[發明專利]一種正三角相控陣螺栓緊固結構健康監測系統及方法

有效

• 申請號: 202010971215.3
• 申請日: 2020-09-16
• 公開（公告）號: CN112162036B
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 葉波;孔瓊英;鄧為權
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/07;G01N29/06;G01N29/26;G01N29/24;G01N29/44;G01N29/46;G01N29/48
• 代理公司: 昆明明潤知識產權代理事務所(普通合伙) 53215
• 代理人: 王鵬飛

本發明涉及一種正三角相控陣螺栓緊固結構健康監測系統及方法，于工程結構健康監測技術領域。本發明包括上位機、信號發生器、功率放大器、正三角相控陣傳感網絡、電荷放大器、信號采集器卡。本發明利用正三角相控陣傳感器網絡對螺栓的松緊狀態及螺栓周圍結構進行結構健康監測，以一顆裝配好的螺栓為等邊三角形的中心，在等邊三角形的三個頂點各布置一組壓電傳感陣列；采用相控陣方法激勵和接收在被測結構中傳播的表征結構健康狀態的Lamb波信號；將采集到的信號放大后傳送至上位機，在上位機中利用差分法和窗函數等方法獲得相應的結構損傷信號，對信號進一步分析得出螺栓松緊狀態和以螺栓為中心的正三角形區域內結構的缺陷和損傷位置情況。

技術領域

本發明涉及一種正三角相控陣螺栓緊固結構健康監測系統及方法，于工程結構健康監測技術領域。

背景技術

結構健康監測技術是在智能材料結構領域中被提出來的，該技術通過利用集成在結構內部或表面的傳感器實現實時獲取與結構健康狀態相關的信息，從而識別結構中存在的損傷，以讓人們盡早發現損傷，降低財產損失，保證結構的安全。尤其是在一些大型重要機械、飛機、潛艇等方面的結構健康監測技術顯得尤為重要。

目前，用于結構健康監測的方法多種多樣，如，超聲導波監測、機電阻抗法、智能涂層法、光纖傳感監測法、超聲相控陣等方法。其中，相控陣監測法是結構健康監測領域中一個新的發展方向。

相控陣是利用超聲相控陣傳感器陣列對結構進行掃描的一種技術，可靈活有效的控制聲束指向，通過相位控制使Lamb波波束偏轉聚焦，提高信噪比，實現對結構狀態的監測。相控陣的主要特點是采用按一定規律排列的壓電片，各壓電片的激勵均由上位機控制，能產生聚焦波束實現對工件的掃描，并能實現對檢測結果的成像。相控陣技術可以通過軟件設定，在不移動探頭的情況下，只需改變軟件設置就可以快速地改變聲束的偏轉角度，實現對工件截面的掃查。相控陣探頭主要有線形(線陣列)、面形(二維矩形陣列)和環形(圓形陣列)。

使用上述幾種陣列對螺栓緊固狀態進行監測較為浪費，并且由于傳感器數量較多會極大降低系統的檢測效率，因此，非常有必要設計一種新型的結構健康監測裝置，能夠降低成本并簡化傳統相控陣在結構健康監測中要進行時間延遲的步驟，在提高系統檢測效率的同時，又有效提高結構健康監測系統的檢測準確性。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種正三角相控陣螺栓緊固結構健康監測系統及方法，采用正三角形相控陣的方法對單顆螺栓或其他微小且重要單元進行結構健康監測，能夠準確、快速并利用最少壓電片來識別微小損傷，解決上述問題。

本發明的技術方案是：一種正三角相控陣螺栓緊固結構健康監測系統，包括上位機、信號發生器、功率放大器、正三角相控陣傳感網絡、電荷放大器、信號采集卡。

正三角相控陣傳感網絡包括三組壓電傳感器陣列，三組壓電傳感器陣列構成正三角形并分別位于正三角形三個頂點上，三組線性陣列傳感器中，每組陣列由N個完全相同的傳感器陣列單元組成，根據實際檢測需要來減少或增加陣列單元的數量，每個陣列單元均為圓形的壓電傳感器。三組線性陣列傳感器分別依次作為激勵器，剩余兩個陣列作為接收器。即，當一組傳感器陣列作為激勵器向被測結構中激發Lamb波信號時，另外兩組傳感器陣列作為接收器接收來自激勵器傳感器并經過損傷和螺栓反射的Lamb波響應信號，以此類推，另外兩組傳感器再分別作為激勵器，剩余兩組陣列作為接收器獲得相應的響應信號。

上位機通過USB數據線與信號發生器的USB HOSTDevice接口連接，信號發生器的輸出端口接功率放大器的輸入端口，功率放大器的USB Device接口通過低噪音電纜線連接正三角形三個頂點處的三組壓電傳感陣列，三組壓電傳感陣列通過低噪音電纜線與電荷放大器的L5接口相連，電荷放大器的BNC接口通過輸出電纜線與信號采集器卡的OPEN5接口相連，信號采集器卡的USB接口通過USB電纜線和上位機的USB接口相連。從而將上位機、信號發生器、功率放大器、壓電傳感網絡、信號采集器卡連接組成完整的結構健康監測系統。