[發(fā)明專利]結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210026055.0
• 申請(qǐng)日: 2012-02-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102680578B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: G·M·卡維基;R·M·羅德里格斯;P·庫(kù)德拉;W·歐斯塔喬茲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 波音公司
• 主分類號(hào): G01N29/07
• 分類號(hào): G01N29/07
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11245
• 代理人: 趙蓉民

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，例如用于結(jié)構(gòu)例如飛機(jī)結(jié)構(gòu)的無(wú)損評(píng)估的系統(tǒng)。

背景技術(shù)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)吸引了越來(lái)越多的興趣。其提供了評(píng)估結(jié)構(gòu)完整性的無(wú)損方法。例如，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在航天工業(yè)中的使用變得更廣泛。

這是因?yàn)榇祟愊到y(tǒng)提供了評(píng)估飛機(jī)(或者其某些部件)的健康的無(wú)創(chuàng)方法，其通常比執(zhí)行傳統(tǒng)方法更快且成本更低。此外，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)合可以允許保養(yǎng)檢查之間的更長(zhǎng)間隔，并且可以允許延長(zhǎng)飛機(jī)的使用壽命。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)與金屬(例如鋁和鋁合金)和復(fù)合結(jié)構(gòu)一起使用。

包含監(jiān)測(cè)彈性波穿過(guò)結(jié)構(gòu)的傳播的換能器(如壓電換能器)陣列的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是已知的。結(jié)構(gòu)內(nèi)部的異常處(anomaly)反射該彈性波，并且這些反射被換能器探測(cè)到。例如，樹(shù)脂纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分層以及復(fù)合結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)兩者中的裂痕引起可以探測(cè)的反射。

除了僅識(shí)別一個(gè)或更多個(gè)異常處和/或至少一個(gè)異常處的存在，還可以確定異常處的位置。例如，使用分布式換能器陣列是已知的。反射波到達(dá)換能器的時(shí)間差被轉(zhuǎn)換為距每個(gè)換能器的等價(jià)距離，由此可以使用三角測(cè)量法確定該異常處的位置。

然而，由于必須提供并定位大量的分布式傳感器，所以這些系統(tǒng)昂貴并且安裝費(fèi)時(shí)。此外，大量傳感器導(dǎo)致飛機(jī)的超重處罰，并且也影響該結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)如其慣量分布和硬度。

分布式換能器陣列的替換選擇是使用相控?fù)Q能器陣列。在這種陣列中，換能器被定位成彼此接近。如在這些作為相控陣列天線的應(yīng)用中更好理解的，使用相位在換能器之間變化的激勵(lì)信號(hào)來(lái)激勵(lì)換能器，由此影響波束控制。換能器收聽(tīng)反射信號(hào)，并且通過(guò)使用該反射的測(cè)量渡越時(shí)間(time of flight)和已知的傳播方向來(lái)確定一個(gè)或更多個(gè)異常處和/或至少一個(gè)異常處的位置。

然而，這些相控陣列系統(tǒng)也存在缺點(diǎn)。依靠相控陣列的波束控制技術(shù)需要復(fù)雜的信號(hào)處理以提取方向信息。另外，這類系統(tǒng)受困于至陣列側(cè)面例如柵瓣(grating lobe)的信號(hào)泄漏以及不同于期望轉(zhuǎn)向角的角度處的強(qiáng)的二次信號(hào)。同時(shí)，波束形成和控制中的要求精度對(duì)換能器規(guī)格和安裝有嚴(yán)格要求。

因此，分布式換能器陣列和相控?fù)Q能器陣列的建立技術(shù)受困于復(fù)雜性和嚴(yán)格的制造及設(shè)計(jì)要求，這顯著增加了制造和整合到結(jié)構(gòu)內(nèi)的開(kāi)支。數(shù)據(jù)生成和處理的復(fù)雜性進(jìn)一步增加了成本。

因此，存在對(duì)復(fù)雜性減少、成本降低且較易安裝的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求。

發(fā)明內(nèi)容

在這一背景下并且從第一方面，本發(fā)明提供一種使用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)評(píng)估結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷的方法。該結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含可操作地與該結(jié)構(gòu)接觸布置的一個(gè)或更多個(gè)或者一組或者至少三個(gè)接收器，以及也可操作地與該結(jié)構(gòu)接觸布置的發(fā)射器。

該方法包含操作發(fā)射器以激勵(lì)傳播穿過(guò)該結(jié)構(gòu)的彈性波。彈性波可以由至少三個(gè)或者一組三個(gè)接收器中的一個(gè)元件、其任何一個(gè)或其組合或者由單獨(dú)的發(fā)射器產(chǎn)生。如果是單獨(dú)的發(fā)射器，該發(fā)射器可以位于該組三個(gè)接收器附近。

該方法進(jìn)一步包含從至少三個(gè)接收器收集監(jiān)測(cè)信號(hào)，以便監(jiān)測(cè)彈性波從該結(jié)構(gòu)內(nèi)部的任何異常處的反射。分析該監(jiān)測(cè)信號(hào)以識(shí)別結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一個(gè)或更多個(gè)異常處和/或至少一個(gè)異常處。

因此，本發(fā)明提供了用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的簡(jiǎn)單系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了無(wú)損方法，并且可以應(yīng)用于各種形式的結(jié)構(gòu)，例如可以是金屬或者復(fù)合物的航天結(jié)構(gòu)。采用一種有源系統(tǒng)，其使用發(fā)射器來(lái)產(chǎn)生彈性波，然后使用接收器探測(cè)彈性波的反射。

一個(gè)或更多個(gè)接收器、至少三個(gè)接收器或者少到三個(gè)接收器的簡(jiǎn)單陣列被用于識(shí)別結(jié)構(gòu)內(nèi)部的異常處。因此，當(dāng)與已知的分布式換能器陣列和相控?fù)Q能器陣列相比時(shí)，需要更少的換能器。與相控陣列所需要的復(fù)雜得多的計(jì)算相比，可以通過(guò)求解一組簡(jiǎn)單的線性方程來(lái)識(shí)別并得到異常處的位置。一個(gè)或更多個(gè)接收器陣列可以與渡越時(shí)間方法一起使用來(lái)定位異常處，或者兩個(gè)或更多個(gè)接收器陣列可以被用于定位異常處，其中每個(gè)陣列被用于確定異常處的方向。

發(fā)射器和接收器可以從許多適合的選擇中選定。例如，發(fā)射器可以是僅能夠發(fā)射彈性波到結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單裝置。接收換能器可以僅能夠探測(cè)在結(jié)構(gòu)中行進(jìn)的彈性波。然而，用作發(fā)射器和接收器的換能器優(yōu)選能夠用于激勵(lì)并探測(cè)在結(jié)構(gòu)中行進(jìn)的彈性波。為此，壓電換能器是特別優(yōu)選的，例如大型纖維復(fù)合材料壓電換能器。發(fā)射器和接收器可以以任何適合的方式例如通過(guò)下面具體描述中所述的方法連接到結(jié)構(gòu)。