[發明專利]一種用于結構健康監測的壓電晶片的安裝方法及其裝置

無效

• 申請號: 201010244359.5
• 申請日: 2010-08-04
• 公開（公告）號: CN101915678A
• 公開（公告）日: 2010-12-15
• 發明（設計）人: 武湛君;王奕首;柳敏靜;高東岳
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01M19/00
• 分類號: G01M19/00
• 代理公司: 大連智慧專利事務所 21215
• 代理人: 潘迅

技術領域

本發明屬于結構健康監測用傳感器領域，涉及用于結構健康監測的壓電晶片的安裝方法和裝置。

背景技術

結構健康監測是一種在線無損檢測技術，被廣泛應用于航空航天、土木機械等工程結構，用于及時發現結構損傷破壞，提高結構安全性、延長產品服役壽命、降低運行和維護成本。

現有的結構健康監測系統主要由以下幾部分組成：1)以壓電晶片為核心元件、用于發射和接受檢測信號的傳感器；2)數據采集和處理系統；3)數據傳輸和損傷診斷系統。

作為結構健康監測系統的核心部件，壓電晶片的安裝方法對系統性能有重要影響。現有的壓電晶片的安裝方法，有粘貼式和嵌入式兩種，采用這兩種方法，壓電晶片的布置位置一旦確定的，是無法改變的，在傳感器數量不是足夠多的情況下，某些部位的損傷是無法監測到的，即存在監測盲點。這兩種方式還存在以下問題：1)粘接界面不均一，造成壓電晶片與待測結構之間的能量傳遞不均一，因而需要大量實驗進行校核；2)粘接界面與壓電晶片壽命低于結構壽命，且不可替換；3)傳感器位置固定，因而需要大量的傳感器以覆蓋整個待測結構，造成結構重量增加；4)嵌入式安裝方式一般是將壓電晶片集成于結構中，影響了結構完整性，也不適用于薄殼結構，若傳感器發生故障，不易查找和更換。

發明內容

本發明的目的是提供一種可方便拆卸、更換的結構健康監測用壓電晶片的安裝方法及其裝置，使壓電晶片的安裝位置可靈活選擇、移動，壓電晶片與被測結構能量耦合具有重復性和均一性，從而實現機動式的結構健康監測。

本發明的技術方案如下：

一種用于結構健康監測的壓電晶片的安裝方法，其特征在于，將壓電晶片夾放在壓電晶片座和被測結構表面之間，用一個開口部分緊密吸附在被測結構表面的凹形腔體把壓電晶片座扣在內部，并通過凹形腔體內的彈簧向被測結構表面壓迫壓電晶片座，使壓電晶片緊貼在被測結構表面；凹形腔的殼體采用密封材料，殼體上設有可封閉的氣孔，凹形腔體的開口部分采用可吸附在被測結構表面的材料。

所述彈簧的兩端可以安裝連接在壓電晶片座與凹形腔體內表面之間，也可以分別套放或卡放在壓電晶片座表面和凹形腔體內表面所設置的凸臺或凹槽里，彈簧的自然伸縮方向與凹形腔體的開口端面相垂直，也就是與被測結構表面相垂直；壓電晶片座與彈簧相連接后，在彈簧自然狀態下伸出凹形腔體的開口端面，壓電晶片座朝向被測結構的表面可以設有一個或兩個以上用于放置壓電晶片的凹槽，凹槽的深度小于壓電晶片的厚度，將壓電晶片放在凹槽位置，再壓到被測結構表面，使受壓后的壓電晶片表面能與被測結構表面緊密貼合。測量時可以在各個凹槽里分別放置一個壓電晶片，也可以根據需要選擇其中的凹槽放置壓電晶片。

本方法利用真空吸附原理，先將凹形腔體開口部分貼合在被測結構表面，構成帶有可封閉氣孔的密閉腔體，彈簧在密閉腔體內呈壓縮狀態，頂在凹形腔體和壓電晶片座之間，壓迫壓電晶片座，使壓電晶片緊貼在被測結構表面，然后通過氣孔減小密閉腔體內氣壓，使凹形腔體緊密吸附在被測結構表面，壓電晶片持續緊貼在被測結構表面，利用壓電晶片收發診斷信號，實現結構健康監測。

減小密閉腔體內氣壓可以通過抽真空裝置或密閉活塞裝置，也可以采用可變形凹形腔體。

采用抽真空裝置時，凹形腔體上的氣孔上裝有氣嘴，與抽真空裝置相連接，先將凹形腔體的開口貼合在被測結構表面形成帶有氣孔和氣嘴的密閉腔體，再用抽真空裝置抽去密閉腔體內的空氣，使凹形腔體緊密吸附在被測結構表面，然后封閉氣嘴。

采用密閉活塞時，將凹形腔體上的氣孔與密閉活塞裝置相連通，將凹形腔體的開口貼合在被測結構表面形成密閉腔體后，向外拉動活塞，密閉腔體內的氣壓減小，使凹形腔體緊密吸附在被測結構表面，然后固定活塞位置，使其保持在增大氣體空間、減小氣壓的狀態。

采用可變形凹形腔體，通過凹形腔體彈性變形減小密閉腔體氣壓時，需要增大能與被測結構表面吸附的開口部分、即吸附軟體在凹形腔體中的所占比例，使吸附軟體占凹形腔殼體的大部分面積。擠壓吸附軟體，使其彈性變形貼合在被測結構表面，然后封閉氣孔，待吸附軟體部分恢復形狀后，密閉腔體內的氣體體積增大，氣壓減小，使凹形腔體緊密吸附在被測結構表面。

凹形腔體的開口部分可以采用彈性材料，例如丁腈橡膠、聚氨酯或含乙烯基的聚合物材料等，對于表面比較粗糙的被測結構可以選用硅橡膠，對于具有耐油性或應避免被劃傷的被測結構表面，可以選用丁腈橡膠。可根據凹形腔體的形狀、大小以及彈簧的伸縮度，選擇彈簧彈性系數，使其彈力小于吸附力。