[發明專利]基于含金屬芯壓電纖維的結構損傷定位裝置

有效

• 申請號: 201010150207.9
• 申請日: 2010-04-16
• 公開（公告）號: CN101858888A
• 公開（公告）日: 2010-10-13
• 發明（設計）人: 裘進浩;劉建;季宏麗;常偉杰;朱孔軍
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/14;G01N29/36
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 唐小紅

一、技術領域

本發明涉及一種用于工程結構健康監測的裝置，尤其涉及一種可以進行結構損傷定位的裝置。

二、背景技術

結構健康監測技術是一門利用集成在結構中的先進傳感/驅動元件網絡，在線實時地獲取與結構健康狀況相關的信息，對結構中存在的不安全因素在早期就加以控制和消除的新型交叉學科。目前，結構健康監測技術主要分為主動監測和被動監測技術。被動監測技術通過傳感器測量結構的響應，感知外界的溫度、機械、電學或化學變化，這些機械和非機械的信號產生后通過傳感器來確定。在被動監測技術里，傳感元件始終處于被動接受狀態，只有結構狀態發生變化，產生相應的物理量時，傳感元件才起作用。而主動監測技術則首先需要對監測結構施加激勵信號，使用傳感器接受結構的響應信號，通過比較結構損傷前后傳感器響應信號的異同來監測結構的健康狀況。在主動結構健康監測技術中，基于超聲Lamb波的結構健康監測技術是一種典型的，也是目前研究較為熱門的主動監測技術。這種方法一般是針對航空、建筑等板結構的健康監測，在板結構的一個位置粘貼超聲換能器對結構進行激勵，激勵信號就在結構中產生Lamb波，通過在結構另一位置粘貼傳感器接受Lamb波信號，當傳感器接受的信號偏離了結構在正常健康狀態下的參考信號時，就表明結構發生了異常情況。

在基于Lamb波的主動結構健康監測中，一般采用壓電元件作為Lamb波驅動器和傳感器的。然而，傳統的壓電功能器件以塊狀和片狀居多，非常容易損壞，不適合粘貼在曲面結構表面；而且由于體積較大，不易與基體結構集成，當埋入基體結構時，對結構的強度和可靠性有很大的影響。因此開發輕質、結構細小、易與基體結構集成的薄膜或纖維狀壓電功能元件是一個必然的發展趨勢。含金屬芯壓電纖維(MPF)是一種新型壓電功能器件，其中心為一根金屬芯，中間層為壓電陶瓷，外層為濺射的一層金屬層。因此，中心的金屬芯和外層金屬層可以作為兩個電極，所以單根MPF就可以作為驅動器和傳感器。其結構細小(直徑300μm左右)，非常易于與基體結構集成或者粘貼在基體結構表面。而且其一個很大的優點在于傳感Lamb波具有很強的方向性。因此，MPF作為超聲Lamb波傳感器用于結構健康監測裝置中受到了很大關注。

傳統的基于Lamb波的結構損傷定位技術一般都是采用三角測量Lamb波傳播的時差來定位的。這種測量Lamb波傳播時差的定位技術一個前提就是必須知道Lamb波在結構中的傳播速度，然而，對于一些復雜板結構如航空壁板、殼體結構、復合材料結構等，很難獲得Lamb波在其中的傳播速度，而且各向異性材料結構中各方向波速還不相同。所以在這些復雜結構中，基于測量Lamb波傳播時差的主動監測定位裝置將很難應用。

三、發明內容

1、技術問題：本發明要解決的技術問題是提供一種應用于復雜板結構的結構損傷定位的裝置，該裝置中的傳感元件為含有金屬芯的壓電纖維。

2、技術方案：

為了解決上述技術問題，本發明的包括信號發生器、貼設在待進行健康監測的結構表面的Lamb波激勵元件、布置于待進行健康監測的結構表面的第一、第二含金屬芯壓電纖維單元、數據采集卡、功率放大器和電荷放大器，所述的含金屬芯壓電纖維單元由三根等長的第一、第二、第三含金屬芯壓電纖維組成，第一含金屬芯壓電纖維、第二含金屬芯壓電纖維和第三含金屬芯壓電纖維互成60度角布置，即這三根等長的含金屬芯壓電纖維呈等邊三角形的形狀，但相互不連接，并且各自在兩端引出電極供電路連接時使用，一般地，可以將這種呈這種結構設置的含金屬芯壓電纖維單元稱為MPF花形結構，MPF即為含金屬芯壓電纖維的簡稱；信號發生器產生的信號經過功率放大器放大后施加給Lamb波激勵元件，Lamb波激勵元件在結構中產生Lamb波；第一、第二含金屬芯壓電纖維單元傳感Lamb波產生的電壓信號經過電荷放大器傳遞給數據采集卡，至此，完成對Lamb波信號的采集；數據采集卡可與工控監測顯示單元連接，這樣可以通過觀察波形來判斷損傷的位置，從而完成結構損傷的定位。