A New Impedance Measurement System for
PZT-Based Structural Health Monitoring
Abstract—Recent research has shown that electromechanical(E/M) impedance-based techniques are an efficient strategy for damage sensing in the context of structural health monitoring (SHM). The basic principle is to excite the lead zirconate ti- tanate (PZT) sensors attached to the structure and to measure the corresponding electrical impedance. A variation in the electrical impedance indicates a variation in the mechanical impedance and, consequently, structural damage. To measure the electrical impedance, most universities and research centers use expensive, bulky, heavy, and high-powered impedance analyzers, which limit new developments and practical applications. To overcome these issues, this paper presents an efficient and inexpensive methodol-ogy for electrical impedance measurement. To verify the efficiency and accuracy of the new methodology, practical tests were carried out, and the results were compared with those obtained using a conventional impedance analyzer.
Index Terms—Impedance analyzer, smart structures, structural health monitoring (SHM), virtual instrumentation.
1. INTRODUCTION
THE FIELD OF structural health monitoring (SHM) hasreceived attention from not only the academic community but also the private industry. The use of SHM to detect damages in concrete structures, such as bridges and large buildings, or in mechanical structures is something recent and promising. The objective of any application is to offer a high degree of security and to significantly reduce the cost of maintenance [1]–[3]. There are different methodologies to develop an SHM system [4]–[6], but special attention is given to those based on electromechanical (E/M) impedance obtained from piezoelec-tric transducers, such as lead zirconate titanate (PZT) ceramics, bonded in the structure to be monitored. The main characteristic of these transducers is the piezoelectric effect. From this prop-erty, there is a direct relationship between electrical impedance and mechanical impedance. Consequently, a structural failure would cause a change in the mechanical impedance, which in turn will change the electrical impedance obtained from the PZT bonded in the structure [7]–[9].
The PZT sensors are inexpensive, small, and lightweight, and require low power; they have a low sensitivity to temperature variations and have a linear response under low electric fields.
Manuscript received April 9, 2008; revised July 23, 2008. First published August 7, 2009; current version published September 16, 2009. This work was supported in part by Brazilrsquo;s Agency for the Financing Studies and Projects (FINEP) and in part by Brazilrsquo;s National Council for Scientific and Technological Development (CNPq). The Associate Editor coordinating the review process for this paper was Dr. Jennifer Michaels.
The authors are with the Department of Electrical Engineering, Satilde;o Paulo State University(UNESP),Satilde;oPaulo15385-000,Brazil(e-mail:fgbaptista@aluno.feis.unesp.br; jozue@dee.feis.unesp.br). Digital Object Identifier 10.1109/TIM.2009.2018693
Fig. 1. Circuit proposed in [11] and [12] for PZT impedance assessment through a spectrum analyzer.
[10]. These properties make the E/M impedance technique effi-cient, accurate, and nondestructive for SHM application. How-ever, the electrical impedance measurement is usually made with expensive, bulky, heavy, and high-power instruments, such as impedance analyzers (e.g., HP4194A and HP4192A), which are traditionally used in universities and research centers.These factors would certainly limit the use of large-scale E/M impedance-based techniques, such as in industrial and field applications or by universities with few financial resources.
Many researchers have proposed other systems to measure the electrical impedance in SHM applications. A method sug-gested in [11] and [12] uses a spectrum analyzer and a sim-ple and inexpensive auxiliary circuit, as illustrated in Fig. 1.According to the authors, if the resistance RS is considered small, then the PZT impedance is approximately given by
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Z = RS Vi /Vo , where Vi is the excitation signal, and Vo is the response signal, being both vectors. To obtain the impedance in the frequency domain, the discrete Fourier transforms (DFTs) of signals Vi and Vo (considered as discrete) are calculated by using a spectrum analyzer. In addition to the simplicity of the circuit and its low cost, this method possesses the following disadvantages: 1) The impedance is just an approximation that depends on the resistance RS and tends to present a high discrepancy when the frequency increases because the PZT is predominantly capacitive. 2) If the resistance RS is very small, then it is necessary to use a high-gain amplifier (R2 /R1 ) that can reduce the bandwidth. 3) The spectrum analyzer is still an expensive instrument.
The impedance analyzer proposed in [13] only uses a resistor as an auxiliary circuit, and the signal response acquisition is performed by a data acquisition (DAQ) device, which is controlled by the software LabVIEW. It also seems that it is more accurate than the impedance analyzer suggested in [11] and [12]. However, the excitation signal is provided by an external function generator that needs an additional general purpose interface bus card. In addition to increasing the cost, these devices make the system less versatile.
Fig. 2. Complete system proposed for PZT impedance measurement.
Recently, low-cost, low-power, and wireless impedance de-vices were developed. The system proposed in [14] is based on a DSP and uses a new algorithm that eliminates the use of analog-to-digital converters (ADCs) and digital-to-analog converters (DACs). However, the range and the frequency resolution are limited by the small memory space of the DSP.
As a consequence, a
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一种新的阻抗测量系统
基于PZT的结构健康监测
摘要：最近的研究表明，在结构健康监测（SHM）的背景下，破坏感测机电（E/ M）阻抗为基础的技术是一种有效的策略。其基本原理是激发钛锆酸铅（PZT）的传感器连接的结构，并测量相应的电阻抗。电阻抗的一种变化中的表示机械阻抗的变化，因此，结构的破坏，要测量的电阻抗，大多数大学和研究中心使用昂贵，体积庞大，笨重，高功率的阻抗分析仪，这限制了新的发展和实际应用。要克服这些问题，本文提出了一种高效，廉价的电阻抗测量。为了验证新方法的效率和准确性，进行实际测试，与使用常规的阻抗分析仪获得的结果进行了比较。
阻抗分析仪，智能结构，结构健康监测（SHM），虚拟仪器。
- 引言
结构健康监测（SHM）的关注不仅来自学术界，而且私营行业，使用SHM检测到损害，如桥梁和大型建筑物中的混凝土结构，或在机械结构中的任何应用程序的目标是提供高度的安全性，并显着地降低了维护成本[1] - [3]。有不同的方法来发展SHM系统[4] - [6]，但特别注意的是给那些基于压电换能器，如锆钛酸铅（PZT）陶瓷机电阻抗（E/ M），键合的结构中以进行监测。这些换能器的主要特征是利用压电效应。从该支柱的财产，有电阻抗和机械阻抗之间的直接关系。因此，一个结构的故障将导致的机械阻抗的变化，这反过来将改变它的电阻抗，得到的从PZT粘结的结构，[7] - [9]。
PZT传感有廉价，体积小，重量轻，并且需要低功耗的特点，它们具有低的对温度变化的敏感性低电场的下一个线性响应。
这项工作是支持一部分由巴西的机构融资的研究项目（FINEP）和由巴西国家科技发展委员会（CNPq）的一部分。副主编协调的审查进程本文博士詹妮弗·迈克尔斯。其作者是电气工程学院，圣保罗州立大学（UNESP），圣保罗15385-000，巴西。
图 1.提出的电路[11]和[12]为：压电陶瓷，通过频谱分析仪的阻抗评估
这些特性使E / M阻抗技术效率高，准确，无损SHM应用。然而，电阻抗测量通常价格昂贵，体积大，笨重，高功率的仪器，如阻抗分析仪（例如，HP4194A，HP4192A），这是传统用在高校和科研的。因此肯定会限制使用大型E / M阻抗为基础，比如在工业领域和大学的金融资源应用很小。
许多研究人员已经提出了其他系统来衡量的电阻抗SHM应用的方法，用sug消化[11]和[12]，使用频谱分析仪和一种简单和廉价的辅助电路，图中示出：如果被认为是很小的电阻RS，然后PZT阻抗
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Z = RS Vi /Vo，其中Vi是激励信号，Vo是响应信号，即这两个矢量。取得阻抗在频域中，通过使用频谱分析仪。信号VI和VO（视为离散）的离散傅里叶变换的DFT计算另外电路的简单性，其成本低，该方法具有以下缺点：（1）阻抗仅仅是一个近似，取决于电阻RS和频率的增加而增加时，因为压电陶瓷主要是趋于呈现高的差异电容。（2）如果电阻RS是非常小的，则有必要使用一个高增益放大器（R 2 / R 1），可以减少带宽。(3）频谱分析仪是一种昂贵的仪器。
阻抗分析仪[13]只使用一个电阻器作为辅助电路，信号响应进行采集由数据采集（DAQ）设备，这是由软件控制的。它是更准确建议的阻抗分析仪[11]和[12]。然而，激励信号是由外部函数产生器，需要一个额外的通用接口总线卡。除增加成本外，这些设备使系统的通用性较差。
图2. PZT阻抗测量提出了完整的系统
最近，低成本，低功耗，无线阻抗设备的开发工作[14]提出的系统是基于DSP和使用了新的算法，消除了使用模拟 - 数字转换器（ADC）和数字 - 模拟转换器（DAC）。然而，小的DSP的存储器空间的范围和频率分辨率是有限的。
其结果是，传统的和昂贵的阻抗分析仪仍是必要的，以确定频率范围内敏感的结构损伤。提出的设备[15]和[16]基于AD5933，这是一个小型化的阻抗测量芯片由Analog Devices[15]中一种统计方法确定的。阻抗的主要部件结构损伤敏感，[16]使用一个多路复用器，用于7个传感器，不同的阻抗值，和更通用的睡眠模式。然而，AD5933的只允许阻抗测量高达100千赫，这可以限制很多SHM应用。 [17]提出了一个复杂的电路设计一个自足的SHM系统，但使用DAQ设备连接到一台PC上运行系统进行了测试。 [18]本次提出的电路[17]被用在一个特定的远程应用程序，基于现场可编程门阵列的其他复杂的硬件更换DAQ设备。
最后，似乎被提议先前研究实验室，即使是那些基于无线技术的特定应用程序的最近期的系统。因此，它仍然是必要使用评估电路板或专用印刷电路板。
为了消除上述缺点，本文提出了一种通用的，高效的，廉价的方法，在其中不依赖于频率范围内或在辅助电路中使用组件阻抗计算的准确性，其所提出的系统成功地取代SHM的应用，如阻抗分析仪，频谱分析仪和信号发生器，用于开发设备的阵列。该系统的主要特点有以下几点：(1）它不仅采用了DAQ设备和一个电阻连接压电传感器。 (2）它可以产生不同的信号，以激励压电陶瓷。 （3）有没有DAQ，在测量过程中的激励信号。 (4）这是一个非常准确的IM阻抗分析仪，因为它是验证在实际电路没有SHM应用。 (5）这是非常简单的实现不同的指标来评估结构损伤。 (6）连接的最后，整个系统可以很容易地适于实时应用。
2.建议的方法
操作的基本原理是基于方面的激励信号和响应信号的PZT电路的DFT计算得到的频率响应函数（FRF）。使用FRF考虑的详细参数的分析电路，它是可以取得准确的PZT阻抗。
该系统由一个廉价的的DAQ设备型号USB-6211 NI和个人微机（PC）笔记本电脑。该软件的开发，这是在图形化编程环境。 DAQ和PC机之间的通信是通过一个通用串行总线（USB）端口，它提供了该系统的通用性，以执行多功能DAQ设备与基于16位ADC和16位DAC的模拟通道。该ADC有一个不同差分输入，它提供了良好的噪声抑制，使得采集的小幅度信号（几毫伏），这避免了使用中的辅助电路的输入放大器，这将影响系统的性能。
激励信号所产生的软件，它允许各种各样的信号，如线性调频脉冲，正弦波，三角的，方的，随机的，等的选择，消除了的信号的数据采集过程。这是可能因为有一个校准软件times;[n]的和的信号x（t）达到辅助电路，这是如下进行的：在任何测量之前和之后的所有参数都定义所产生信号之间的DAC输出和ADC输入，在内部连接数据采集装置中，激励信号进行采样，并存储一次更换的信号由软件生成的。因为转换器是不理想的设备，此过程中显着降低了由DAC所造成的差异。此外，计算FRF时，存在于ADC的效果times;[n]的和y [n]的（响应信号），将得到补偿。该校准过程中显着增加的FRF的准确性。该系统是不同的均匀白噪声高斯白噪声，周期性的随机噪声和线性调频脉冲信号。如验证Chirp信号提供更好的数据，并获得了与本文介绍的所有数据。 Chirp信号使得从最初的低频率扫描到最后的高频率，反之亦然。
序列x [n]的（= 0，1，...，N - 1）的一个线性调频脉冲信号的是给定的
f1和f2表示初始和最终的频率值，分别为： A是振幅，N为样本数，和FS是采样率。根据[19]的方法，在PZT必须在一个高频率范围内被激发，使小的故障的检测，并减少每个压电感测区。所使用的DAQ设备允许的采样率可达250 kS / s的，作为一个结果频率为125千赫。但是，此频率可以很容易地增加，通过选择其他的高速数据采集设备。与传统的阻抗分析仪的结果进行比较，在PZT兴奋从直流电平（F1 = 0）FS / 4（F2 = 62.5千赫）。 f2的N/2FS的关系提供了总的循环次数，并应导致的信号只包含整数周期的整数倍。 A信号包含不可或缺的周期呈现小，或者没有间断。因此，没有频谱泄漏，和窗口计算其DFT之前，这是没有必要的。设置N = 65 536（1），Chirp信号的8192个周期，其持续时间，这是由产品Nbull;T（其中T = 1/FS），取代先前定义的所有其它参数是262.144毫秒。得到PZT阻抗，它是必要的，以确定FRF的辅助电路，其中输入的激励信号，并输出的响应信号。第一步是计算输入的DFTtimes;[n]的和给输出y [n]的使用快速傅立叶变换（FFT）算法。这将导致在times;[K表]和Y [k]，该序列在频域上是复杂的。索引k的每个元素对应的频率为k的df，其中df是由FS / N的关系定义的光谱分辨率。根据先前定义的值，df是大约3.815赫兹。因此，el的元素的X [k]和Y [K]对应于0的频率，df，则2DF，3DF。 。 。 （N / 4）DF，这是在Chirp信号的最高频率。
从激励信号和响应信号在频域中的FRF，这是表示由H [k]，可以得到
根据对环境和所使用的电缆的长度和类型，该系统可以容易受到发动机，电抗器和其他设备所造成的噪声的影响。因此，虽然使用的ADC转换器具有差分输入，提供了良好的抗噪声能力，获得高品质的FRF，建议得到一些激励和响应周期之间的平均。在这种情况下，由下式给出的平均FRFSXY[K]和SXX[K]代表交叉功率谱的平均值和自功率谱的激励信号。
图.3辅助电路的细节压电激励
其被定义为：
索引i表示迭代，从0变到m - 1，其中m是所需的周期数。在式（4a）和（4b）中，每个测量周期的功率谱的平均值进行加权根据相应次迭代结束时，该计算得出的简单平均，功率谱是同样的。这种方法的优点是，平均连续计算，不需要被存储的m措施，这简化了软件和减少内存的使用。
得到的平均FRF的m周期的末尾，其计算通过使用（3）降低的响应信号y（t）存在于可能的噪声的影响。当计算FFT的激励信号时，它使用存储在轧花，在测量过程中，这是不容易受到任何噪音的信号。显然，可以承受连续的形式为x（t）的噪音影响，但因为它是一个相对高振幅信号的响应信号相比，噪音会不会影响它。除了减少噪声，平均FRF减少引起的小问题，由于传感器和系统之间的连接不良的可能的信号波动。
从平均的FRF，它是能够在PZT的阻抗Z的计算。在此计算中的精确度依赖于参数中的辅助电路。
在电路图3，RS是一个精密电阻，以限制电流，r表示使用的电缆连接DAQ设备和压电传感器的电阻，是数据采集设备的输入阻抗。根据制造商，该阻抗由10GOmega;的电阻RP平行的100 pF的电容CP。考虑到这些参数的阻抗Z[k]在PZT的平均的函数[k]给出的
图4.程序的流程图
该序列寻[k] DAQ设备的输入阻抗是频率的函数，并且根据下面的公式计算：
价值高RP的阻值不影响结果。然而，CP的电抗在较高频率时变得显着的低，必须予以考虑在所有的应用。电阻r不被视为本文相关（r =0），但重要的是要监视的结构的情况下，是远远DAQ设备，并在电线太多电阻RS应选择根据在PZT所需的最大电压。建议此电压不会很高，因为PZT往往就失去了线性强烈的电场。使用一个线性调频脉冲信号的振幅与5 V，验证用精密电阻10KOmega;低于1 V的电压，以确保换能器的频率在10kHz以上。使用进行控制DAQ设备的所有信号处理。程序的流程图如图4所示，DAQ配置设置的模拟输出，用于产生激励信号x（t）和模拟输入的响应信号y（t）的收购。其他区块已经被评论和图中代表相同的意义。在每次迭代中所花费的时间大约在同一时间的线性调频脉冲信号的产生所需的先前定义，即产物Nbull;T。因此，在m个周期的激励/响应的阻抗测量米bull;Nbull;T秒中完成。虽然高（65 536）的样本数，计算FFT所需要的时间是非常小的时候相比，在每次迭代时的时间，不被认为是在下一节中所示，除了降低成本，所建议的方法是与传统工具相比，允许更快的测量阻抗。
3.实验装置
使用USB-6211 DAQ设备连接到USB端口的笔记本（闪龙3600,512 MB）业务系统运行Windows和软件包进行测试。通过虚拟面板，如图.5看到它是可以看到的阻抗曲线（弹性模量和实部和虚部）和交流采集和产生的信号，这是根据上一节中所定义的值的配置参数集。为了验证所提出的方法，进行了分析：两个设备的阻抗一系列RC电路的阻抗和一个压电片为20毫米times;20毫米times;0.2毫米粘结在铝梁为600毫米times;25毫米times;4毫米，免费自由设定，即与两端由松紧带，如图6：为了模拟结构破坏，钢螺丝4毫米的外径螺母接合在光束中。三个试验共进行了与丝杠螺母定位在50，200，和400毫米的PZT。健康状态（无螺杆螺母）中的电阻比电阻损坏三个条件，通过采用计算的根均方差（RMSD）度量的损害[20]。此外，光束的阻抗测量与低频阻抗分析仪4192A，由Hewlett-Packard，与所提出的系统所获得的结果进行了比较。在本文中，下采取一切措施温度为29◦C。
4 .结果
一个RC电路的阻抗由一个精密电阻（100plusmn;1）Omega;串联nF的测量，所提出的方法与一个电容器（100plusmn;5）。 50周期的塔季翁激励和响应信号被用于弥补平均FRF（3）所示。结果列于图中。在那里它可以检查并比较测量值和理论值的阻抗，电阻和电抗。
阻抗和电抗的测量值与理论值的频率范围内均符合。的阻抗和电抗的最大误差分别为6.1％和5.6％，这是略高于的电容的精度（plusmn;5％）。在测得的电阻在20 kHz以下的频率有一个小的差异。
图5.建议系统的虚拟面板
图6.结构用于阻抗测量，以毫米为单位的措施
图7.测量值和理论值的阻抗，电阻和一个串联的RC电路的电抗
这可能是因为值定义的参数是不完全一样的真实的系统，或由于难以确定和测量的其他因素而定，如寄生电容和寄生电感距离。然而，这是不SHM系统中的一个问题，因为在更高的频率中，所提出的方法提出了非常准确的结果感兴趣的人。对于20 kHz以上的频率，误差为小于电阻器的准确度（plusmn;1％）。
附着在光束的PZT的阻抗测量测量用所提出的方法，并与常规的阻抗分析仪，采取这些措
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