[發明專利]跨金屬壁埋植式單端口無源燒損傳感裝置、監測及制備方法

有效

• 申請號: 202110976412.9
• 申請日: 2021-08-24
• 公開（公告）號: CN113835047B
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發明（設計）人: 謝楷;郭云沖;劉艷;權磊;吳必成;宋江文;谷愷恒
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01R31/74
• 分類號: G01R31/74;G01R31/54;G01N27/04
• 代理公司: 西安知誠思邁知識產權代理事務所(普通合伙) 61237
• 代理人: 閔媛媛

本發明公開了一種跨金屬壁埋植式單端口無源燒損傳感裝置、監測及制備方法，裝置包括無源傳感系統和電路監測系統；無源傳感系統包括艙壁復合結構，一組艙內換能器、艙外換能器分別安裝于金屬艙壁的內側和外側；電路監測系統，用于發射激勵艙內換能器的交流信號，同時監測從艙內換能器兩電極看入艙壁復合結構的電學復阻抗，通過對阻抗的測量獲得艙壁復合結構的諧振頻率值，根據諧振頻率值的偏移情況判別熔絲線的通斷情況。本發明只采用一對跨金屬壁換能器，其中艙外換能器與用于傳感的金屬熔絲線連接，艙內換能器同時完成激勵和監測兩個功能，從而簡化了結構，避免了能量串擾問題、諧振匹配性問題，同時降低了傳感器的安裝難度和制作成本。

技術領域

本發明屬于飛行器監測技術領域，涉及一種跨金屬壁埋植式單端口無源燒損傳感裝置、監測及制備方法。

背景技術

防熱層作為飛行器的保護傘，起到將機體外部的氣動高溫與機體內部進行有效隔離的作用。尤其是可重用飛行器，其防熱層在長期、多次反復的高溫和氣動應力沖擊下，有可能發生燒損、開裂甚至脫落等安全隱患。因此對防熱層的燒損狀態監測顯得極為重要，例如一旦發現損傷能及時利用變軌、調整再入姿態等手段規避災難。

受到飛行器重量和尺寸限制，紅外熱成像、主動聲學探傷等手段可測量的面積十分有限；在防熱層內埋植各類無源傳感器如光纖溫度傳感器、熱電偶傳感器是解決大面積覆蓋監測的有效手段，但要將信號線纜透過機艙壁傳回機艙內部，大量穿孔結構會破壞機艙壁面完整性，帶來額外的結構、強度等方面的隱患。

無線無源傳感器是惡劣環境下物理量監測的發展方向，例如文獻“基于微波的無線無源貼片式溫度傳感器”（DOI:10.13250/j.cnki.wndz.2018.02.006）、公開號CN103698060A的專利、公開號CN109342460A的專利、公開號CN112378424A的專利提出的基于電感、電容等無源電學諧振結構，其LC諧振頻率能夠響應溫度、壓力、裂紋等物理量的變化，并且能夠以電磁耦合的方式將諧振特征信息耦合至無線接收端，通過對諧振頻率的分析，獲得惡劣環境中的物理參量。然而這些方法受限于電磁耦合方式，只能應用于穿透非金屬（如復合材料）壁面，無法應用在封閉的金屬艙體內部對艙外的防熱層進行燒損監測。

文獻“跨飛行器金屬艙壁無線無源燒損傳感技術”（DOI:10.13435/j.cnki.ttc.003142）公開了一種能夠跨過金屬艙壁進行無源傳感的方法，該方法是基于聲學能量耦合與電路熔斷相結合的方式，用兩對壓電換能器和熔絲線一起，構建了“電聲轉換-電學傳感-聲電轉換”的傳感結構。其中一對換能器完成激勵功能，另一對完成信號監測功能，實現了對金屬艙壁外部的防熱層埋植熔絲通斷狀態的監測。結構出現過熱、機械損傷、剝落等隱患時，埋植熔絲斷裂被感知，實現了對防熱結構燒損的監測。

在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術中至少存在以下不足之處：

（1）兩對壓電換能器沿金屬壁的水平方向上會有能量串擾。這決定了兩對換能器之間需要保持較遠的距離，否則靠近時的相互串擾會嚴重影響判決裕度，因此無法安裝在空間較小的壁面上。

（2）兩對壓電換能器結構的諧振匹配性問題。由于聲電材料的諧振頻帶很窄，兩對換能器的復合結構需要具有共同的諧振頻點，才能構成有效的能量通路。實際中膠黏劑厚度差異、異型部位壁面厚度差異、換能器批次性差異等因素，都會引起聲學結構的諧振點偏移，影響能量的順利流過，這對裝配精度、工藝精度帶來了較高的要求。

（3）兩對換能器都需要嚴格對準，這加劇了安裝難度和制作成本。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供一種跨金屬壁埋植式單端口無源燒損傳感裝置，只采用一對跨金屬壁換能器，其中艙外換能器與用于傳感的金屬熔絲線連接，艙內換能器同時完成激勵和監測兩個功能，從而簡化了結構，避免了能量串擾問題、諧振匹配性問題，并且降低了傳感器的安裝難度和制作成本。

本發明的另一目的是，提供一種跨金屬壁埋植式單端口無源燒損傳感裝置的監測方法。