[發明專利]一種基于壓電和智能涂層傳感器的疲勞裂紋綜合監測方法

在審

• 申請號: 201710192852.9
• 申請日: 2017-03-28
• 公開（公告）號: CN107014668A
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 何晶靖;董邦林;王鄧江;張衛方;劉曉鵬;陽勁松
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01N29/04;G01N27/20;G01N33/20
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所11121
• 代理人: 趙文穎

技術領域

本發明屬于結構健康監控領域，涉及對金屬、復合材料等結構損傷監測，具體涉及一種用于壓電和智能涂層傳感器對鋁合金薄板疲勞裂紋擴展情況的綜合監測判斷方法。

背景技術

結構健康監控技術已經在民用工程和航空工程領域都得到了廣泛應用，結構健康監控技術就是通過智能傳感器網絡在線實時監測結構健康狀況。目前，在結構健康監控技術中使用的傳感器主要有壓電傳感器、光纖傳感器、MEMS傳感器、智能涂層傳感器等。其中壓電傳感器是通過自身的壓電效應，激勵和接收導波信號，并通過信號處理技術實現對結構損傷監測；智能涂層傳感器是由驅動層、傳感層和保護層組成，通過結構裂紋擴展到智能涂層傳感器布貼位置引起傳感層電阻值的變化，從而實現對結構裂紋的監測。

有研究表明，針對結構健康監測的不同傳感器設備，由于傳感器的監測原理不同，其信號的數據類型和處理方式也不盡相同，對損傷監測各有優勢。目前，根據不同傳感器對結構損傷監測采集的信號，其數據類型主要分為Signal response數據和Hit/miss數據。Signal response數據是指通過檢測到的電信號或振動信號(如：電壓、電流、頻率、應變等)的連續變化用于表征結構損傷的變化(如：裂紋長度，損傷面積等)。針對離散的響應信號，傳感器采集的數據直接能夠反應其檢測結果(hit＝1，miss＝0)，1表示損傷被檢測到，0表示損傷未被檢測到。通過裂紋檢出概率比較壓電和智能涂層傳感器對損傷的能力。裂紋檢出概率，即POD(Probability of Detection)模型是傳感器檢測能力的一種表征方式。POD模型結果不僅與損傷大小有關，還受到如被監測結構的材料、幾何尺寸、損傷形式、監測環境和監測人員等不確定性因素的影響。

在相關文獻和試驗中發現，智能涂層傳感器在監測疲勞裂紋擴展時會發生漏檢的情況，所謂漏檢則指的是當裂紋已經穿過智能涂層傳感器的監測區域時，傳感器未檢測到的現象。

發明內容

本發明為了解決上述問題，充分考慮到智能涂層傳感器的漏檢問題，提出一種基于壓電和智能涂層傳感器的疲勞裂紋綜合監測方法。本發明是通過壓電傳感器的損傷監測原理，建立結構裂紋定量模型監測疲勞裂紋擴展情況，結合智能涂層傳感器的監測結果，分別建立相應的POD模型，繪出POD曲線。本發明是通過兩種傳感器的監測結果所建立的POD模型，綜合比較壓電和智能涂層傳感器對疲勞裂紋擴展的檢出概率，選擇在不同疲勞裂紋長度下更能夠準確監測該結構疲勞裂紋擴展的傳感器類型。

本發明采用了兩種傳感器對疲勞裂紋擴展監測結果進行綜合判斷，通過疲勞試驗機對試驗件加載，使試驗件產生疲勞裂紋擴展，兩種傳感器通過對監測信息的分析處理獲得相應的POD模型，實現兩種傳感器的對疲勞裂紋擴展的綜合判斷，克服了兩種傳感器自身的不足。

本發明是分別基于壓電和智能涂層傳感器對疲勞裂紋的監測結果，提出了信息融合方法，實現對裂紋擴展的綜合判斷。以鋁合金薄板的疲勞裂紋擴展試驗為平臺，在薄板上同時布置智能涂層和壓電傳感器對疲勞裂紋擴展進行監測，具體分以下步驟：

步驟1：選擇試驗件。

步驟2：在鋁合金薄板上布貼壓電傳感器和智能涂層傳感器。

步驟3：確定壓電傳感器的激勵信號。

步驟4：將以上貼有智能涂層和壓電傳感器的鋁合金薄板安裝在疲勞試驗機上進行疲勞裂紋擴展試驗。在疲勞試驗機加載前，分別采集壓電和智能涂層傳感器的初始信號。

步驟5：通過光學顯微鏡實時記錄不同循環周次下的裂紋長度，在平均加載應力水平停止循環加載時采集壓電傳感器接收的Lamb波信號。同時，在每次智能涂層傳感器報警時，記錄智能涂層傳感器的數據和壓電傳感器的Lamb波信號。

步驟6：完成試驗后，對傳感器采集的信號進行處理。主要是分析處理壓電傳感器采集的Lamb波信號，對該信號進行濾波，截取Lamb波信號S₀模式的時間窗。因為Lamb波在傳播路徑中隨著裂紋擴展，信號能量發生衰減即幅值減小、傳播路徑變化即相位變化等，提取損傷特征歸一化幅值X、相位角變化Y，建立裂紋長度與損傷特征參數的函數模型f(·)。

步驟7：重復步驟2-6，針對壓電傳感器采集的Lamb波信號進行分析處理，提取損傷特征參數，驗證步驟5中建立的函數模型，并對模型參數加以修正，獲得修正后的模型g(·)。

步驟8：根據步驟7中確定的壓電傳感器裂紋監測模型和智能涂層傳感器的歷史數據，選擇相應的POD模型，繪制POD曲線，判斷兩種傳感器對鋁合金結構疲勞裂紋擴展的監測能力。