用于带有频率同步的结构健康监视的方法和系统技术方案

结构健康监视(“SHM”)方法、设备和技术涉及基于由光纤布拉格光栅传感器进行应变测量的网络来建立监视下的结构部件的表面上的形变场映射图(激励相关的振幅和相位)。

Methods and systems for structural health monitoring with frequency synchronization

The structural health monitoring (SHM) method, equipment and technology are based on the network of strain measurement based on fiber Prague grating sensor, and establish the deformation field mapping map on the surface of the monitored structural components (excitation related amplitude and phase).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于带有频率同步的结构健康监视的方法和系统
本专利技术的技术涉及结构健康监视(“SHM”)领域，并且更具体地涉及用于对复合材料、金属或其他结构的结构健康监视的方法和系统，该方法和系统基于通过扫描频率范围并且评估近共振的不同传感器的振幅(或者RMS值或峰-峰值)来测量处于测试下的表面上的形变场并且与(无缺陷)结构的初始值或以其他方式已知的标记进行比较。还更特别地，由本专利技术的示例性非限制实施例所提供的结构健康监视方法、设备和技术包括或涉及基于由光纤布拉格光栅传感器进行应变测量的网络来建立监视下的结构部件的表面上的形变场映射图(激励相关的振幅和相位)。
技术介绍
所有使用中的结构都可能需要适当的检查与维护，因此应当针对结构的完整性和健康状况而对它们进行监视以延长其使用寿命或者防止灾变性故障。人们已采用若干种技术来识别结构的故障或损伤。这类技术包括常规的目视检查以及无损的自动化技术，包括超声与涡流扫描、声发射和X射线检查。这类常规技术经常需要至少暂时性地从服役中取出结构以便检查。尽管仍广泛使用隔离位置的检查，但这种检查通常耗时且昂贵并且本身可能不适于在设备处于服役中的同时检查该设备，诸如飞行器。这类途径还具有其他缺陷并且可能不提供实施可靠的传感网络系统的有效在线方法来和/或在操作人员干预最小的情况下便能诊断、分类和/或预测结构状况的精确监视方法。随着传感器技术的进步，用于现场结构完整性监视的新诊断技术已经取得巨大的进展。典型地，这些新技术利用在主结构中内置适当传感器和致动器的传感系统。某些SHM系统使用“被动式”应变跟踪或者声发射监视技术。然而，在许多应用中，为了有效地检测损伤，被动式应变跟踪以及被动式声发射监视技术可能都需要连续监视。因此，如果发生电源故障或电源切断，则SHM系统可能被停用，这会变成劣势。此外，被动式应变跟踪以及被动式声发射监视可能都不会如预期那样敏感，由此可能不够精确和/或不够可靠。声发射监视技术的精确性和可靠性还可能受损于普遍的车辆噪声环境或其他环境。声发射监视技术的另一可能劣势在于，可能需要大量的数据存储。为了量化和定位损伤，应变跟踪技术可能需要有限元应变分布模型，利用该模型来比较所测量的整个结构上的应变分布，这就有可能提高开发成本。其他的SHM系统可以视为“主动式”系统，因为它们使用换能器来主动地激励和感测结构的振动特性。能够将这些振动特性与正常未损结构的已知或基线(并且因此预定的)振动特性进行比较；并且将差异用于确定结构的健康。具体地，在某些SHM系统中，能够通过计算每个致动器与传感器之间的传递函数来定义振动特性。然后，能够将传递函数与表示结构的正常“健康”状态的基线基准进行比较。该基线可以通过采集结构健康时的几组致动器/传感器数据并且计算诸如数据集的平均值和均方差的统计值来生成。然而，结构的温度变化有时可能导致这些主动式SHM系统错误地检测损伤。具体地，结构中的温度变化可能导致所测量的振动特性中的变化，这种变化会延续到从中计算出的传递函数。已知的技术通常遵循两种途径之一：一方面是信号激励与处理，另一方面是工作信号与结果。例如，已知的方法有：检测层压复合结构中的振动波的衰减特性的变化，以定位结构中的脱层区域。压电陶瓷装置能够用作致动器来生成振动波，并且具有不同光栅位置的光纤缆线能够用作传感器来捕捉或感测传播的波信号。这种类型系统的可能缺陷在于，其无法容纳大量的致动器阵列，因此致动器和传感器中的每一个均须单独放置。由于损伤检测基于沿着致动器与传感器之间的视线路径传播的振动波的变化，这样的方法可能无法检测到位于路径之外和/或结构边界周围的损伤。另一种用于损伤检测的已知途径使用自容式共形电路，用于结构健康监视与评定。这样的共形电路可以例如由一系列应变传感器的叠层和迹线组成，其中，每个传感器测量其对应位置处的应变变化，以识别共形结构的缺陷。共形电路可以例如包括被动式系统，即其不具有任何用于生成信号的致动器。另一种示例的被动式传感网络系统可以使用压电陶瓷光纤传感系统，其具有嵌入复合结构中的平面型光纤。这些和其他被动方法的可能缺点在于，它们无法监视内部脱层以及传感器之间的损伤。此外，这些方法通常仅在贴附自容式电路和压电陶瓷光纤的局部区域中才能检测其主结构的状况。另一种令人感兴趣的用于检测结构中损伤的方法使用了传感网络层，称作斯坦福多致动器接收器换能层(StanfordMulti-Actuator-ReceiverTransduction(SMART)Layer)。SMART包括等距放置且固化有柔性介电膜的压电陶瓷传感器/致动器，所述介电膜夹住压电陶瓷传感器/致动器(压电陶瓷器件)。致动器生成声波，并且传感器接收声波且将声波转换成电信号。为将压电陶瓷器件连接到电子盒，金属包芯导线使用常规的柔性电路蚀刻而成并且层压在基材之间。因此，可能需要相当大的柔性基材面积来覆盖包芯导线区域。此外，SMART可能需要固化有它的由层压复合层制成的主结构。由于固化过程中的高温循环所致的内应力，SMART中的压电陶瓷可能微破裂。此外，SMART的基材有时会容易与主结构分离。此外，可能难以将SMART插入或附接到它的具有弯曲区段的主结构，并且因此，施加于弯曲区段的压缩负载有时会容易使包芯导线折叠。破裂的压电陶瓷以及折叠的导线可能易受电磁干扰噪声的影响并且提供误导性的电子信号。在诸如热应力、场冲击和振动的不良环境中，SMART可能并不一定是用于监视结构健康的稳健工件而是不可靠工具。另外，置换受损伤和/或有缺陷的致动器/传感器有时可能费用高昂，因为可能需要拆卸主结构。另一种已知的致动器和传感器系统已知与复合结构一起使用，尤其是碳纤维增强塑料结构与特别是用于主动减振和/或形状控制目的的压电陶瓷致动器以及特别是应变测量传感器形式的光纤布拉格光栅传感器一起使用。压电陶瓷致动器被设计成压电光纤模块，并且光纤布拉格光栅传感器被至少部分地嵌入到压电光纤模块中。另外一种已知的用于监视结构健康状况的解调(interrogation)系统包括用于生成波信号的至少一个波发生器以及应用于该结构的光纤传感器。解调系统还包括至少一个电子模块，用于生成输入传感器信号并且将该输入传感器信号发送至光纤传感器。每个光纤传感器均将波信号外加到输入传感器信号上，以生成与输入传感器信号频移的输出传感器信号。电子模块响应于输出传感器信号而生成信息信号。解调系统还包括信号处理单元和继电器开关阵列模块。每个继电器开关均将信息信号中继到信号处理单元，并且信号处理单元生成数字传感器信号，随后将该数字传感器信号发送至计算机。另外一种用于监视对具有致动器和传感器的结构的损伤的已知方法包括：在预定频率范围内激励致动器以激励结构，响应于使用传感器来激励致动器而在预定频率范围内测量该结构的振动特性，使用所测量的振动特性来计算用于致动器和传感器的传递函数，使用该传递函数来确定预定频率范围内的振动特性的变化，以及分析所确定的预定频率范围内的振动特性的变化，以便于确定结构是否受到损伤。其他已知的用于监视主结构的结构健康状况的装置包括至少一个光纤传感器和电子模块。光纤传感器包括操作用于生成通过光纤的光信号的频移的成卷光纤缆线以及涂覆到该成卷光纤缆线的涂层。该频移与主结构的振动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于结构部件的结构健康监视(SHM)的方法，包括：a)在预定频率范围内使用CW(连续波)来激励至少一个致动器以激励所述结构部件，以便生成动态的形变场，所述形变场在与施加于多个光纤布拉格光栅(FBG)传感器上的电位差相同的频率下具有以正弦曲线定义的变化，所述多个光纤布拉格光栅传感器分布在附接到所述结构部件的表面的FBG传感器的网络中，由此使致动与探测同步，以使用所述多个光纤布拉格光栅来获得应变测量的同相和异相测量分辨率；b)使用所述多个传感器来测量所述形变场；b)对所述形变场的测量结果进行滤波，以仅选择所述形变场的、与由所述致动器生成的正弦致动相关联的部分；c)至少部分地响应于所述形变场的滤波测量结果，生成指示了表面应变的振幅和相位的二维映射图，所述映射图基于所述多个传感器的振幅和相位；d)针对多个频率重复该程序；e)比较通过不同频率所获得的二维映射图，以便探测结构损伤；以及f)借助模式识别方法，进行如此获得的二维场形变映射图的计算分析，以便识别结构损伤。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.28 US 14/526,2261.一种用于结构部件的结构健康监视(SHM)的方法，包括：a)在预定频率范围内使用CW(连续波)来激励至少一个致动器以激励所述结构部件，以便生成动态的形变场，所述形变场在与施加于多个光纤布拉格光栅(FBG)传感器上的电位差相同的频率下具有以正弦曲线定义的变化，所述多个光纤布拉格光栅传感器分布在附接到所述结构部件的表面的FBG传感器的网络中，由此使致动与探测同步，以使用所述多个光纤布拉格光栅来获得应变测量的同相和异相测量分辨率；b)使用所述多个传感器来测量所述形变场；b)对所述形变场的测量结果进行滤波，以仅选择所述形变场的、与由所述致动器生成的正弦致动相关联的部分；c)至少部分地响应于所述形变场的滤波测量结果，生成指示了表面应变的振幅和相位的二维映射图，所述映射图基于所述多个传感器的振幅和相位；d)针对多个频率重复该程序；e)比较通过不同频率所获得的二维映射图，以便探测结构损伤；以及f)借助模式识别方法，进行如此获得的二维场形变映射图的计算分析，以便识别结构损伤。2.根据权利要求1所述的方法，其中，致动的频率不同于与主负载和次负载以及所述结构部件中的温度变化相关联的频率范围。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述滤波不仅排除振幅而且还排除相位，并且仅在所述致动器的馈入中使用的正弦信号的特定频率下进行。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括：获得基线二维形变场映射图，以便当监视中的所述结构元件无缺陷或者具有已知缺陷时进行比较。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法大体上不受结构部件温度的变化的影响。6.一种用于结构部件的结构健康监视(SHM)...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·安谢塔·达席尔瓦，费尔南多·多塔，洛迪耶·雅克·德莫赖斯达科斯塔，阿瑟·马丁斯·巴尔博萨·布拉加，卢伊·卡洛斯·格德斯·巴伦特，丹尼尔·拉莫斯·洛扎达，莱奥纳尔多·萨利维尼，保拉·梅代罗斯·普罗恩萨·戴戈维亚，
申请(专利权)人：埃姆普里萨有限公司，天主教大学，
类型：发明
国别省市：巴西,BR