一种应变传感器、结构监测系统及制造方法技术方案

一种应变传感器、结构检测系统及制造方法，基于3D打印技术将纳米金属浆料直接打印于结构表面，进而固化形成可用于监测结构应变的导电线路。本发明专利技术的线路宽度尺寸可低至数十微米，厚度可低至数微米，占用空间小，可以打印于复合材料胶接区域，对胶接质量影响微乎其微。因此，本发明专利技术可以应用于大型、复杂复合材料结构的健康监测。同时通过合理的设计，本发明专利技术的导电线路可以实现结构应变的传感和信息传输功能，从而实现结构全寿命周期安全性监测和评估，为未来先进飞行器的重复使用提供必要保障。

【技术实现步骤摘要】
一种应变传感器、结构监测系统及制造方法
本专利技术涉及一种应变传感器、结构检测系统及制造方法，属于航空航天飞行器复合材料结构健康监测

技术介绍
新一代先进航天飞行器具有长时间在轨、多次使用等特点，对传统结构系统的设计、检测、维护和状态监控提出挑战。为了对飞行器结构系统全寿命周期的可靠性评估，必须对结构系统重要部位开展实时健康监测。为了达到轻量化的目标，先进航天飞行器越来越广泛地采用先进的碳纤维增强树脂基复合材料，用于制造舱体蒙皮壁板、格栅壳体和舵面等重要部件。而复合材料结构的破坏形式非常复杂，最终失效破坏前往往不易察觉，要保证飞行器重复使用安全性，需要对关键部位进行监测。复合材料结构对应变敏感，通过实时监测应变可以达到健康监测、评估飞行安全性的目的。目前，成熟的、可靠性高的结构健康监测技术只有电缆-应变片式监测方法，但该方法需要人工粘贴大量的应变片，连接应变片的线缆繁多而沉重，一般只应用于地面试验验证中，很少用于飞行实时监测中；光纤光栅监测方法可用于实时监测，该方法跟传统方法比，重量非常轻，且具有一定的耐高温的优点，非常适用于往返大气层飞行的新型航天飞行器。但是，在复合材料结构健康监测的应用中，对于需要二次胶接的复合材料部件，需要先将光纤与复合材料结构内表面手工粘结，然后进热压罐二次固化或二次胶接，这时易出现光纤断裂失效的问题。这是由于光纤变形伸缩率小于复合材料导致的，因此该方法不适用于需要铺设完监测网络后再进罐固化的复合材料结构。而在新一代的航天飞行器结构系统中，复合材料的应用日益广泛，有的甚至达到80％以上的用量，且通常采用整体固化、共胶接及二次胶接工艺，工艺复杂、造价高昂。因此亟需发展一种能够适应复杂复合材料组件结构的新型监测手段，以解决先进航天飞行器复合材料结构实时健康监测难题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种应变传感器、结构检测系统及制造方法，即：基于3D打印技术将纳米金属浆料直接打印于结构内表面或子结构之间的界面，然后通过激光固化形成稳定可靠的导电线路。本专利技术的线路宽度尺寸可低至数十微米，厚度可低至数微米，占用空间小，可以打印在复合材料构件的胶接界面上，对胶接质量影响很小。因此，本专利技术可以应用于大型、复杂复合材料结构的健康监测。通过合理的设计，本专利技术设计的导电线路可以同时实现结构应变传感和信息传输的功能，从而实现结构全寿命周期安全性监测和评估，为未来先进飞行器的重复使用提供必要保障。本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种应变传感器，所述应变传感器采用3D打印技术制成，所述应变传感器的敏感栅的总长度L为：其中，R为应变传感器的敏感栅的电阻值；b为应变传感器的敏感栅的宽度，b不大于0.1mm；t为应变传感器的敏感栅的厚度，t不大于0.1mm，ρ为应变传感的打印材料的电阻率。上述应变传感器，所述应变传感器的敏感栅为梳齿状。上述应变传感器，所述应变传感器的采用纳米金属材料制成。一种结构监测电路，所述结构监测电路安装在被监测结构内部，所述结构监测电路包括应变传感器，所述应变传感器采用3D打印技术制成，所述应变传感器的敏感栅的总长度L为：其中，R为应变传感器的敏感栅的电阻值；b为应变传感器的敏感栅的宽度，b不大于0.1mm；t为应变传感器的敏感栅的厚度，t不大于0.1mm，ρ为应变传感的打印材料的电阻率。上述结构监测电路，所述应变传感器与被监测结构之间设有绝缘层，所述绝缘层用于提高结构监测电路的稳定性。上述结构监测电路，所述结构监测电路还包括传输电路；所述传输电路的横截面积为S，所述传输电路的长度为l；传输电路采用纳米金属材料，的取值范围为10-6～10-7。上述结构监测电路，所述传输电路的厚度不大于0.2mm。上述结构监测电路，所述应变传感器和传输电路为3D打印一体成型。一种结构监测系统，包括被监测结构和结构监测电路，所述结构监测电路包括应变传感器和传输电路，所述被监测结构采用热压罐成型。上述结构监测系统，所述被监测结构采用纤维增强树脂基复合材料制成。一种结构监测系统制造方法，包括如下步骤：步骤一、在被监测第一结构上，涂覆第一绝缘层，使被监测第一结构表面平整；步骤二、采用3D打印技术在第一绝缘层上打印结构监测电路；所述结构监测电路包括应变传感器和传输电路；步骤三、采用激光固化技术使结构监测电路的纳米金属浆料固化；步骤四、在结构监测电路上涂覆第二绝缘层；将被监测第一结构、第一绝缘层、结构监测电路、第二绝缘层与被监测第二结构作为一个整体，放入热压罐二次胶接成型。上述结构监测系统制造方法，所述应变传感器和传输电路为3D打印一体成型。上述结构监测系统制造方法，所述应变传感器的敏感栅的总长度L为：其中，R为应变传感器的敏感栅的电阻值；b为应变传感器的敏感栅的宽度，b不大于0.1mm；t为应变传感器的敏感栅的厚度，t不大于0.1mm，ρ为应变传感的打印材料的电阻率。上述结构监测系统制造方法，所述传输电路的横截面积为S，所述传输电路的长度为l；传输电路采用纳米金属材料，的取值范围为10-6～10-7。本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果：(1)本专利技术传感器和传输电路的导电线路直接打印于结构表面或界面，线路宽度在几十微米到1毫米之间，线路厚度最小可到几微米，占用空间非常小，极大地减轻了结构重量，可用于飞行过程中的结构健康监测，从而实现飞行器全寿命周期结构健康监测；(2)本专利技术的传输电路直接打印，无需人工布线和贴片，打印过程由高精度机械臂控制，打印精度高，应变传感器的敏感栅的角度偏差远小于手工贴片，由此带来的测量误差极小；(3)本专利技术结构监测电路的传输线路与应变传感器一体化打印成型，省略了焊接传感器和传输线路的步骤，电路无缝对接，可靠性高，性能稳定；(4)本专利技术适用范围广，可以应用于任何连续曲面的结构的监测，也可应用于需高温固化的复合材料封闭结构内表面的监测；(5)本专利技术的结构监测电路耐高温，既能耐受制造过程中的高温固化，也能耐受使用过程中的环境高温，应用范围广。附图说明图1为全复合材料舵面被监测结构与结构监测电路示意图；图2为应变传感器和传输电路局部放大图；图3为应变传感器详细设计方案；图4为应变传感器详细尺寸设计；图5为等效电路电阻示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。一种结构监测电路，包括应变传感器和传输电路，应变传感器和传输电路均安装在被监测结构内部，被监测结构为纤维增强树脂基复合材料，被监测结构在生产过程中需采用热压罐成型，传输电路与应变传感器连接，传输电路用于传输应变传感器监测的信号，结构监测电路与被监测结构之间设有绝缘层，绝缘层用于防止结构监测电路的金属导电材料氧化或硫化，即绝缘层保证了传输电路的电阻率的稳定性，也保证了应变传感器的应变传感器的厚度的均匀性，避免了被监测结构表面的粗糙度对结构监测电路各部分电路厚度的影响。结构监测电路采用3D打印技术制成，所述应变传感器的敏感栅的总长度L为：其中，R为应变传感器的敏感栅的电阻值；b为应变传感器的敏感栅的宽度，b不大于0.1mm；t为应变传感器的敏感栅的厚度，t不大于0.1mm，ρ为应变传感器的打印材料的电阻率。具体的，应变传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应变传感器，其特征在于：所述应变传感器采用3D打印技术制成，所述应变传感器的敏感栅的总长度L为：

【技术特征摘要】
1.一种应变传感器，其特征在于：所述应变传感器采用3D打印技术制成，所述应变传感器的敏感栅的总长度L为：其中，R为应变传感器的敏感栅的电阻值；b为应变传感器的敏感栅的宽度，b不大于0.1mm；t为应变传感器的敏感栅的厚度，t不大于0.1mm，ρ为应变传感的打印材料的电阻率。2.根据权利要求1所述的一种应变传感器，其特征在于：所述应变传感器的敏感栅为梳齿状。3.根据权利要求1所述的一种应变传感器，其特征在于：所述应变传感器的采用纳米金属材料制成。4.一种结构监测电路，其特征在于：所述结构监测电路安装在被监测结构内部，所述结构监测电路包括应变传感器，所述应变传感器采用3D打印技术制成，所述应变传感器的敏感栅的总长度L为：其中，R为应变传感器的敏感栅的电阻值；b为应变传感器的敏感栅的宽度，b不大于0.1mm；t为应变传感器的敏感栅的厚度，t不大于0.1mm，ρ为应变传感的打印材料的电阻率。5.根据权利要求4所述的一种结构监测电路，其特征在于：所述应变传感器与被监测结构之间设有绝缘层，所述绝缘层用于提高结构监测电路的稳定性。6.根据权利要求4所述的一种结构监测电路，其特征在于：所述结构监测电路还包括传输电路；所述传输电路的横截面积为S，所述传输电路的长度为l；传输电路采用纳米金属材料，的取值范围为10-6～10-7。7.根据权利要求6所述的一种结构监测电路，其特征在于：所述传输电路的厚度不大于0.2mm。8.根据权利要求6所述的一种结构监测电路，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：田甜，代京，王悦，王福德，梁晓康，顾春辉，许健，吴迪，李晓乐，张帆，李丹圆，成磊，陈亦冬，唐青春，彭扬，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11