CC BY
37
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK (MILITARY TECHNICAL COURIER), 2011, Vol. LIX, No. 4
PRIMENA INTEGRISANIH SISTEMA ZA OCENU STANJA SLOŽENIH STRUKTURA
Jovičić S. Stevan, Mićović M. Aleksandar,
Vojska Srbije, Tehnički opitni centar, Beograd
OBLAST: mašinstvo, vazduhoplovne tehnologije i održavanje
Sažetak:
U radu su prikazane mogućnosti integrisanih sistema za ocenu stanja struktura. Detaljno su prikazana laboratorijska ispitivanja koja su potvrdila mogućnosti piezoelektričnih senzora da na zadovoljavajući način obavljaju emitovanje, odnosno prijem Lambovih talasa i otkriju postojanje prskotina u panelima vazduhoplovnih konstrukcija, primenom „puls-eho“ metode. Za po-trebe pretraživanja većih površina dat je prikaz korišćenja fazno pomerenog rasporeda piezoelektričnih senzora-davača kako bi se formirao ultrazvučni strukturalni radar. Za obezbeđenje kvaliteta pretraživanja PWAS imaju mo-gućnost samotestiranja, koristeći svojstva elektromehaničke impedance.
Key words: integrisani, piezoelektrični senzori-davači, Lambovi talasi, ocena stanja bez razaranja, održavanje.
Uvod
Upotreba integrisanih sistema za ocenu stanja složenih struktura bez razaranja predstavlja naprednu tehniku koja predstavlja prelaz od konvencionalnih, ultrazvučnih metoda ka integrisanim sistemima za praće-nje stanja „SHM" (Structural Health Monitoring). Ovakvi i sliči sistemi ugra-đuju se u savremene konstrukcije, kao što su recimo vozila „IVHM" (Integrated Vehicle Health Management). Praćenje stanja složenih struktura, kao što su letelice, zbog svojih specifičnosti, zahteva razvoj malih, lakih, jeftinih i prilagodljivih senzora koji mogu biti integrisani u strukturu sa minimalnim uti-cajem na masu i uz prihvatljivo povećanje troškova.
Integrisani u strukturu
Integrisani sistemi za praćenje stanja veoma su bitni za kvalitetnu ocenu stanja [1] strukture. Ovi senzori treba da budu u stanju da prate promene stanja u realnom vremenu i signaliziraju prisustvo defekata kao i početnih, inicija-lnih oštećenja. Sadašnja, uobičajena ultrazvučna ispitivanja, tankozidnih strukt-
ura (npr. opiate trupa i krila vazduhoplova, zidova rezervoara za smeštaj gor-iva ili velikih cevovoda) zahtevaju priličan utrošak vremena i znatnu preciznost, koju nije lako postići prilikom ispitivanja većih površina. Jedna od metoda k-ojom se može povećati efikasnost u inspekciji struktura predstavlja korišćenje „vođenih” talasa (npr. Lambovi talasi), umesto konvencionalnih ultrazvučnih tal-asa [2]. „Vođeni” talasi se prostiru duž sredine površine tankih ploča ili takozv-anih plitkih ljuski, i imaju osobinu da se prenose na relativno velika rastojanja sa veoma malim gubitkom amplitude što im pruža mogućnost u pokrivanju vel-ike površine sa minimalnim brojem instalisanih senzora [3]. „Vođeni” Lambovi talasi otvaraju nove mogućnosti za isplativo otkrivanje oštećenja u vazduhoplo-vnim strukturama i veliki broj radova je objavljen u skorije vreme koji se bave ovom temom [4]. Tradicionalno, „vođeni" talasi su generisani - uneseni impul-snim tonom u površinu oplate pod određenim uglom, uz pomoć relativno vel-ikog generatora ultrazvučnih talasa [5]. Šnelovim zakonom omogućena je ko-nverzija na mestu interfejsa koja se odatle, kombinacijom pritisnih i smicajnih t-alasa, simultano generiše u tanku ploču. Konvencionalne Lambove sonde (kl-inasti ili češljasti pretvarači) suviše su teške i skupe da bi ušle u razmatranje za masovnu primenu na složenim strukturama (npr. vazduhoplovne strukture) kao deo „SHM” sistema. Zbog toga se moraju koristiti drugačiji tipovi senzora. Nekoliko različitih istraživačkih centara nedavno je ispitivalo novu generaciju Lambovih talasnih davača-senzora baziranih na piezoelektričnom principu „PWAS” (Piezoelectric Wafer Active Senzors) [6]. Ovi piezoelektrični senzori su jeftini, prilagodljivi, nezahtevni u pogledu montaže, a mogu biti montirani na površinu postojeće strukture, umetnuti između slojeva materijala i postavljeni na mestima preklopa ili unutar elemenata strukture izrađenih od kompozitnih materijala [7]. Na slici 1. prikazan je položaj piezoelektričnih senzora (PWAS) postavljenih u rednom, linijskom rasporedu, u okolini pojasa zakovica, kao i jedna veštački simulirana prskotina. Očigledan je minimalan uticaj ovih davača-senzora na strukturu koja je predmet monitoringa. Ovi PWAS su teški samo 68 mg, veoma su tanki (0,2 mm) i vrlo jeftini - 7 US $ po komadu.
Slika 1 - Piezoelektrični aktivni senzori montirani na panelu letelice Figurel - Piezoelectric wafer active sensors mounted on the aircraft panel
(249>
Jovičić, S. i dr., Primena integrisanih sistema za ocenu stanja složenih struktura, pp. 248-260
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK (MILITARY TECHNICAL COURIER), 2011, Vol. LIX, No. 4
Rade na piezoelektričnom principu koji uparuje elektro i mehaničke karakteristike materijala (mehaničko opterećenje Tkl , napon na istezanje Sij, električno polje Ek, pomeranje Dj ).
S ij S ijkl T kl d kij E k
Dj djki 'T ki+£ jk' Ek
(1)
(2)
gde je SEijki mehanička karakteristika zavisnosti materijala, merena pri nuli-ranom električnom polju (E=0), £Tjk je dielektrična konstanta pri nuliranom mehaničkom opterećenju (T=0), a dkjj predstavlja efekat veze piezoelektrič-nog elementa. Za primene nedestruktivne ocene stanja strukture PWAS senzori mogu biti korišćeni i kao aktivne i kao pasivne sonde. Zbog toga je potrebno da senzori mogu da ispune sledeće četiri potrebe [8]:
• otkrivanje relativno udaljenih oštećenja korišćenjem „puls-eho" i „pich-catch" metoda,
• otkrivanje relativno bliskih oštećenja pomoću metode visoke impe-danse,
• praćenje nastanka i rasta prskotine korišćenjem metode akustične emisije i
• otkrivanje oštećenja uz pomoć metode „udara male brzine".
Rad sa piezoelektričnim senzorima je drugačiji od rada sa konvencional-nim ultrazvučnim sondama. Na primer, PWAS ostvaruje svoju namenu prima-njem, registrovanjem odziva ploče na pobudu izazvanu Lambovim talasima i registrovanjem ravanaskih naprezanja, dok konvencionalne ultrazvučne sonde ili senzori registruju odziv preko normalnog naprezanja. Pored toga, PWAS su čvrsto inkorporirani u strukturu i prate dinamička ponašanja strukture, dok su ultrazvučne sonde relativno slobodne od strukture i imaju sopstvena dina-mička ponašanja. Na kraju, PWAS su širokopojasni uređaji, dok su ultrazvuč-ne sonde uskopojasni uređaji. Glavna prednost PWAS nad ultrazvučnim sondama jeste u njihovoj maloj masi i malim dimenzijama, niskom profilu i niskoj ceni. Uprkos svojoj veličini ovi novi uređaji su u stanju da ispune mnoge funk-cije koje imaju i konvencionalne ultrazvučne sonde. Karakteristike piezodava-ča korišćenih u eksperimentu prikazane su u tabeli 1 i 2, a moguće ih je naći i na web sajtu proizvođača (www.americanpiezo.com). Metoda detekcije ošte-ćenja uz pomoć elektromehaničke impedance je komplementarna tehnici koja koristi svojstva prostiranja ultrazvučnih talasa. Oprema koju nude proizvođači ultrazvučnih mernih uređaja, kao opciju, sastoji se od sondi koje imaju mo-gućnost upotrebe za analizu mehaničke impedanse. Metodu analize meha-ničke impedanse karakteriše analiza pobudnih oscilacija koje se unose u ispit-ni materijal korišćenjem davača koji istovremeno mere unesenu normalnu silu i indukovanu brzinu. Savremena analiza rezultata dobijenih primenom ove
metode koristi amplitudu i fazni pomeraj za otkrivanje oštećenja na ispitivanoj površini materijala. Pri izvođenju eksperimenta dobijena je visoka tačnost re-zultata, korelacija je iznosila 99,99% pri čemu je greška u izmerenoj i realnoj brzini prostiranja talasa iznosila 0,1%.
Tabela 1 Table 1
Dimension Units (mm) Standard Tolerance
Length or Width of Plates <13mm +/-0 13mm
Thickness of All Parts 0.20mm to 0 49m m H-0.025mm
PROPERTY UNIT SYMBOL APC APC APC APC APC APC
840 841 880 850 8 55 856
Rel^i« Dieledric Ccndart 1 £ 33^0 1250 1350 IQOO 1750 3250 4100
Dissipaticn Factor Measured: C l КС (af % tan6 0.4 0.35 035 14 2 2.7
Low Field
Cuie Temperature °c Tc 215 320 310 360 195 150
Coupling Coefficient kp 0.59 0.60 0 50 0.63 0.65 0 65
0 72 0.63 062 0.72 0.74 0 73
koi 035 0.33 0,30 0 36 0.38 0.36
k,5 0.70 0.67 055 0.62 0j66 0 65
Piezoelectric 10‘12 290 275 215 400 580 620
Coefficient
C/N or -йз1 125 109 95 175 270 260
m/V til5 430 450 330 590 720 710
Piezoelectric Ю-3 Эзз 265 15.5 25 26 19 5 18 5
V-m/N -031 11 10.5 10 12.4 £.3 8.1
orm2/C Эи 38 35 20 36 27 25
Young's Modulus 1010 Лг s 7.6 9 6.3 6.1 5 J8
N/m2 6.S 63 7 2 5.4 4.8 45
Frequency Hz-m ML 1524 1700 1723 1500 1475
Contacts or rcVs
L^LftrnjrtudlnjI Mode NT 2005 2005 2110 20 3 2 1930 1980
T"Thidcnes£ Mode R*RadLsl Mode Nr 2130 2055 2080 1930 19S0 -
Eladid Ccmpliance 10'12 SE11 11.3 11.7 10.8 15.3 14.3 15.0
m2/N SE33 17.4 17.3 15.0 113 16.7 17.0
Density g/cc P 1 £ 7.6 7.6 7 7 7.5 13
MocFisrical Quelrty 1 0m 500 1400 looa £0 75 12
Factor
Tabela 2 Table 2
PWAS generisani Lambovi talasi
Osnovni principi generisanja Lambovih talasa i njihova detekcija pu-tem PWAS davača-senzora verifikovana je u laboratorijskim uslovima u jednom jednostavnom eksperimentu. Pravougaona ploča dimenzija 914 mm
Jovičić, S. i dr., Primena integrisanih sistema za ocenu stanja složenih struktura, pp. 248-260
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK (MILITARY TECHNICAL COURIER), 2011, Vol. LIX, No. 4
x 504 mm x 1,6 mm pokrivena je sa 11 kvadratnih PWAS senzora deblji-ne 0,2 mm (APC 850), koji su postavljeni u rasporedu pravougaone mre-že. Na ovaj način pripremljen eksperiment omogućio je autorima da veri-fikuju upotrebu Lambovih talasa u postupku njihovog generisanja, odno-sno detektovanja od strane PWAS senzora. Tom prilikom je registrovana višesmerna transmisija, a signali su bili dovoljno jaki i sa prihvatljivim ni-voom šuma koji je omogućavao detektovanje „eho-a” (odziva). Dokaz ovih osobina je posebno važan za PWAS, koji su ipak manji, lakši u od-nosu na konvencionalne ultrazvučne davače, uz karakteristiku da su i mnogo manji potrošači energije. Da bi se dokazalo da su Lambovi talasi koji su pobuđeni od strane PWAS višesmerni, korišćen je jedan PWAS (označen brojem 11) kao predajnik, a ostali PWAS (od 1 do 10) kao pri-jemnici. Signali koji su registrovani u ovom eksperimentu prikazani su na slici 2. U svakom redu, elektromagnetska veza između inicijalnog signala („bang”) vidi se u blizini izvora. Zatim, uočavamo prvi talasni paket, koji odgovara talasu koji je dobijen od PWAS predajnika, a praćen je ostalim talasnim paketima koji odgovaraju refleksiji od krajeva ploče. Vremenska razlika između inicijalnog signala i vremena dolaska talasnog „paketa” predstavlja vreme „leta” (Time of flight). TOF na taj način definiše razda-ljinu koju je prešao talas. Slika 2b pokazuje linearnu, pravolinijsku zavi-snost između TOF i rastojanja. Kosina (nagnutost ili ugao) ove linije predstavlja brzinu eksperimenta cg = 5,446 km/s, dok teorijska brzina iznosi, 5,440 km/s. Veoma dobra podudarnost između teorijske i realno postig-nute brzine potvrđuje mogućnosti korišćenja Lambovih talasa koje gene-rišu PWAS. Talasi su dovoljno jaki i čisti, rasprostiru se višesmerno i na zadovoljavajući način odgovaraju teorijskim pretpostavkama.
a)
b)
Slika 2 - a) Prijem signala od strane aktivnih senzora 1-10, korelacija između radijalnog rastojanja i vremena leta „TOF“ (Time of flight)
Figure 2 - a) Signal reception of active sensors 1-10, corellation between the radial distance ant the Time of Flight (TOF)
Impulsni eho postignut upotrebom PWAS
Piezoelektrični senzori (11) upotrebljeni su kako bi se pokazale „eho" ka-rakteristike. Na slici 3a. prikazano je da signal sa senzora 11. ima dve jasne zone. Inicijalni talas (udar), tokom koga PWAS 11 radi kao predajnik i „eho" zonu koja sadrži talasne „pakete" reflektovane od krajeva ploče i poslate na-zad ka PWAS 11. Ovi povratni talasi obrađeni su radi ocene mogućnosti ove metode („puls-eho" metoda). Kako talas generisan od inicijalnog udara pretrpi višestruke refleksije od krajeva ploče, svaka od tih refleksija ima drugačiji put, kao što se i vidi na slici 3b. Interesantno je primetiti da su dužine puta za re-fleksiju R1 i R2 približno iste. Zbog toga su i „eho"-i R1 i R2 u „impuls-eho" sig-nalu skoro superponirani. Takođe, interesantno je primetiti da refleksija R4 ima dva moguća puta R4a i R4b koji su iste dužine. Odatle i odzivi koji odgovaraju ovim dvema refleksijama stižu istovremeno i formiraju jedan jači „eho", koji ima približno dvostuki intenzitet u poređenju sa ostalim povratnim signalima -„ehoima". Crtež TOF svakog pojedinačnog „eho"-a prikazan je na slici 3c. Pra-va linija ima veoma dobru korelaciju (R2=99,99%). Odgovarajuća brzina tala-sa iznosi 5,389 km/s (što je blizu teorijske vrednosti od 5,440 km/s). „Eho"-i su snimljeni sa razdaljine od preko 2 m, što je izuzetno za tako mali ultrazvučni uređaj. Na taj način pokazano je da je PWAS u potpunosti sposoban za pre-daju i prijem impulsnih „eho" signala zapanjujuće snage i čistoće.
Г—-771—ГГп .. _ i.i. ii N.... = i i Ri ii
Л* +rj-f- 1 •
И-7 ‘ yrf r i ; J • ! !! 1 s
;:: j ! Г ] 1 i: Pjt. 1 : u i \ i 1
$ ii i ► ;: ■' '' ! Rs !' d u
(bj
Slika 3 - „Impuls-eho" metoda primenjena na aktivni senzor: a) pobudni i „eho" signal na aktivnom senzoru, b) prikaz puta talasa za svaki talasni „paket" c) korelacija između dužine puta talasnog paketa i vremena leta „TOF"
Figure 3 - Pulse-echo method applied on the active sensor a) excitation and echo signal on the active sensor, b) wave path for each wave „package" c) correlation between the path length of the wave package and the TOF
(253>
Jovičić, S. i dr., Primena integrisanih sistema za ocenu stanja složenih struktura, pp. 248-260
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK (MILITARY TECHNICAL COURIER), 2011, Vol. LIX, No. 4
Otkrivanje prskotina uz pomoć PWAS
Eksperimenti sa širenjem talasa izvršeni su na panelima letelica da bi se ilustrovala mogućnost otkrivanja prskotine primenom „puls-eho" metode. Panel koji je ispitivan bio je tipične vazduhoplovne konstrukcije, sa osobinama koje ga odlikuju, posedovao je vertikalni spoj i horizontalne učvršćivače. Na slikama 4a, 4c i 4e prikazani su načini instalacije PWAS na strukturalno kom-pleksniji panel. Na slikama 4b, 4d i 4f prikazan je izgled registrovanih signala na PWAS. PWAS su locirani na sličnim mestima (200 mm udesno od verti-kalnog reda zakovica). Na slici 4a prikazana je situacija koja je najjednostav-nija, u kojoj je prisutan samo vertikalni red zakovica na levom kraju slike. Na slici 4b prikazan je inicijalni signal (centriran, na vremenskoj osi od 5,3ps) i vi-šestruki odziv od upletenih krajeva ploče. Povratni talasi, „eho"-i, (odzivi) po-čeli su da pristižu posle otprilike 60 ps. Na slici 4c prikazan je vertikalni red zakovica, daleko levo, i dodatni horizontzalni dupli red zakovica prema PWAS.
b)
d)
f)
30
!20
Е 10
О»
от
о С
JC
и
1-ю
ОТ
5 -20
-30
Refledion from orach А А л - . ..
r 20 jyyV*--- ЧЧ 40 60
t. mi(TO-5SC
g)
Slika 4 - Eksperiment otkrivanja prskotine u laboratorijskim uslovima:
4a-4c (panel,1 mm 2025T3) uzorci sa postepeno povećanom složenošću Figure 4 - Experiment showing the crack detection in laboratory conditions:
4a-4c (panel,1 mm 2025T3) samples with gradually increased complexity
Na slici 4d vidi se da su senzorima registrovani višestruki povratni talasi od krajeva panela i spojeva, ali i da PWAS registruju i pozadinski šum od zakovica koje su pozicionirane na početku horizontalnog pojasa zakovica. Ovi pozadinski šumovi uočljivi su u okolini 42 pm. Na slici 4e, prikazana je oblast panela koja je slična prethodno razmatranoj uz još jednu osobinu. Na ovom panelu veštački je generisana prskotina (12,7 mm, EDM prorez deblji-ne vlasi kose) koja se nalazi pored prvog otvora za zakovicu u gornjem hori-zontalnom redu. Na slici 4f prikazan je izgled dijagrama koji veoma liči na di-jagram koji je dobijen u prethodnom opitu. Primećuje se jedino mala razlika na poziciji 42 pm. Karakteristika na 42 pm odgovara superpoziciji refleksije od zakovice i od prskotine. Otkrivanje prskotine izgleda veoma problematič-no, jer su „eho“-i od prskotine i zakovice superponirani. Ova otežavajuća okolnost rešena je korišćenjem metode diferenciranja signala (npr. oduzima-nje signala koji je prisutan na slici 4g). U praksi, ovakva situacija bi odgova-rala oduzimanju signala od prethodno snimljenog zapisa na neoštećenoj strukturi, a zatim analize dobijene razlike. Na ovaj način javlja se potreba za formiranjem banke podataka o svakoj pojedinačnoj strukturi koja se prima od korisnika. To je upravo situacija koja se koristi kod sistema za praćenje stanja koji se nalaze na savremenim letelicama. Kada se dva signala odu-zmu njihova razlika će ukazati na postojanje oštećenja. „Eho“, markiran kao refleksija od prskotine, nalazi se na 42 pm (npr. TOF=37 pm) koja odgovara 5,4 km/s, 200 mm-tarskom ukupnom putu od PWAS do prskotine koja se nalazi na 100 mm. Jasnoća i čistoća signala od otkrivene prskotine je zapa-njujuća. To je razlog što je PWAS ocenjen kao sposoban za registrovanje či-ste i nedvosmislene detekcije strukturalnih oštećenja - prskotina. Ručno bri-sanje, podešavanje ugla zvučnog izvora može se ostvariti pomoću upra-vljačkog dugmeta. Signal i odziv pri određenom upadnom uglu (ovde je ф0=136°) prikazan je na slici 5.
Jovičić, S. i dr., Primena integrisanih sistema za ocenu stanja složenih struktura, pp. 248-260
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK (MILITARY TECHNICAL COURIER), 2011, Vol. LIX, No. 4
Fazno pomereni PWAS
Prednosti upotrebe fazno pomerenih davača za ultrazvučna ispiti-vanja je velika. Kompanija „Krautkramer Inc." prizvodi linearno fazno pomerene davače koji se koriste za inspekciju veoma tankih uzoraka, kao i za bočna ispitivanja tankih zidova ili ploča. Ovi davači mogu da iniciraju ulazne talase koji se generišu kroz površinu materijala. U ovim istraživanjima upotreba tehnike fazno pomerenih davača razvijena je za potrebe struktura sastavljenih od tankih zidova (oplate aviona, rezervo-ari za skladištrenje, velike cevi u cevovodima, gasovodima, naftovodi-ma) koje se ispituju upotrebom Lambovih talasa kako bi se pokrila velika površina. Istraživači su ovaj uređaj nazvali „integrisani ultrazvučni strukturalni radar" i pokazali njegovu efikasnost na realnoj konstrukciji. PWAS su raspoređeni u mrežu koju su činili kvadratni elementi stranice 7 mm sa ravnomernim rastojanjem između njih od 9 mm. PWAS fazna mreža bila je postavljena u centru kvadratne aluminijumske ploče stranice 1,2 m (slika 5); šablon talasa koji je generisan od fazno raspoređe-nih davača rezultat je superponiranja talasa generisanih od svakog po-jedinačnog elementa. Sekvencijalnim impulsima svakog pojedinačnog elementa u rasporedu davača u približnim vremenima, ultrazvučni tala-sni front može biti fokusiran ili upravljan - vođen u određenom pravcu. Zbog toga je elektronsko brisanje i refokusiranje talasnog snopa dobije-no bez fizičkog manipulisanja davačima. Usputno, kontrola široke zone ploče postala je moguća kreiranjem ultrazvučnih Lambovih talasa koji pokrivaju celu ploču. Jedanput, kada je upravljanje snopom i njegovim fokusiranjem postalo moguće, određivanje mesta oštećenja postalo je relativno jednostavno. U toku eksperimenta koji bi dokazao efikasnost metode pretpostavljene su dve tipične situacije. U prvom slučaju to je 19 mm dugačka bočna prskotina, pozicionirana na 409 mm od raspore-da davača u smeru 136°.
Ovde se vidi da je „eho" koji je primljen sa strane prskotine predsta-vljao samo pozadinski šum generisan na krajevima prskotine. Slika 5a desno vizualizuje metodu otkrivanja prskotine, predstavlja prednju ploču integrisanog ultrazvučnog radarskog grafičkog interfejsa (EUSR-GUI). Čišćenje signala je automatsko, kako bi se slika strukturalnog oštećenja pokazala u prozoru desno. Ručno podešavanje može se postići okreta-njem kontrolnog točkića. Niži prozor pokazuje rekonstruisan ugao snopa Ф0=136° koji odgovara lokaciji prskotine, slika 5b.
<256}
a) b)
Slika 5 - Potvrda koncepta eksperimenta: tanka ploča sa devet piezoelektričnih davača i
prskotinom od 19 mm
Figure 5 - Verification of the experiment concept: thin plate with nine piezoelectric probes
and the 19 mm crack
PWAS self test (samotestiranje)
Kako su PWAS sonde čvrsto zalepljene na strukturu, trajnost lepka i mogućnost sonde da se odvoji od strukture treba uzeti u obzir. Prema svemu što je rečeno, potrebno je propisati proceduru kojom će se utvrditi kvalitet veze između davača i strukture. Procedura je zasnovana na PWAS elektromehaničkoj impedansi. Na slici 6 crvena kriva uporedno daje prikaz ImZ spektra dobro zalepljene sonde PWAS za strukturu [9].
Slika 6 - Samotestiranje spoja piezodavača i strukture čije se stanje prati Figure 6 - Self-test of the bond of the PWAS and the structure monitored
Ukoliko to jeste slučaj javiće se pravilna kriva sa malim rezonanca-ma u strukturi. Nepričvršćeni PWAS pokazuje jaku sopstvenu rezonancu i bez strukturne rezonance pri vrednosti od 267 kHz (plava kriva). Pojava ove rezonance PWAS i nestanak strukturne rezonance karakteriše osobi-
(257>
Jovičić, S. i dr., Primena integrisanih sistema za ocenu stanja složenih struktura, pp. 248-260
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK (MILITARY TECHNICAL COURIER), 2011, Vol. LIX, No. 4
nu koja nedvosmisleno ukazuje na pojavu odvajanja PWAS od strukture i može se koristiti za samotestiranje (automatsko) PWAS senzora. Za lak-še raspoznavanje ovih otkaza poželjno je snimiti vibracije.
Zaključak
Integrisani NDE piezoelektrični wafer senzori PWAS mogu biti struktural-no integrisani ili fazno pomereni. Mogu biti postavljeni čak i u zatvorenim strukturama u toku proizvodnje ili remonta (kao što je slučaj sa strukturama krila) i ostavljeni na tom mestu u toku celog životnog (radnog) veka strukture. Integrisani sistem NDE otvara nove horizonte primene PWAS senzora radi pronalaženja oštećenja „In-situ" - na mestu ugradnje, što znači na samom sredstvu i u realnim uslovima eksploatacije i praćenju stanja struktura, kao što su letelice, rakete, sudovi pod pritiskom, tankovi za gorivo i cevovodi. Ova na-predna tehnologija je u razvoju i zahteva ozbiljna istraživanja kako bi se u pot-punosti iskoristio sav njen potencijal. U eri sve veće konkurencije na tržištu ko-risnik čija bi se služba održavanja samo bavila savršenim održavanjem svojih letelica ne bi imao šanse da ekonomski preživi. Takav prilaz održavanju do-veo bi ga do toga da bi sve letelice koje ima u floti bile u izuzetno dobrom sta-nju uz samo jednu manu - sve vreme bi provodile u hangarima [10]. Primena integrisanih piezoelektričnih wafer senzora umnogome olakšava i pojednosta-vljuje pronalaženje oštećenja na sredstvima, naročito ako je korisnik oformio banku podataka sa unesenim snimcima odziva struktura koji su izrađeni pri prethodnim pregledima i kontrolama. Na taj način bi se pratio prirast oštećenja i donosile odluke o karakteru intervencija na strukturi.
Literatura
[1] Kropas-Huges, C. V., „Vision of future directions of NDE“, Review of qu-antative Nondestructive evaluation, vol 21,2002.
[2] „Emerging technology guided waves ultrasonics“, June 1998.
[3] Viktorov, I. A, „Rayleighand Lamb waves“ Planum press 1967.
[4] Dalton, R. P., Cawley, P., Lowe, M. J. S., „The potential of guided waves for monitoring large areas of metalic aircraft structure“, Nondestructive evaluation 2001.
[5] Alleyne, D. N, Cawley, P., „Optimization of lamb wave inspection techni-ques“ NDTE International 1992.
[6] Keilers, C. H., Chang, F. K, „Identyfying delamination in composite beam using built-in piezoelectrics“, Inteligent material systems and structures1995.
[7] Giurgiutiu, V. et al, Zagrai, A., „Characterization of PWAS“, J. Inteligent material systems and structures 2000.
[8] Giurgiutiu, V. et al, Zagrai, A., „Embeded active sensors for In-situ structural health monitoring of thin wall structures“, Pressure vessel technology 2002.
[9] Lines, D., Dickson, K., „Optimization of high frequency array tecnology for lap-joint inspection“, Proceedings of the 3rd Joint conference on aging aircraft. 1999.
[10] Jovičić, S. „Primena sredstava za zaštitu od korozije - put ka ekono-mičnijem održavanje ”, Vojnotehnički glasnik (Military Technical Courier), Vol. 57, No. 2, pp 94-100, ISSN 0042-8469, UDK 623+355/359, Beograd, 2009.
EMBEDDED NDE WITH PIEZOELECTRIC WAFER-ACTIVE SENSORS FIELD: Mechanical Engineering, Aeronautical and Space Engineering
Summary
Emedded nondestructive evaluation (NDE) is an emerging technology that will allow for the transitioning from conventional ultrasonic methods to embedded systems for structural health monitoring (SHM), such as those envisaged for the Integrated Vehicle Health Management (IVHM). Structural health monitoring for IVHM requires the development of small, lightweight, inexpensive systems to be embedded in the airframe with minimum weight penalty and at affordable costs. For non-destructive evaluation, PWASs can be used as both active and passive probes. The main advantage of PWASs over conventional ultrasonic probes lies in their small size, light weight, low profile, and low cost. In spite of their size, these novel devices are able to replicate many of the functions of the conventional ultrasonic probes.
PWAS-generated Lamb waves
The basic principles of Lamb-wave generation and detection by PWAS probes were first verified in simple laboratory experiments. The time difference between the initial bang and the wave-package arrival represents the time-of-flight (TOF). The TOF is consistent with the distance traveled by the wave. Very good accuracy is observed, proving that PWAS-generated Lamb waves are loud and clear, propagate omnidirectionally, and correlate well with the theory.
Pulse-echo with PWAS
A piezoelectric wafer-active sensor was used to demonstrate pulse-echo capabilities. These echoes were processed to evaluate the pulse-echo capabilities of the method. Since the wave generated by the initial bang underwent multiple reflections from the plate edges, each of these reflections had a different path length. The echoes were recorded from over 2 m distance, which is remarkable for such small ultrasonic devices. Thus, it was proven that PWASs are fully capable of transmitting and receiving pulse-echo signals of remarkable strength and clarity.
PWAS crack detection
Wave-propagation experiments were conducted on an aircraft panel to illustrate crack detection through the pulse-echo method. The panel has a typical aircraft construction, featuring a vertical splice joint and hori-
(259>
Jovičić, S. i dr., Primena integrisanih sistema za ocenu stanja složenih struktura, pp. 248-260
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK (MILITARY TECHNICAL COURIER), 2011, Vol. LIX, No. 4
zontal stiffeners. In practice, such a situation would correspond to subtracting a signal previously recorded on the undamaged structure from the signal recorded now on the damaged structure. Such a situation of using archived signals is typical of health monitoring systems. When the two signals were subtracted, the result indicated the presence of the crack. This differential signal shows a loud and clear echo due entirely to the crack. Thus, PWASs were determined to be capable of clean and unambiguous detection of structural cracks.
PWAS phased arrays
The advantages of phased-array transducers for ultrasonic testing are multiple. By sequentially firing the individual elements of an array transducer at slightly different times, the ultrasonic wave front can be focused or steered in a specific direction. Thus, electronic sweeping and/or refocusing of the beam was achieved without physically manipulating the transducers. In addition, inspection of a wide zone was possible by creating a sweeping beam of ultrasonic Lamb waves covering the whole plate. Once the beam steering and focusing was established, crack detection was done with the pulse-echo method.
PWAS self-test
Since the PWAS probes are adhesively bonded to the structure, the bond durability and the possibility of the probe becoming detached are of concern. To address this, a PWAS self-test procedure has been identified that can reliably determine if the sensor is still perfectly attached to the structure. The procedure is based on PWAS in-situ electromechanical impedance. This emerging technology requires a sustained R&D effort to achieve its full developmental potential for applicability to full-scale aerospace vehicles.
The capability of embedded piezoelectric wafer-active sensors (PWASs) to perform in-situ nondestructive evaluation (NDE) is explored in this article. Laboratory tests are used to prove that PWASs can satisfactorily perform Lamb wave transmission and reception, and crack detection in an aircraft panel with the pulse-echo method is illustrated. For large-area scanning, a PWAS phased array is used to create the embedded ultrasonics structural radar. For quality assurance, PWASs are self-tested using electromechanical impedance.
Key words: Embedded, wafer-active sensors, Lamb waves, nondestructive evaluation, maintenance.
Datum prijema članka: 20. 05. 2010.
Datum dostavljanja ispravki rukopisa: 18. 10. 2010.
Datum konačnog prihvatanja članka za objavljivanje: 20. 10. 2010.
<2«D
