-строители в последнее время
уделяют большое внимание контролю состояния конструкций (КСК) для долгосрочного монито-
ринга и обнаружения потенциальной деградации конструкций. Были разработаны различные
методы КСК [1—6], которые должны использоваться в соответствии с требованиями, из которых
хорошо зарекомендовал себя метод электромеханического импеданса (ЭМИ) при контроле зарож-
дающихся повреждений, обладая высокой точностью.
Датчики, используемые в методе ЭМИ, обычно приклеиваются к объектам контроля эпоксид-
ной смолой для выявления структурных дефектов. Такие датчики, с другой стороны, уязвимы к
повреждениям. Диагностика датчиков ― это область исследования, которая сосредоточена на
поиске неисправных датчиков. Хотя очевидно, что продолжение создания систем КСК необходимо
как по соображениям безопасности, так и по экономическим причинам, создание сенсорной диа-
гностики для этих методов КСК можно считать не менее важным. Диагностика датчиков позволя-
ет системе мониторинга определять целостность датчиков и отличать повреждения датчиков от
дефектов конструкции.
Существуют различные типы датчиков, разработанные для решения конкретных задач. Для
мониторинга ранней гидратации бетона и состояния конструкций была создана концепция много-
разового ЦТС-датчика. Такая схема датчика состоит из ЦТС-элемента, соединенного с корпусом
двумя болтами, которые затем затягиваются в отверстиях, просверленных в корпусе [7].
Аналогичный многоразовый датчик был создан с использованием болта, металлического стержня
и ЦТС-пластины, которая крепится на болт, который в свою очередь крепится к металлическому
стержню. Стержень вставляется в бетон во время заливки, что может быть использовано для мони-
торинга гидратации цемента. Этот датчик можно использовать повторно, удалив болт [8]. Также
был предложен беспроводной датчик, который можно поместить в бетон во время заливки и
использовать для мониторинга прочности бетона и его разрушения [9]. Для оценки прочности
высокопрочного бетона был предложен встраиваемый ЦТС-датчик, изготовленный из полого
58
С.К. Сингх, Р. Шанкер
полусферического стирола [10]. Для мониторинга раннего нарастания показателей механической
прочности цементных материалов был разработан датчик на основе интеллектуального зонда,
использующий металлическую полосу с ЦТС-датчиком, приклеенным с одной стороны [11].
Другой датчик был изготовлен в форме кольцевого диска и встроен в конец стального прута для
распознавания повреждений вследствие коррозии и образования трещин [12]. Было установлено,
что пьезоэлектрический цементный датчик, состоящий из цемента и пьезоэлектрического компо-
зита, работает лучше, чем обычный ЦТС-датчик, поскольку у него больше изменение электриче-
ского импеданса [13].
Большинство методов обнаружения дефектов требуют большого количества датчиков, рассре-
доточенных по всей конструкции для достаточного охвата области контроля. Большинство из этих
датчиков могут работать в неблагоприятных условиях эксплуатации и окружающей среды.
Механические воздействия, аварии или другие непредвиденные чрезвычайные происшествия спо-
собны повредить даже датчики, подключенные в безопасном месте. Если датчик, подключенный к
системе мониторинга, не выдает никаких выходных сигналов как от окружающей среды, так и от
внешнего воздействия, то, скорее всего, датчик был выведен из строя. Даже если датчик каким-то
образом повредился, он все равно в некоторой степени работоспособен, может реагировать на
внешнее воздействие и выдавать, как кажется, достаточный отклик. Датчик с поломками или недо-
статочным сцеплением, которые могут быть вызваны воздействием растворителя, ударами и уста-
лостью, может существенно изменить свойства сигнала и привести к ошибочным заключениям о
наличии повреждения. Перед каждым измерением состояние каждого датчика должно быть про-
верено для максимального обеспечения представление о целостности конструкции. Поэтому для
преодоления этого недостатка исследователями был предложен примагничиваемый ЦТС-датчик
(МЦД), который может применяться, если известно состояние конструкции. Крепление МЦД не
требует наличие связующего слоя из эпоксидной смолы, а работа датчика SMPS объясняется в
другом разделе.
Влияние связующего слоя на измерения импеданса было изучено рядом исследователей. Bhalla
и Soh [4] исследовали влияние сдвига через связующий слой на электромеханические модели
импеданса, такие как пьезоэлектрическая активация и зондирование, созданные Crawley и de Luis
[5] и Sirohi и Chopra [6] соответственно. Bhalla и Soh [4] показали, что связующий слой может
оказывать существенное влияние на наблюдаемые сигналы электрического сопротивления, добав-
ляя эффекты потерь на сдвиг через клей и расширяя предыдущие модели до 2D. Чтобы уменьшить
влияние пограничного слоя на регистрируемые данные, авторы рекомендовали использовать тон-
кий слой клея с высоким модулем сдвига и как можно меньший пьезоэлектрический слой.
В данной работе как КЦД, так и МЦД используются на стальной балке двутаврового сечения,
искусственные повреждения создаются в балке путем разрезания в одной точке. Получены зави-
симости проводимости от частоты в исходном состоянии и на различных стадиях повреждения.
Количественная оценка повреждений была выполнена на основе статистического анализа.
МЕТОД ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА
Пьезоэлектрик обладает свойством изменять форму при приложении к нему электрического
потенциала, что называется обратным пьезоэффектом, и, наоборот, генерировать электрический
заряд при наведении в нем деформации, что называется прямым пьезоэффектом. Это свойство
пьезоэлектрического материала делает его пригодным для использования в качестве датчика и
актуатора в области контроля состояния конструкций. Они имеют небольшие размеры, малый вес
и обеспечивают лучшую чувствительность.
Согласно данной методике, датчик цирконата-титаната свинца (ЦТС) приклеивается к участ-
ку конструкции, данный участок электрически возбуждается с помощью LCR-метра напряжени-
ем 1 В в широком диапазоне частот 30―400 кГц, одновременно с этим регистрируется характе-
ристики сигнала для каждой частоты в этом диапазоне. Характеристики сигнала записываются
в виде зависимости сопротивления ЦТС-датчика от частоты. Адмиттанс ЦТС-пластины опреде-
ляет сопротивление объекта, к которому он приклеен, которое зависит от массы, жесткости и
демпфирующих свойств материала конструкции. При подаче электрического потенциала на
ЦТС-датчик индуцируется деформация, которая далее передается конструкции. После передачи
деформации упругие волны распространяются через материал и отражаются от дефектов, гра-
ниц и любых других препятствий. Возвращаясь обратно, упругие волны собирают информацию
о материале, что, в свою очередь, приводит к вибрациям ЦТС-датчика, в котором благодаря
прямому воздействию генерируется электрический заряд, регистрируемый в различных диапа-
Дефектоскопия
№ 10
2022
Определение области чувствительности приклеиваемого и примагничиваемого...
59
зонах частот с помощью LCR-метра. Эта последовательность действий повторяется всякий раз,
когда необходимо узнать состояние объекта. Любое изменение в форме сигнала по сравнению с
ранее полученной свидетельствует о повреждении конструкции. Для количественной оценки
повреждений, определения местоположения повреждений и оценки оставшегося срока службы
конструкции были проведены многочисленные исследования [14―20]. За последние два десяти-
летия такая методика получила большее развитие для комплексного использования в данной
области [21―26]. Начальный уровень трещин или любые незначительные изменения в кон-
струкции легко обнаруживаются. Более поздние исследования также показали его эффектив-
ность для глобальных повреждений, а также для более низкого диапазона частот [27]. Эти сиг-
налы уникальны для конструкции, если только конструкция не претерпела физических измене-
ний, таких как изменение температуры, жесткости, массы или демпфирования, во время которых
формы сигналов не остаются такими же и изменяются. В результате любое повреждение кон-
струкции вызывает изменения в связанных с ней структурных параметрах, которые впослед-
ствии могут быть замечены как изменение параметров адмиттанса конструкции. Метод ЭМИ
очень чувствителен к ранним признакам повреждения. В результате раннее обнаружение и
быстрое реагирование могут предотвратить его дальнейшее распространение и полное разруше-
ние конструкции.
Liang [28] впервые предложил одномерную импедансную модель электромеханической систе-
мы. ЦТС-датчик считается бесконечно малым по сравнению со всей конструкцией, поэтому его
масса и жесткость не учитываются. Переменное электрическое поле прикладывается в направле-
нии '3', как показано на рис. 1, что приводит к колебаниям ЦТС в направлении '1'. ЦТС-дачтик
закреплен с одной стороны, а другая сторона испытывает импеданс Z от объекта. ЦТС-пластина
действует как тонкий стержень, испытывающий осевые колебания. Электромеханическая модель
показана на рис. 1. Ее комплексный коэффициент передачи определяется согласно уравнению:
wl
Z
tanκl
T
2
E
a
2
E
Y
=
2ωj
ε
−d
Y
+
d
Y
,
(1)
(
33
31
)
31
h
Z +Z
κl
a
T
где Y
— адмиттанс (обратный импеданс);YE — модуль Юнга; d31 представляет пьезомодуль;
ε
33
— комплексная диэлектрическая постоянная ЦТС в отсутствии механических напряжений соот-
ветственно; d — это тангенс угла диэлектрических потерь ЦТС; Z и Za ― механический импеданс
конструкции и ЦТС-пластины соответственно.
3
E3
1
2
ЦТС-пластина
Объект контроля
Рис. 1. ЦТС-пластина, приклеенная к объекту.
Дефектоскопия
№ 10
2022
60
С.К. Сингх, Р. Шанкер
3
E3
1
2
ZS
w
ZS
h
ЦТС-пластина
Импеданс
объекта
Рис. 2. 2D-модель импеданса между ЦТС-пластиной и объектом.
В этой точечной модели основным недостатком было то, что ЦТС-пластина считалась прикле-
енной только на внешней граничной поверхности, в то время как ЦТС-датчик приклеивается к
поверхности структуры полностью, что приводит к дальнейшему совершенствованию модели.
Далее Bhalla и Soh [4] предложили 2D-модель импеданса, которая показана на рис. 2, используя
идею «эффективного импеданса» и получая следующее выражение для адмиттанса ЦТС-пластины:
2
2
E
2
E
l
2d
Y
2d
Y
Z
T
31
31
a,eff
Y =G+Bj
=
4ωj
ε
−
+
T
,
(2)
33
h
(1−v)
(1−v)
Z
+
Z
s,eff
a,eff
где T ― комплексная касательная, а l ― половина длины пластины. В свою очередь, адмиттанс,
рассчитываемый по уравнению (2), можно разбить на две части:
Y =Y
+Y
,
(3)
P
A
гдеYA ― «активная» компонента иYP ― «пассивная» компонента.YP можно разделить на дей-
ствительную и мнимую части:
Y
=G
+B
j;
(4)
P
P
P
4ωl
T
G
=
2 {δε
+
Kη
}
;
(5)
P
33
h
4ωl
T
B
=
ε
−
K
;
(6)
P
2 {
33
}
h
2
E
2d
Y
31
K
=
(7)
(1
-v)
Такая разработанная аналитическая модель показывает хорошую корреляцию с эксперимен-
том.
Дефектоскопия
№ 10
2022
Определение области чувствительности приклеиваемого и примагничиваемого...
61
ЭФФЕКТ СДВИГОВОГО ЗАПАЗДЫВАНИЯ НА МОДЕЛЬ ИМПЕДАНСА
Для моделирования эффекта сдвигового запаздывания на импеданс рассматривался ЦТС-
датчик, который показан на рис. 3 и 4. Датчик прикрепляется к объекту с помощью клея
и возбуждается источником переменного напряжения. На рис. 4 показана правая половина сим-
метричной системы ЦТС-пластины. Сама пластина считается бесконечно малой. Используя
принцип д’Аламбера, уравнение для ЦТС можно записать как
2
∂
u
∂T
p
p
τw
dx
+
(
dm
)
=
t
w dx
(8)
p
2
p p
∂t
∂x
dx
y
∂T
dx
p
T
T
+
dx
p
p
∂x
hp
ЦТС-пластина
τ
hs
Слой клея
x
l
l
Балка
Рис. 3. ЦТС-пластина, приклеенная к балке с помощью клея.
up
0
ЦТС-пластина
После
up
деформации
Слой клея
u
u0
x
Балка
Рис. 4. Деформация слоя клея и пластины.
Пластина имеет полудлину l, ширину wp, толщину hp, а связующий слой обладает толщи-
ной hs. Балка имеет глубину hb и ширину wb. Пусть Tp ― осевое напряжение в ЦТС-пластине;
τ ― напряжение межфазного сдвига; dm ― бесконечно малая масса; up обозначает смещение
между ЦТС-пластиной и слоем клея; u ― смещение между слоем клея и материалом основы.
Инерциальным членом пренебрегаем из-за преобладания члена напряжения сдвига в уравне-
нии (8), такое предположение может привести уравнение (8) к виду:
Дефектоскопия
№ 10
2022
62
С.К. Сингх, Р. Шанкер
T
∂
p
τ=
t
(9)
p
∂x
Допуская деформацию чистого сдвига в связующем слое:
G
(
u
-
u
)
s
p
τ=
,
(10)
ts
где
G
=G
(
1+ η′ j
)
― комплексный модуль сдвига связующего слоя, а η' ― тангенс угла механи-
s
s
ческих потерь, связанный с наличием связующего слоя. Осевое напряжение в ЦТС-пластине опре-
деляется как
E
T
=Y
(
u′
−Λ
),
(11)
p
p
гдеYE ― комплексный модуль Юнга ЦТС-пластины;up′ ― деформация ЦТС; Λ = E3d31 ― свобод-
ная пьезоэлектрическая деформация. Подставляя уравнение (10) и (11) в уравнение (9), мы полу-
чим:
E
Y
t
t
p s
u
−u
=
u′′
(12)
p
p
G
s
Сила, которая направлена на объект, связана с полным входным сопротивлением Z объекта
следующим образом:
F =-Z
,
(13)
где
― полная скорость на поверхности объекта. Далее уравнение (13) может быть упрощено как
T
w t
= -Zujω
(14)
P p p
Подставляя уравнение (11) и дифференцируя его по переменной х, получаем:
Zj
ω
u′′ =-
u′.
(15)
p
E
w
t Y
p p
В уравнении (12) выразимup′′ :
G
s
u′′ =
(
u
−u).
(16)
p
E
p
Y
t
t
p s
Подставим уравнение (16) в уравнение (15) и преобразуем его:
Zt
j
ω
s
u
−u
=-
u′
(17)
p
G
w
s p
Продифференцировав уравнение (17) дважды по переменной х, получаем:
Zt
j
ω
s
u′′
=
u′′−
u′′′
(18)
p
G
w
s p
Подставим уравнения (17) и (18) в уравнение (12), затем продифференцируем его по перемен-
ной х:
w
G
G
p s
s
u′′′′ +-
u′′′
−
u′′ =
0.
(19)
E
p
Zt
S
jω
Y
t
tS p
Дефектоскопия
№ 10
2022
Определение области чувствительности приклеиваемого и примагничиваемого...
63
Пусть
w G
p
=-
p s .
(20)
Zt
jω
s
Подставим Z = x + yi, (G
)
=G
(1+
η′j)
и упростим:
s
s
p = a +bj,
(21)
w
G
(
y
−η′x
)
w
G
y
+η′x
p s
p s
(
)
где
a
=
и
b
=
(22)
2
2
2
2
ωt
(
x
+
y
)
ωt
x
+
y
s
s
(
)
Поскольку η и η' ― очень малые величины, коэффициент передup′′ можно записать как
G
G
s
s
q=
≈
(23)
E
E
Y
t
t
Y
t
t
S p
S p
Результирующее дифференциальное уравнение (19) можно выразить:
u′′′′
+ pu′′- qu′′ =
0.
(24)
p
Характеристическое уравнение:
4
3
2
λ
+ pλ
− qλ
= 0.
(25)
Решив его, получим корни характеристического уравнения:
2
2
−p+ p
+
4q
-p- p
+4q
(26)
λ
1
=
0,λ
2
=
0,λ
3
=
,λ
4
=
2
2
Следовательно, решение дифференциального уравнения (24) можно записать как
λ
3
x
λ
4
x
u= A
+
A
x+Be
+
Ce
(27)
1
2
Константы A, B и C определяются, исходя из начальных условий.
Дифференцируя по переменной x, получаем:
(λ
3
x)
(λ
4
x)
u′= A
2
+
Bλ
3
e
+
Cλ
4
e
(28)
Подставляя уравнения (27) и (28) в уравнение (17), имеем:
Zt
j
ω
λ
3
x
λ
4
x
s
λ
3
x
λ
4
x
u
=
(
A
+
A
x+Be
+
Ce
)
−
(A
+
Bλ
e
+Cλ
e
).
(29)
p
1
2
2
3
4
w
G
P s
Zt
j
1
s
Обозначив
ω=
величиной n и преобразовав, получаем:
w
G
p
P s
λ
3
x
λ
4
x
u
p
=
(
A
1
+
nA
2
)
+
A
2
x+B
(
1
+n
λ
3
)
e
+C
(
1+
nλ
4
)
e
(30)
Дифференцируя по переменной x, можно выразить деформацию ЦТС-пластины как
(λ
3
x)
(λ
3
x)
S
p
=
A
2
+
Bλ
3
(1
+
n
λ
3
)
e
+
Cλ
3
(1+
nλ
4
)
e
(31)
Дефектоскопия
№ 10
2022
64
С.К. Сингх, Р. Шанкер
При x = 0, u = 0 из уравнения (27) получаем:
A1 = - (B + C).
(32)
При x = 0, up = 0 из уравнения (30) выводим:
A
=-
(
Bλ
+Cλ
)
(33)
2
3
4
Подставим уравнение (33) в уравнение (31), получаем:
λ
3
x
λ
3
x
S
=
Bλ
(
1+nλ
)
e
−λ
]
+C
[
λ
(
1+nλ
)
e
−λ
(34)
p
3
3
3
4
4
4
При x = +l и x = -l осевая деформация в ЦТС-пластине равна свободной пьезоэлектрической
деформации или Λ, благодаря чему из уравнения (34) получаем:
−λ
3
l
−λ
4
l
Bλ
(
1+nλ
)
e
−λ
]
+C
[
λ
(
1+nλ
)
e
−λ
=Λ,
(35)
3
3
3
4
4
4
λ
3
l
λ
4
l
Bλ
(
1+
nλ
)
e
−λ
]
+C
[
λ
(
1+
nλ
)
e
−λ
=Λ
(36)
3
3
3
4
4
4
После решения уравнений (35) и (36) определяются константы B и C:
B
Λ
k -k
4
2
=
,
(37)
C
(k
k
−
k
k
k
−
k
1
4
2
3
1
3
где
3
l
k
=λ
(
1
+
n
λ
)
e-λ
−λ
;
(38)
1
3
3
3
4
l
k
2
=λ
4
(
1
+
n
λ
4
)
e-λ
−λ
4
;
(39)
3
l
k
3
=λ
3
(
1
+
n
λ
3
)
eλ
−λ
3
;
(40)
4
l
k
=λ
(
1
+
n
λ
)
eλ
−λ
(41)
4
4
4
4
Благодаря толстому связующему слою
u
≠
u
,
используя уравнение (17), может быть
(
x=l
)
p
(
x=l
)
получено следующее уравнение:
u(
x=l)
1
1
=
=
u
u
′
1
u′
(42)
p
(x=l)
zt
s
j
ω
(
x=l)
0
1
−
1+
w
G
pu
p s
(
u =l
)
0
Сила, которая направлена на объект, может быть выражена следующим образом:
F Zu
;
(43)
(
x=l
)
−
Z
F
=
jωu
=
Z
jωu
,
p
(
x=
1
)
eq
p
(
x=l
)
1
u
′
(44)
0
1
+
pu
0
Z
где
Z
eq
=
(45)
1
′
1
+
pu
0
― «эквивалентный импеданс» с учетом сдвигового запаздывания для одномерного случая.
Схожим образом, «эквивалентный импеданс» с учетом явления сдвигового запаздывания для
2D-модели, основанной на эффективном импедансе, получается как [29]:
Дефектоскопия
№ 10
2022
Определение области чувствительности приклеиваемого и примагничиваемого...
65
Z
eff
z
eff
,eq
=
'
1
u
(46)
eff
(
x=l
)
1+
p
u
eff
eff
(
x=l
)
ПРИМАГНИЧИВАЕМЫЙ ЦТС-ДАТЧИК (МЦД)
Для исследования стальных конструкций такой датчик был разработан сравнительно недавно.
Он состоит из высокопрочного магнита, листа перcпекса (оргстекла), гайки-болта и ЦТС-пластины
[30], как показано на рис. 5 и рис. 6. Расположение выполнено таким образом, что ЦТС-пластина
Вид спереди
Вид сзади
Рис. 5. Вид спереди и вид сзади поверхности примагничиваемого ЦТС-датчика (МЦД).
а
б
в
г
Рис. 6. Модель МЦД: вид сверху(a); вид сбоку (б); изометрическая проекция (в); сборочный чертеж (г).
Дефектоскопия
№ 10
2022
66
С.К. Сингх, Р. Шанкер
прикреплена к листу перспекса с помощью клея, а магниты имеют форму круглого диска, закре-
пленного гайкой и болтом. Они расположены таким образом, что МЦД удерживается на конструк-
ции за счет магнита. ЦТС-пластина находится только в контакте с конструкцией, в то время как
магниты левитируют в воздухе. Такое расположение исключает использование эпоксидной смолы
или клеящего материала для приклеивания ЦТС-пластины к конструкции. Следовательно, исчеза-
ет эффект задержки сдвига, возникающий из-за использования эпоксидной смолы. Этот датчик
является хорошим решением для метода ЭМИ, так как для приклеивания ЦТС-пластины в тради-
ционном методе требуется достаточная квалификация, чего нельзя сказать о МЦД. МЦД можно
использовать повторно, поскольку его можно легко монтировать и демонтировать на конструкции.
В то же время, как при использовании обычного ЦТС-датчика, после того как он приклеен к кон-
струкции, его невозможно отсоединить.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В данном исследовании для эксперимента была взята стальная балка двутаврового сечения
достаточно большой длины 5,5 м (как показано на рис. 7, 8), с глубиной полотна, шириной фланца
и толщиной 0,140 м, 0,170 м и 0,005 м соответственно. Балка находилась в состоянии простой
опоры, размещаясь на бетонных блоках без боковых сил, действующих на нее. ЦТС- датчики были
Рис. 7. Стальная двутавровая балка длиной 5.5 м.
Компьютер
LCR-метр
Стальная
двутавровая
балка
Рис. 8. Экспериментальная установка.
Дефектоскопия
№ 10
2022
Определение области чувствительности приклеиваемого и примагничиваемого...
67
1,50
2,00
Дефект
0,50
1,50
Рис. 9. Положение датчика и дефекта.
приклеены в местах 1, 2 и 3 (как показано на рис. 9), в тех же местах также были размещены МЦД.
Повреждения были сделаны в балке с помощью фрезы, стадия повреждения 1 изображает срез
фланца на глубину 0,040 м, для стадии повреждения 2 глубина была увеличена до стыка полотна
и фланца. На стадии повреждения 3 обе стороны фланца были срезаны на глубину 0,040 м, а на
стадии повреждения 4 эта работа продолжалась до соединения полотна и фланца. Заключительный
этап повреждения 5 был выполнен в части полотна балки, разрез был выполнен до середины
полотна, все повреждения показаны на рис. 10.
a
б
в
г
д
Рис. 10. Стадии создания дефекта: стадия 1 (a); стадия 2 (б); стадия 3 (в); стадия 4 (г); стадия 5 (д).
Дефектоскопия
№ 10
2022
68
С.К. Сингх, Р. Шанкер
Для применения метода ЭМИ требуется следующее оборудование: LCR-метр Hioki IM3536
и персональный компьютер (установка показана на рис. 8). ЦТС-пластина возбуждается при
помощи LCR-метра, затем эти ЦТС-пластины создают волны напряжения в конструкциях, кото-
рые возвращаются от границ или дефектов, присутствующих в деталях конструкции, обратно к
ЦТС-пластине. Затем сигналы регистрируются с помощью LCR-метра в виде проводимости с
изменяющейся частотой. Первое показание измерялось на начальной стадии, а затем после соз-
дания повреждений в конструкции. Эта операция была повторена для всех конфигураций датчи-
ков, то есть для КЦД и МЦД. Все графики зависимости проводимости от частоты показаны
на рис. 11―16.
Бездефектный
Стадия 1
Стадия 2
Стадия 3
Стадия 4
Стадия 5
0,006
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
0
178
180
182
184
186
188
190
192
194
196
Частота, кГц
Рис. 11. Зависимость проводимости от частоты для МЦД в положении 1.
Бездефектный
Стадия 1
Стадия 2
Стадия 3
Стадия 4
Стадия 5
0,003
0,0025
0,002
0,0015
0,001
0,0005
0
120
130
140
150
160
170
180
190
Частота, кГц
Рис. 12. Зависимость проводимости от частоты для КЦД в положении 1.
Дефектоскопия
№ 10
2022
Определение области чувствительности приклеиваемого и примагничиваемого...
69
Бездефектный
Стадия 1
Стадия 2
Стадия 3
Стадия 4
Стадия 5
0,006
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
0
178
180
182
184
186
188
190
192
194
196
Частота, кГц
Рис. 13. Зависимость проводимости от частоты для МЦД в положении 2.
Бездефектный
Стадия 1
Стадия 2
Стадия 3
Стадия 4
Стадия 5
0,006
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
0
170
190
210
230
250
270
290
Частота, кГц
Рис. 14. Зависимость проводимости от частоты для КЦД в положении 2.
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЕНИЙ
Среднее квадратическое отклонение (СКО) используется для расчета разницы в значениях
между исходным значением характеристики адмиттанса и при каждом из пяти состояний повреж-
дения. СКО используют в качестве признака повреждения для количественной оценки изменений
в характеристиках адмиттанса в процессе развития повреждения:
n
2
1
0
∑
(
G
−G
)
i=1
i
i
СКО=
×100,
(46)
n
0
∑
(
G
i
)2
i=1
1
0
где
G
― величина проводимости после создания в объекте i-го дефекта и
G
― проводимость
i
i
объекта в исходном состоянии, n обозначает количество измерений.
Дефектоскопия
№ 10
2022
70
С.К. Сингх, Р. Шанкер
Бездефектный
Стадия 1
Стадия 2
Стадия 3
Стадия 4
Стадия 5
0,006
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
0
185
190
195
200
205
210
215
Частота, кГц
Рис. 15. Зависимость проводимости от частоты для МЦД в положении 3.
Бездефектный
Стадия 1
Стадия 2
Стадия 3
Стадия 4
Стадия 5
0,009
0,008
0,007
0,006
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
198
200
202
204
206
208
210
212
Частота, кГц
Рис. 16. Зависимость проводимости от частоты для КЦД в положении 3.
Обнаружение дефектов с помощью МЦД оказывается более надежным по сравнению с КЦД,
так как значения СКО во всех случаях оказываются выше. В точке 1 рассматриваемый диапазон
частот КЦД составляет 180―195 кГц, а для МЦД рассматриваемый диапазон частот составляет
130―180 кГц, сравнение гистограммы СКО показано на рис. 17. В точке 1, которая находится на
расстоянии 0,5 м от места дефекта, изменения в характеристиках ЭМИ больше, что отражено на
гистограмме СКО. Начальный уровень повреждений легко обнаруживается методом ЭМИ, при
дальнейшем увеличении степени повреждения значение СКО увеличивается не так сильно. Для
точки 2 диапазон частот КЦД составляет 180―195 кГц, а для МЦД ― 185 ― 280 кГц, сравнение
гистограмм СКО показано на рис. 18. В точке 2, которая находится на расстоянии 2 м от места
дефекта, значение СКО уменьшается для МЦД и КЦД по сравнению с показаниями датчиков в
точке 1. В точке 3 диапазон частот КЦД составляет 190―210 кГц, а диапазон частот
МЦД―200―210 кГц, сравнение гистограмм СКО показано на рис. 19. Аналогично для точки 3,
которая находится на расстоянии 3,5 м от места дефекта, значения СКО датчика уменьшаются
Дефектоскопия
№ 10
2022
Определение области чувствительности приклеиваемого и примагничиваемого...
71
25
20
15
10
5
0
Стадия 1
Стадия 2
Стадия 3
Стадия 4
Стадия 5
МЦД КЦД
Рис. 17. СКО для обоих датчиков в положении 1 при наличии дефекта.
14
12
10
8
6
4
2
0
Стадия 1
Стадия 2
Стадия 3
Стадия 4
Стадия 5
МЦД КЦД
Рис. 18. СКО для обоих датчиков в положении 2 при наличии дефекта.
по сравнению с датчиками, установленными в точках 1 и 2. По мере увеличения расстояния от
места дефекта чувствительность датчика снижается, а для КЦД она снижается еще больше из-за
эффекта сдвигового запаздывания. В этом случае между датчиком и объектом не происходит
полной передачи деформации. В случае КЦД чувствительность снижается в точках 2 и 3 гораздо
сильнее, поэтому для обнаружения повреждений с помощью КЦД датчик должен быть прикре-
плен не ближе 2 м от места повреждения. В то же время, как и в случае МЦД, чувствительность
датчика снижается незначительно, поэтому его можно использовать на расстоянии до 3,5 м от
места дефекта.
Дефектоскопия
№ 10
2022
72
С.К. Сингх, Р. Шанкер
7
6
5
4
3
2
1
0
Стадия 1
Стадия 2
Стадия 3
Стадия 4
Стадия 5
МЦД КЦД
Рис. 19. СКО для обоих датчиков в положении 3 при наличии дефекта.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В методе ЭМИ исследователями были предложены различные датчики. Они имеют свои пре-
имущества и недостатки. В данной работе сравниваются эффективность и диапазон чувствитель-
ности КЦД и МЦД. Эффективность МЦД выше, чем КЦД, из-за отсутствия эпоксидного слоя
между ЦТС-пластиной и конструкцией. Из-за эпоксидного слоя в КЦД возникает эффект задержки
сдвига, деформация, передаваемая ЦТС-пластиной на объект контроля и обратно, уменьшается.
Область чувствительности МЦД достигает 3,5 м, в то время как область чувствительности КЦД
составляет менее 2,0 м при контроле стальной балки.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kostin V., Vasilenko O., Filatenkov D. Y., Chekasina Y. A., Serbin E. Magnetic and magnetoacoustic
testing parameters of the stressed-strained state of carbon steels that were subjected to a cold plastic
deformation and annealing // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2015. V. 51. No. 10. Р. 624―632.
2. Kostin V., Nichipuruk A., Nikolaeva L., Sokolova S., Smorodinskii Y. G., Vasilenko O. Magnetic testing
of hardness of cast railcar steel 32Х06Л after quenching and high-temperature tempering // Russian Journal of
Nondestructive Testing. 2016. V. 52. No. 12. Р. 716―721.
3. Kostin V., Vasilenko O., Mikhailov A., Lukinykh N., Ksenofontov D. On the advantages of local
measurement of coercive force of ferromagnetic objects based on internal field // Russian Journal of
Nondestructive Testing. 2020. V. 56. No. 7. Р. 574―580.
4. Bhalla S., Soh C. K. Electromechanical impedance modeling for adhesively bonded piezo-transducers
// Journal of intelligent material systems and structures. 2004. V. 15. No. 12. Р. 955―972.
5. Crawley E.F., De Luis J. Use of piezoelectric actuators as elements of intelligent structures // AIAA
Journal. 1987. V. 25. No. 10. Р. 1373―1385.
6. Sirohi J., Chopra I. Fundamental understanding of piezoelectric strain sensors // Journal of intelligent
material systems and structures. 2000. V. 11. No. 4. Р. 246―257.
7. Yang Y., Divsholi B.S., Soh C.K. A reusable PZT transducer for monitoring initial hydration and
structural health of concrete // Sensors. 2010. V. 10. No. 5. Р. 5193―5208.
8. Tawie R., Lee H.-K. Characterization of cement-based materials using a reusable piezoelectric
impedance-based sensor // Smart Materials and Structures. 2011. V. 20. No. 8. P. 085023.
9. Quinn W., Kelly G., Barrett J. Development of an embedded wireless sensing system for the monitoring
of concrete // Structural Health Monitoring. 2012. V. 11. No. 4. Р. 381―392.
10. Kim J., Kim J.-W., Park S. Early-age concrete strength estimation technique using embedded
piezoelectric self-sensing impedance / In EWSHM-7th European workshop on structural health monitoring,
2014. Inria.
Дефектоскопия
№ 10
2022
Определение области чувствительности приклеиваемого и примагничиваемого...
73
11. Lu X., Lim Y.Y., Soh C.K. Investigating the performance of «Smart Probe» based indirect EMI
technique for strength development monitoring of cementitious materials—Modelling and parametric study //
Construction and Building Materials. 2018. V. 172. Р. 134―152.
12. Liu P., Hu Y., Chen Y., Geng B., Xu D. Investigation of novel embedded piezoelectric ultrasonic
transducers on crack and corrosion monitoring of steel bar // Construction and Building Materials. 2020.
V. 235. P. 117495.
13. Pan H. H., Huang M.-W. Piezoelectric cement sensor-based electromechanical impedance technique
for the strength monitoring of cement mortar // Construction and Building Materials. 2020. V. 254. P. 119307.
14. Wang D., Zhu H. Monitoring of the strength gain of concrete using embedded PZT impedance
transducer // Construction and Building Materials. 2011. V. 25. No. 9. Р. 3703―3708.
15. Na S., Lee H.-K. A multi-sensing electromechanical impedance method for non-destructive evaluation
of metallic structures // Smart materials and structures. 2013. V. 22. No. 9. P. 095011.
16. Wang T., Wei D., Shao J., Li Y., Song G. Structural stress monitoring based on piezoelectric impedance
frequency shift // Journal of Aerospace Engineering. 2018. V. 31. No. 6. P. 04018092.
17. Priya C.B., Saravanan T.J., Balamonica K., Gopalakrishnan N., Rao A.R.M. EMI based monitoring of
early-age characteristics of concrete and comparison of serial/parallel multi-sensing technique // Construction
and Building Materials. 2018. V. 191. Р. 1268―1284.
18. Moharana S., Bhalla S. Development and evaluation of an external reusable piezo-based concrete
hydration-monitoring sensor // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2019.V. 30. No. 18—19.
Р. 2770―2788.
19. Chen D., Huo L., Song G. EMI based multi-bolt looseness detection using series/parallel multi-sensing
technique // Smart Struct. Syst. 2020. V. 25. Р. 423―432.
20. Kocherla A., Subramaniam K.V. Embedded electrical impedance-based PZT sensor for monitoring
hydrating concrete: development and evaluation // Smart Materials and Structures. 2020. V. 29. No. 5.
P. 055038.
21. Negi P., Chhabra R., Kaur N., Bhalla S. Health monitoring of reinforced concrete structures under
impact using multiple piezo-based configurations // Construction and Building Materials. 2019. V. 222.
Р. 371―389.
22. Li W., Wang J., Liu T., Luo M. Electromechanical impedance instrumented circular piezoelectric-metal
transducer for corrosion monitoring: modeling and validation // Smart Materials and Structures. 2020. V. 29.
No. 3. P. 035008.
23. Li L., Xia Y., Chen G. Experimental and numerical studies of debonding monitoring of FRP shear-
strengthened beams using EMI technique // Journal of Aerospace Engineering. 2018. V. 31. No. 5. P. 04018048.
24. Liang Y., Li D., Parvasi S. M., Kong Q., Song G. Bond-slip detection of concrete-encased composite
structure using electro-mechanical impedance technique // Smart Materials and Structures. 2016. V. 25. No. 9.
P. 095003.
25. Fan S., Li W., Kong Q., Feng Q. Song G. Monitoring of pin connection loosening using eletromechanical
impedance: Numerical simulation with experimental verification // Journal of Intelligent Material Systems and
Structures. 2018.V. 29. No. 9. P. 1964—1973.
26. Guo B., Chen D., Huo L., Song G. Monitoring of grouting compactness in tendon duct using multi-
sensing electro-mechanical impedance method // Applied Sciences. 2020. V. 10. No. 6. P. 2018.
27.Shanker R., Bhalla S., Gupta A., Praveen Kumar M. Dual use of PZT patches as sensors in global
dynamic and local electromechanical impedance techniques for structural health monitoring // Journal of
Intelligent Material Systems and Structures. 2011. V. 22. No. 16. Р. 1841―1856.
28. Liang C., Sun F.P., Rogers C.A. Coupled electro-mechanical analysis of adaptive material systems-
determination of the actuator power consumption and system energy transfer // Journal of intelligent material
systems and structures. 1997. V. 8. No. 4. Р. 335―343.
29. Bhalla S., Soh C. K. Electromechanical impedance modeling for adhesively bonded piezo-transducers
// Journal of intelligent material systems and structures. 2004. V. 15. No. 12. Р. 955―972.
Дефектоскопия
№ 10
2022
