抗电磁干扰压电夹层优化设计

抗电磁干扰压电夹层优化设计
石晓玲;袁慎芳;邱雷
【摘要】The signal of the piezoelectric layer ( PZT layer) used in the structural health monitoring for aircraft structures is easily effected by radiation and crosstalk. On the principle of electromagnetic interference, the PZT layer signal is researched and some related coupling parameters are obtained. Based on the research, reasonable parameters to reduce interference were designed and a kind of anti-interference PZT layer is developed. The results of the experiments demonstrate the effectiveness of the anti-interference performance of the designed PZT layer. It can be well used for damage detection. In the same test condition, the magnitude of the crosstalk decreases to 10 percent of the original one and the SNR of a fixed frequency interference is improved by 3. 16 times when the optimized piezoelectric layer was used.%利用电磁干扰原理,对应用于航空结构健康监测的压电夹层信号易受到串扰、辐射干扰的情况进行了研究,得到若干耦合影响因子.通过合理设置这些影响因子达到了降低干扰的目的.在此基础上研制了抗电磁干扰压电夹层.实验表明,所设计压电夹层有着很好的抗串扰、辐射干扰能力,能够很好地实现损伤检测:在相同测试条件下,优化后的压电夹层信号串扰量较普通压电夹层下降一个数量级；对固定频率谐波干扰的信噪比提高了3.16倍.
【期刊名称】《计量学报》
【年(卷),期】2012(033)005
【总页数】6页(P457-462)
【关键词】计量学;抗电磁干扰压电夹层;电磁干扰;结构健康监测
【作者】石晓玲;袁慎芳;邱雷
【作者单位】南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,江苏南京210016;南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,江苏南京210016;南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,江苏南京210016
【正文语种】中文
【中图分类】TB973
1 引言
结构健康监测技术可以有效地监测结构的安全性、降低维护费用、延长使用寿命，因此在飞行器上具有广泛的应用前景。

基于压电元件的主动Lamb波结构健康监
测方法由于对结构的小损伤(如:金属裂纹、复合材料脱层等)非常敏感，广泛应用于评价结构损伤的严重性以及定位损伤位置，成为目前国内外研究和应用热点之一[1，2]。

在大面积的结构健康监测中，压电元件常以阵列的形式出现。

传统的压电元件安装方法是逐个粘贴、独立连线，无法保障压电元件的性能一致性，且布置效率低，线路繁杂，附加质量大。

针对上述问题，美国斯坦福大学率先进行了分布式传感器系统即“智能夹层(SMART Layer)”的研究[3]。

其设计思想是将压电元件按照一
定工艺封装在柔性夹层中形成传感网络，并用印刷线路代替普通导线连线，通过一个标准接口输出，最后将该传感网络整体布置在结构上。

由于智能夹层优点众多，提出后就有许多研究机构对智能夹层进行研究。

目前，该技术已用于美国军方和政府部门的多项研究计划中。

在NASA的航天飞行器燃料箱安全监测中，已经研究
成功采用基于SMART Layer的损伤诊断方法[4]；在美国陆军新型陶瓷坦克复合
装甲结构、德国宝马汽车新型复合材料车身结构的研发中也在采用该项技术[5]。

南京航空航天大学进行了此方面的研究，在原理研究和应用等方面取得了一系列成果，以航空结构为应用对象，研究了实用化压电夹层技术，在实际应用中较好地实现了结构健康监测的功能[6]。

本文在此基础上对压电夹层进行优化设计。

压电夹层内部信号线路存在很多平行走线，而基于压电元件和主动Lamb波的结构健康监测方法使用的激励信号通常是频率范围为15～500 kHz的五波峰正弦调制信号，经功率放大器放大后变成幅值很大的高频交变电流，在激励信号线路上传播时易耦合到附近的传感信号线路上，使得采集到的传感信号混杂了来自激励信号线路的串扰，改变了传感信号幅值、能量等特征，串扰更大可能引起后续处理电路中的电荷放大器饱和，使有用信号丢失[7]；同时，压电夹层通常工作于高频辐射环境下，采集的信号存在较大的高频干扰，使得时域信号波形特征模糊，频域谱线增多，这会影响数据处理的可靠性，加大了数据处理的难度。

压电夹层的抗电磁干扰性能是其工程化、实用化所必须具备的，而根据现有文献，未发现相关方面的专门研究。

本文以航空结构为对象，针对压电夹层信号易受到串扰、辐射干扰的影响进行了分析，并得出相关影响参数和压电夹层信号线路设计原则，对压电夹层进行了抗电磁干扰优化设计，最后通过实验验证了优化后的压电夹层相对普通压电夹层具有良好的抗电磁干扰能力，能够在电磁环境中很好地实现对结构的损伤检测。

2 电磁干扰对压电夹层信号的影响
串扰和辐射性干扰是两种主要的压电夹层信号电磁干扰耦合途径。

2.1 串扰
串扰属于压电夹层内部平行线路的一种电磁现象，平行线路之间的串扰通过容性、感性耦合产生[8]，图1所示为平行线路间串扰耦合的模型及等效电路。

图1 两电路间的传导性耦合
图1中，(a)、(b)所示为容性耦合模型及等效电路，导线中的能量通过寄生电容耦合到另一条导线[9],耦合系数K为：
K==≈
(1)
式中，UN为耦合电压，U1为源电压，j表示虚数部分，ω为信号角频率，C12为寄生电容，C2为导线的对地阻抗，R为敏感电路的后续电路阻抗，由于压电夹层在应用过程中，敏感源的后续电路是电荷放大器，所以R为高阻抗。

图1中，(c)、(d)所示为电感耦合模型及等效电路，导线上的电流发生变化引起周围的磁场变化，其邻近的导线感应出电动势，这样，一根导线上的信号就会耦合到另一根导线。

耦合压UN为：
UN==M×l
(2)
式中，M是单位长度互感系数，i为电流，l是耦合段长度。

式(1)、式(2)中，直径为d，间距为D的平行导线单位长度的互容C/pF·cm-1、互感M/mH·cm-1值分别为[9]：
C=0.0885p×εr/(arccos(D/d))
(3)
M=0.001(ln(1+(2h/D)2)
(4)
式中，εr为相对磁导率，h为导线对地距离。

从上面的分析可以得出这样的结论：串扰对压电夹层信号影响的大小与平行导线的长度、互容、互感成正比。

2.2 辐射干扰
辐射耦合是以电磁场的形式将电磁能量从干扰源经空间传输到敏感源。

当电磁波照
射到传输线上时，沿路引发的分布小电压源可分为共模分量Uc和差模分量Ud。

在压电夹层应用环境中，一般为远场耦合模式，且有导线长度l>λ/4，则导线上感应的电压分别为：
Uc=Ej2l cos θ sin
Ejl cos θ cos α
(5)
Ud=Ej2l cos θ sin(cos α)≈
Ejl cos θ cos α
(6)
式中，E为入射电场，l为导线长度，θ为入射电场矢量与导线间的夹角，λ为波长，α为电磁场的入射方向与回路所在平面的夹角，b为平行导线间距，b、h≪λ。

从上面的分析可以得出这样的结论：辐射场与压电夹层相对位置固定的前提下，辐射干扰大小与平行导线的长度、间距及对地距离成正比。

3 压电夹层抗电磁干扰优化设计
通过2.1节分析，不管是电容耦合还是电感耦合，其耦合量大小都与平行导线的长度、互容、互感成正比。

在压电夹层布线设计中，由于结构几何特征决定必须平行走线，但可以通过合理布线以及优化设计夹层结构减小耦合量。

根据式(3)、式(4)，图2给出了间距对平行导线互容、互感的影响，取介质为聚酰亚胺，εr =3.4，d=0.5 mm。

图2中可以看出，当导线间距在1～6 mm以内时，互容和互感值随距离增加下降明显，当间距大于10 mm后，互容和互感值则下降缓慢。

设计平行导线间距为10 mm，此时互容值小于0.25 pF/cm，互感值小于0.1 nH/cm。

图2 互容、互感与平行导线间距的关系
为降低电容耦合，除了减小平行导线长度、增加间距外，还可考虑采用分流的方式，
即在干扰与敏感线路间加入接地的导体，耦合系数K表达如式(7)所示：
K==×
(7)
式中，C1为干扰源导线与分流导体寄生电容，C2为导体与敏感线路寄生电容，Zj 为导体的对地阻抗。

由此可知，如果导体的导电性能好并且良好接地，Zj值很小，式(7)中第二项小于1，即耦合电压值因为中间导体的分流作用而大大减小。

因此,在柔性印刷电路板信号层的信号线之间覆铜并接地，在分流电容耦合干扰的
同时可以代替地线，减少了导线的数量，增加了导线间距，并且使得信号无论处于何种流向，其回路面积总是最小的，降低了电感耦合干扰。

根据2.2节分析，在压电夹层中，根据式(5)、式(6)，为降低辐射干扰，应该减小
平行导线间距、长度，使导线尽量接近地面，减小回路面积，这些与降低串扰的条件相同。

同时，对远区辐射干扰最有效的抑制方法是电磁屏蔽。

高频磁场(大于
100 kHz)[10]辐射耦合的屏蔽通常采用低电阻率的良导体材料如铜、铝等。

磁场
穿过良导体时产生涡流，涡流产生的反向磁场抵消原磁场，同时增强了导体侧面的磁场，使干扰磁力线在导体侧边绕行通过，达到了高频磁场屏蔽的目的。

涡流的大小直接影响屏蔽的效果，这说明导电材料适于高频磁场的屏蔽。

在柔性印刷电路板信号层上层覆一层铜膜，由于集肤效应的存在，铜屏蔽层无需过厚，且厚度增加会影响压电夹层挠性，设计屏蔽层厚度为35.56 μm。

图3所示即依据上述要点设计的压电夹层图。

压电夹层尺寸为336 mm×30 mm，其上等间距(150 mm)排布3个压电元件。

为便于引出压电元件信号，信号的输入/输出接头沿夹层宽度方向等间距布置在柔性印刷电路板的一端。

相邻平行走线间
距为10 mm，如图3(a)所示。

压电夹层柔性印刷电路板为双面板结构，顶层为屏蔽层，屏蔽材料为薄膜铜，厚度35.56 μm，起到电磁屏蔽作用；底层为信号层，信号层信号线周围覆铜并接地，最大限度地减小了导线对地距离和回路面积，如图
3(b)所示。

图3(c)为压电夹层实物图。

图3 压电夹层图
4 压电夹层性能实验验证
4.1 试验设置
试验对象为碳纤维复合材料机翼盒段。

采用对比试验，分别取8个普通压电夹层
与本文设计的抗电磁干扰压电夹层，平行安装于碳纤维复合材料机翼盒段的内部蒙皮上。

如图4所示，根据结构特征，压电片横向间隔从上到下依次为150 mm、150 mm、100 mm，纵向均为150 mm，总监测区域面积为165 cm×100 cm，验证两种压电夹层采集信号的串扰量和对辐射的抑制能力，以及对结构损伤的检测能力。

损伤采用的是在预定位置处加一个圆柱质量块(直径1.9 cm) 、改变结构局
部刚度的方法。

图4 压电夹层布置图
使用南京航空航天大学智能所研制的集成压电多通道扫查系统[11]实现信号的激励、采集。

由函数发生器配合功率放大器发出不同形式波形模拟空间辐射干扰。

实验中，激励信号为±70 V、中心频率50 kHz的正弦调制波；信号采样频率10 MHz。

实验分为3个部分，步骤如下:
(1) 串扰大小对比实验。

在结构处于健康状态下，分别采集两种压电夹层相邻两个压电片的激励-传感信号，比较串扰量。

(2) 辐射的抑制能力对比实验。

启动辐射干扰信号发生装置，分别发出100 V白噪声信号，±50 V、 10 kHz～3 MHz谐波信号，并将信号输出接头置于压电夹层上，模拟空间辐射干扰；重复步骤(1) 的信号采集过程。

(3)对结构损伤的检测能力对比实验。

施加模拟损伤，施加辐射干扰信号，采集所
有通道的信号。

4.2 实验分析
图5所示为串扰大小对比试验中，两种压电夹层采集的一组信号，以直达波峰峰
值为基准归一化后，串扰分别为0.306 V、0.016 V。

结果表明采取了抗串扰设计后，串扰量降低一个数量级至白噪声干扰级别，与直达波信号幅值相差两个数量级，达到了设计的目的。

图5 压电夹层串扰信号对比图
图6所示为辐射抑制能力对比实验中两种压电夹层在白噪声、400 kHz谐波混合
干扰下所采集信号的时频域波形，图6中(a)、(c)表明，抗电磁干扰压电夹层的时
域信号波形纯净，基本不受白噪声干扰；图6中(b)、(d)表明，抗电磁干扰压电夹层在频域上谱线单一，基本不受谐波干扰信号影响。

图6 压电夹层时、频域分析图
设d为压电夹层在无干扰时采集信号，d sin (k)为压电夹层在谐波干扰下采集的信号，定义压电夹层受噪声干扰信号的影响程度为：
SNR=10 log()
(8)
根据式(8)计算出两种压电夹层在不同频率谐波干扰下的信噪比曲线，如图8所示。

其中普通压电夹层在不同频率谐波下的SNR均值为11.2 dB，抗电磁干扰压电夹
层在不同频率谐波下的SNR均值为35.4 dB。

从图7中可以看出，由于采用了抗
电磁干扰设计，压电夹层在电磁辐射干扰环境中性能良好。

在相同环境下，与普通压电夹层相比，抗电磁干扰压电夹层对固定频率谐波干扰的信噪比提高了3.16倍，达到了设计目的。

图7 谐波干扰信号下的信噪比曲线
在对结构损伤判别能力对比实验中，采用基于Shannon 复数小波的复合材料结构时间反转聚焦多损伤成像方法[12]进行损伤成像，验证串扰和辐射干扰对两种压电夹层进行损伤监测的影响程度。

图8所示为两种压电夹层的损伤成像结果，均以
中心位置为坐标原点，较高像素值集中的区域即为损伤所在区域。

图8(a)为普通压电夹层成像结果，由于电磁干扰的存在，能量增加，很难判断确切的损伤尺寸、个数等；而图8(b)所示抗电磁干扰压电夹层损伤成像特征明显。

这证明了抗电磁干扰压电夹层能够很好地实现结构健康监测的目的。

图8 损伤成像结果图
5 结论
作者对压电夹层进行抗电磁干扰优化设计，首先分析了串扰、辐射干扰两种基本的干扰耦合途径，得到耦合影响因子，并通过分析合理设置导线间距，设计压电夹层柔性印刷电路板结构，降低干扰，在此基础上制造了抗电磁干扰压电夹层。

其次通过实验与普通压电夹层进行串扰、抗辐射干扰两方面的性能对比，并验证压电夹层的结构健康监测性能。

结果表明，在相同测试条件下优化后的压电夹层串扰量较普通压电夹层下降一个数量级，在辐射干扰环境下信噪比提高3倍多。

最后通过模拟损伤实验验证了压电夹层对机翼盒段损伤有很好的损伤检测能力。

以上工作表明本文对压电夹层进行的优化设计取得了明显效果，对面向航空结构的压电夹层工程化应用具有重要意义。

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