一种基于导电聚合物涂层阵列的结构健康监测系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于导电聚合物涂层阵列的结构健康监测系统，包括基体结构、导电涂层单元、导电涂层阵列、连线节点、导线、电信号采集及处理子系统、损伤识别及定位子系统、损伤评估及预警子系统和维护决策及状态信息记录子系统；该导电涂层阵列通过连线节点与导线相连；导线连接在电信号采集及处理子系统上；电信号采集及处理子系统与损伤识别及定位子系统进行信息传递；损伤识别及定位子系统与损伤评估及预警子系统进行信息传递；损伤评估及预警子系统与维护决策及状态信息记录子系统进行信息传递；本发明专利技术有效地提高关键重要装备的安全性和可靠性，避免事故发生，同时具有重量轻、集成度高、成本低的优点，具有非常广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于导电聚合物涂层阵列的结构健康监测系统
本专利技术涉及一种结构健康系统，尤其涉及一种基于导电聚合物涂层阵列的结构健康监测系统，属于结构健康监测

技术介绍
轻量化是节能减排的有效途径，因此飞机、高铁、汽车、轮船等装备纷纷开始减轻重量，以纤维增强复合材料、铝合金为代表的轻质材料结构应用越来越广泛，这些轻质结构的安全性是人们关注的热点之一。结构健康监测技术是一种在线的、实时的安全检测技术，应用于飞机、高铁等装备中，不但有助于提高结构或设备的安全可靠性、降低维护成本、延长使用寿命，而且有利于结构服役信息的采集和优化设计。但是，目前的结构健康监测系统存在着传感器数量多、成本高、结构复杂、设备负重大、集成度低等问题。涂装是零部件制造中必不可少的一环，涂层是结构件表面的重要部分。利用碳纳米管、石墨烯等材料的优异导电性能，获得具有导电能力的涂层，并将其与结构健康监测技术结合，可以实现监测系统的一体化和轻量化，应用前景非常广阔。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术为了解决上述
技术介绍
中的问题，提供一种轻量化、集成化、配备简单的损伤和失效监测系统，其是利用碳纳米管、石墨烯、炭黑等碳系填充导电聚合物涂层的力-阻特性，通过涂层阵列成一定的图案而形成传感网络，基于此传感网络实现结构损伤和失效的定量监测。2、技术方案：本专利技术一种基于导电聚合物涂层阵列的结构健康监测系统，使用导电涂层替代传统的损伤检测传感器，通过涂层阵列的方式实现组网，获得传感网络，基于此传感网络，设置信号采集及处理子系统、损伤识别及定位子系统、损伤评估及预警子系统和维护决策及状态信息记录子系统，实现结构损伤的定量监测、评估和决策，整个系统为基于BP神经网络理论、遗传算法等的理论与实验数据及有限元仿真分析结果相结合的智能监测系统；如附图1所示，本专利技术一种基于导电聚合物涂层阵列的结构健康监测系统，该系统包括基体结构、导电涂层单元、导电涂层阵列、连线节点、导线、电信号采集及处理子系统、损伤识别及定位子系统、损伤评估及预警子系统和维护决策及状态信息记录子系统；它们之间的关系是：该基体结构与由多个导电涂层单元构成的导电涂层阵列紧密结合；导电涂层阵列通过连线节点与导线相连；导线连接在电信号采集及处理子系统上；电信号采集及处理子系统与损伤识别及定位子系统进行信息传递；损伤识别及定位子系统与损伤评估及预警子系统进行信息传递；损伤评估及预警子系统与维护决策及状态信息记录子系统进行信息传递；所述基体结构为被监测的部件，金属材料或者非金属材料结构都可以作为被监测结构，尤其适用于树脂基纤维增强复合材料结构的内部损伤和微裂纹的监测；其形状可以为板类、梁类以及圆壳类结构；在该基体结构表面制备导电涂层之前，需要对该基体结构进行一定的预处理，如进行除油、清洗等，然后先在该基体结构表面喷涂一层不导电的底漆，底漆材料为环氧树脂、醇酸树脂、氨基树脂、酚醛树脂等高分子类材料，起到保护该基体结构和绝缘的作用；所述导电涂层单元为聚合物基体的导电涂层，其形状可以为方形、菱形、圆形等，优选方形；通过在环氧树脂、聚脲、聚氨酯等聚合物基体中添加多壁碳纳米管、炭黑、石墨烯等导电性优异的碳系填料，优选多壁碳纳米管；通过力-电耦合有限元仿真分析，确定导电性和力学性能双优的添加量和填料的单体尺寸参数(长径比、直径等)；首先将碳系填料与涂料基体(即不导电的底漆，如环氧树脂)混合并搅拌均匀，然后使用超声波振动分散、三辊碾轧分散等方法使碳系填料进一步分散均匀，优选三辊碾轧分散法，辊间间距为5微米，循环次数为20次，加入固化剂等，获得导电聚合物涂料，喷涂或者手工涂覆于基体结构表面，也可以使用喷墨打印方式印刷于基体结构表面；所述导电涂层阵列是由多个规则形状的导电涂层单元组成，通过喷涂或者喷墨打印方式的方式制备于该基体结构表面；该导电涂层单元之间通过接触实现电路导通，不需要导线，仅在导电涂层阵列的端部设置导线；该导电涂层阵列的形式，根据样件动态冲击和静态拉压弯荷载的试验结果，选择损伤与该导电涂层电阻变化间对应关系明确，电阻变化灵敏度(电阻变化值与应变的比值)高的方案；所述连线节点为导电涂层阵列端部的导电点，通过喷涂或者喷墨打印方式的方式制备于该基体结构表面，用于连接导线和导电涂层阵列；所述导线为导电性良好的市购导线，优选带有屏蔽层的铜质导线；所述电信号采集及处理子系统采用单片机控制定期巡检的方式或者实时在线的方式，可以为恒定电压测电流，或者恒定电流测电压的采集方式，系统中配有信号滤波降噪模块，主要作用是导电涂层阵列的电信号采集与处理；该电信号采集及处理子系统是由电阻元件、信号放大器、电路板、STM32单片机、数据存储模块、USB接口模块等组成；它们相互之间的关系是：电阻元件、信号放大器、STM32单片机、数据存储模块和USB接口模块集成安装于电路板之上；该电阻元件为市购件，具体型号根据导电涂层的总面积而定，其功能是测量电压或电流的变化；该信号放大器为市购件，具体型号根据实际应用环境的信号噪声情况而定，其功能是电信号放大和滤波降噪；该电路板为自制件，采用覆铜板制作，其功能是固定元器件和连通线路；该STM32单片机为市购件，具体型号根据被监测的结构大小而定，其功能是数据处理和计算，内部嵌入电信号采集及处理程序，是电信号采集及处理子系统的控制器；该数据存储模块为市购件，具体型号根据实际存储数据量大小而定，其功能是存储导电涂层阵列的电信号数据；该USB接口模块为市购件，具体型号根据数据传输率而定，其功能是电信号采集及处理子系统的数据读取；所述损伤识别及定位子系统采用基于BP神经网络理论、遗传算法等的人工智能算法与有限元反演相结合的方法来判断量化损伤和确定损伤位置，并具有误差分析功能，损伤识别及定位子系统的数据来源于电信号采集及处理子系统，通讯方式可以为有线连接，也可以采用无线通讯，优选基于IEEE802.15.4标准的紫蜂(ZigBee)无线通讯方式；该损伤识别及定位子系统是由电路板、STM32单片机、数据存储模块、USB接口模块、数据通信模块等组成；它们相互之间的关系是：STM32单片机、数据存储模块、USB接口模块和数据通信模块集成安装于电路板之上；该电路板为自制件，采用覆铜板制作，其功能是固定元器件和连通线路；该STM32单片机为市购件，具体型号根据被监测的结构大小而定，其功能是数据处理和计算，内部嵌入损伤识别及定位程序，是损伤识别及定位子系统的控制器；该数据存储模块为市购件，具体型号根据实际存储数据量大小而定，其功能是存储结构损伤的数据；该USB接口模块为市购件，具体型号根据数据传输率而定，其功能是损伤识别及定位子系统的数据读取；该数据通信模块为市购件，具体型号根据损伤识别及定位子系统的通讯方式而定，其功能是损伤识别及定位子系统与损伤评估及预警子系统之间的数据传输；所述损伤评估及预警子系统根据损伤识别及定位子系统提供的信息进行损伤评估，评估的依据来源于实验测试数据和有限元仿真结果，对损伤进行评级，设定预警门槛值，超过门槛值时，发出预警信息；数据通讯方式可以为有线连接，也可以采用无线通讯，优选基于IEEE802.15.4标准的紫蜂(ZigBee)无线通讯方式；该损伤评估及预警子系统是由电路板、STM32单片机、数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于导电聚合物涂层阵列的结构健康监测系统，其特征在于：该系统包括基体结构、导电涂层单元、导电涂层阵列、连线节点、导线、电信号采集及处理子系统、损伤识别及定位子系统、损伤评估及预警子系统和维护决策及状态信息记录子系统；它们之间的关系是：该基体结构与由多个导电涂层单元构成的导电涂层阵列紧密结合；导电涂层阵列通过连线节点与导线相连；导线连接在电信号采集及处理子系统上；电信号采集及处理子系统与损伤识别及定位子系统进行信息传递；损伤识别及定位子系统与损伤评估及预警子系统进行信息传递；损伤评估及预警子系统与维护决策及状态信息记录子系统进行信息传递；所述基体结构为被监测的部件，金属材料及非金属材料结构都能作为被监测结构，尤其适用于树脂基纤维增强复合材料结构的内部损伤和微裂纹的监测；其形状为板类、梁类以及圆壳类结构；在该基体结构表面制备导电涂层之前，需要对该基体结构进行预处理，如进行除油、清洗，然后先在该基体结构表面喷涂一层不导电的底漆，底漆材料为环氧树脂、醇酸树脂、氨基树脂和酚醛树脂高分子类材料，起到保护该基体结构和绝缘的作用；所述导电涂层单元为聚合物基体的导电涂层，其形状为方形、菱形和圆形，优选方形；通过在环氧树脂、聚脲、聚氨酯诸聚合物基体中添加多壁碳纳米管、炭黑和石墨烯诸导电性优异的碳系填料，优选多壁碳纳米管；通过力‑电耦合有限元仿真分析，确定导电性和力学性能双优的添加量和填料的单体尺寸参数即长径比和直径；首先将碳系填料与涂料基体即不导电的底漆，如环氧树脂混合并搅拌均匀，然后使用超声波振动分散和三辊碾轧分散的方法使碳系填料进一步分散均匀，优选三辊碾轧分散法，辊间间距为5微米，循环次数为20次，加入固化剂，获得导电聚合物涂料，喷涂及手工涂覆于基体结构表面，也能使用喷墨打印方式印刷于基体结构表面；所述导电涂层阵列是由预定个规则形状的导电涂层单元组成，通过喷涂及喷墨打印方式中的一种方式制备于该基体结构表面；该导电涂层单元之间通过接触实现电路导通，不需要导线，仅在导电涂层阵列的端部设置导线；该导电涂层阵列的形式，根据样件动态冲击和静态拉压弯荷载的试验结果，选择损伤与该导电涂层电阻变化间对应关系明确，电阻变化灵敏度高的方案；所述连线节点为导电涂层阵列端部的导电点，通过喷涂及喷墨打印方式中的一种方式制备于该基体结构表面，用于连接导线和导电涂层阵列；所述导线为导电性良好的市购导线，优选带有屏蔽层的铜质导线；所述电信号采集及处理子系统采用单片机控制定期巡检的方式或者实时在线的方式，为恒定电压测电流，及恒定电流测电压的采集方式，系统中配有信号滤波降噪模块，主要作用是导电涂层阵列的电信号采集与处理；该电信号采集及处理子系统是由电阻元件、信号放大器、电路板、STM32单片机、数据存储模块和USB接口模块组成；该电阻元件、信号放大器、STM32单片机、数据存储模块和USB接口模块集成安装于电路板之上；该电阻元件为市购件，具体型号根据导电涂层的总面积而定，其功能是测量电压或电流的变化；该信号放大器为市购件，具体型号根据实际应用环境的信号噪声情况而定，其功能是电信号放大和滤波降噪；该电路板为自制件，采用覆铜板制作，其功能是固定元器件和连通线路；该STM32单片机为市购件，具体型号根据被监测的结构大小而定，其功能是数据处理和计算，内部嵌入电信号采集及处理程序，是电信号采集及处理子系统的控制器；该数据存储模块为市购件，具体型号根据实际存储数据量大小而定，其功能是存储导电涂层阵列的电信号数据；该USB接口模块为市购件，具体型号根据数据传输率而定，其功能是电信号采集及处理子系统的数据读取；所述损伤识别及定位子系统采用基于BP神经网络理论和遗传算法诸人工智能算法与有限元反演相结合的方法来判断量化损伤和确定损伤位置，并具有误差分析功能，损伤识别及定位子系统的数据来源于电信号采集及处理子系统，通讯方式为有线连接，也采用无线通讯，优选基于IEEE802.15.4标准的紫蜂即ZigBee无线通讯方式；该损伤识别及定位子系统是由电路板、STM32单片机、数据存储模块、USB接口模块和数据通信模块组成；该STM32单片机、数据存储模块、USB接口模块和数据通信模块集成安装于电路板之上；该电路板为自制件，采用覆铜板制作，其功能是固定元器件和连通线路；该STM32单片机为市购件，具体型号根据被监测的结构大小而定，其功能是数据处理和计算，内部嵌入损伤识别及定位程序，是损伤识别及定位子系统的控制器；该数据存储模块为市购件，具体型号根据实际存储数据量大小而定，其功能是存储结构损伤的数据；该USB接口模块为市购件，具体型号根据数据传输率而定，其功能是损伤识别及定位子系统的数据读取；该数据通信模块为市购件，具体型号根据损伤识别及定位子系统的通讯方式而定，其功能是损伤识别及定位子系统与损伤评估...

【技术特征摘要】
1.一种基于导电聚合物涂层阵列的结构健康监测系统，其特征在于：该系统包括基体结构、导电涂层单元、导电涂层阵列、连线节点、导线、电信号采集及处理子系统、损伤识别及定位子系统、损伤评估及预警子系统和维护决策及状态信息记录子系统；它们之间的关系是：该基体结构与由多个导电涂层单元构成的导电涂层阵列紧密结合；导电涂层阵列通过连线节点与导线相连；导线连接在电信号采集及处理子系统上；电信号采集及处理子系统与损伤识别及定位子系统进行信息传递；损伤识别及定位子系统与损伤评估及预警子系统进行信息传递；损伤评估及预警子系统与维护决策及状态信息记录子系统进行信息传递；所述基体结构为被监测的部件，金属材料及非金属材料结构都能作为被监测结构，尤其适用于树脂基纤维增强复合材料结构的内部损伤和微裂纹的监测；其形状为板类、梁类以及圆壳类结构；在该基体结构表面制备导电涂层之前，需要对该基体结构进行预处理，如进行除油、清洗，然后先在该基体结构表面喷涂一层不导电的底漆，底漆材料为环氧树脂、醇酸树脂、氨基树脂和酚醛树脂高分子类材料，起到保护该基体结构和绝缘的作用；所述导电涂层单元为聚合物基体的导电涂层，其形状为方形、菱形和圆形，优选方形；通过在环氧树脂、聚脲、聚氨酯诸聚合物基体中添加多壁碳纳米管、炭黑和石墨烯诸导电性优异的碳系填料，优选多壁碳纳米管；通过力-电耦合有限元仿真分析，确定导电性和力学性能双优的添加量和填料的单体尺寸参数即长径比和直径；首先将碳系填料与涂料基体即不导电的底漆，如环氧树脂混合并搅拌均匀，然后使用超声波振动分散和三辊碾轧分散的方法使碳系填料进一步分散均匀，优选三辊碾轧分散法，辊间间距为5微米，循环次数为20次，加入固化剂，获得导电聚合物涂料，喷涂及手工涂覆于基体结构表面，也能使用喷墨打印方式印刷于基体结构表面；所述导电涂层阵列是由预定个规则形状的导电涂层单元组成，通过喷涂及喷墨打印方式中的一种方式制备于该基体结构表面；该导电涂层单元之间通过接触实现电路导通，不需要导线，仅在导电涂层阵列的端部设置导线；该导电涂层阵列的形式，根据样件动态冲击和静态拉压弯荷载的试验结果，选择损伤与该导电涂层电阻变化间对应关系明确，电阻变化灵敏度高的方案；所述连线节点为导电涂层阵列端部的导电点，通过喷涂及喷墨打印方式中的一种方式制备于该基体结构表面，用于连接导线和导电涂层阵列；所述导线为导电性良好的市购导线，优选带有屏蔽层的铜质导线；所述电信号采集及处理子系统采用单片机控制定期巡检的方式或者实时在线的方式，为恒定电压测电流，及恒定电流测电压的采集方式，系统中配有信号滤波降噪模块，主要作用是导电涂层阵列的电信号采集与处理；该电信号采集及处理子系统是由电阻元件、信号放大器、电路板、STM32单片机、数据存储模块和USB接口模块组成；该电阻元件、信号放大器、STM32单片机、数据存储模块和USB接口模块集成安装于电路板之上；该电阻元件为市购件，具体型号根据导电涂层的总面积而定，其功能是测量电压或电流的变化；该信号放大器为市购件，具体型号根据实际应用环境的信号噪声情况而定，其功能是电信号放大和滤波降噪；该电路板为自制件，采用覆铜板制作，其功能是固定元器件和连通线路；该STM32单片机为市购件，具体型号根据被监测的结构大小而定，其功能是数据处理和计算，内部嵌入电信号采集及处理程序，是电信号采集...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立军，孙凌玉，孙正嘉，周于曦，周于晨，
申请(专利权)人：北京航数车辆数据研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11