【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及结构诊断学，特别是涉及用于结构健康状况监测的诊断网络 补丁(面P)系统。相关申请本申请享有美国临时申请号60/505， 120的优先权，其名称为用于结构 健康监测的传感器和系统，申请日为2003年9月22日，其内容全部包括 在本专利技术中。
技术介绍
所有的正在使用的结构都需要进行适当地检查和维护，需要对其完整性 和健康状况进行检查，以延长它们的寿命，防止形成灾难性的故障。显然， 结构健康监测已经成为当今的一个重要课题。人们采用了大量的方法来鉴别结构的缺陷或损坏，这些方法包括传统的目视检查和非破坏性技术，例如 超声波和涡流扫描、声发射以及X射线检查。这些传统的方法至少需要将正 在服务的结构临时移开以便进行检测。虽然这些方法仍用于单独位置的检测， 但是它们很费时而且费用很高。随着传感器技术的发展，新的用于现场结构完整性监测的诊断技术有了 很大的发展。典型的是，这些新技术利用设置在主体结构内的、带有合适的 传感器和激励器的传感系统。但是，这些方法存在的缺点在于，在最小的人 为操作的干涉下，不能提供有效的执行可靠的传感器网络系统的在线方法以 及/或精确的...
【技术保护点】
一种用于监测结构健康状况的装置，其特征在于包括：绝缘层；连接在底层上的至少一个缓冲层；连接在至少一个缓冲层上的压电装置，所述的压电装置能够产生和接收信号；一个设置在所述的压电装置上的模塑层；一个设置在所述模塑层上的覆盖层；以及连接压电装置的两根电线。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-9-22 60/505,120，而且对本发明的 权利要求没有限制。图1A是本发明的一个实施例中的补丁传感器100的顶部示意图。图1B 是图1A中的补丁传感器100沿A-A方向的剖面图。如图1A和图1B所示，补丁传感器100包括能够附在主体结构上的底层102;环形层104;用于产生和/或接收信号(更确切地说是拉姆(Lamb)波)的压电装置108;用于提供机 械阻抗匹配以及减小底层102和压电装置108之间热应力不匹配的缓冲层 110;连接压电装置108的两根电线118a和118b;以及用于对模塑层120进 行保护和密封的覆盖层106。压电装置108包括压电层116;与电线118b连 接的底部传导片112和与电线118a连接的顶部传导片114。当通过电线118a 和118b施加预设的电信号时，压电装置108可以作为激励器(或者相当于信 号发生器)来工作。在施加电信号后，压电层116会变形并产生拉姆(Lamb) 波。而且，压电装置108可以作为接收器，来感知振动信号、将施加到压电层 的振动信号转变为电信号并通过电线118a和118b来传递电信号。电线118a 和118b可以是薄带形的金属线。底层102可以通过结构粘合剂特别是热固性环氧树脂，例如丁基苯酚、 丙烯酸聚酰亚胺，丁腈酚醛树脂或芳香族聚酰胺粘贴在主体结构上。底层102 可以是绝缘层，用于隔热和防止电磁干涉，以保护附在其上的压电装置108。 在某些应用中，绝缘层102需要耐250'C以上的高温。而且，绝缘层102应该具有低的介电常数，以减小信号传播延迟以及压 电装置108与其主体结构之间的互联电容和串音，还应具有高的阻抗，以减 少在高频下的能量损失。底层102可以由多种材料制成。优选将美国特拉华州威尔明顿市杜邦公 司的Kapton聚酰亚胺用于一般用途，而将其它三种材料特氟隆全氟烷氧 基聚合物(Teflon perfluoroalkoxy， PFA)、聚对二甲苯(poly p-xylylene， PPX)和聚苯并咪唑(poly benzimidazole， PBI)用于特殊用途。例如，PFA 膜具有良好的介电性能和较低的介电损耗，适用于低电压、高温的场合。PPX -和PBI在高温下具有稳定的介电强度。压电层116可以由压电的陶瓷、晶体或聚合物制成。压电晶体，如宾西 法尼亚州州立大学TRS陶瓷有限公司(TRS Ceramics, Inc.)生产的PZN-PT 晶体，由于其高应变能密度和低应变滞后，所以可以优选作为设计压电装置 108的材料。对于小规格的补丁传感器，日本东京的富士陶瓷有限公司(Fuji Ceramic Corporation)或宾西法尼亚州Mackeyville的APC国际有限公司 (APC International, Ltd.)生产的PZT陶瓷可以用作压电层116。顶部和 底部传导片H2和114可以由金属材料如铬或金制成，可以通过传统的喷 镀方法镀在压电层116上。如图1B所示，压电装置108只有两个传导片。但 是，普通的技术人员清楚地知道，压电装置108可以有具有不同厚度的多个 传导片，以优化压电层116产生/检测信号波的性能。每一片的厚度可以通过 安装有补丁传感器100的特定主体结构的热负荷和机械负荷的约束条件来决 定。为了维持温度循环，压电装置108的每一层都要具有与其它层相近的热 膨胀系数。但是，组成底层102的典型的聚酰亚胺的热膨胀系数约为(4 6) Xl(T5K.l，而组成压电层116的典型的压电陶瓷/晶体的热膨胀系数约为3X 10—fiK—'。这种热膨胀的不匹配可能是导致压电装置108发生故障的主要原因。 压电装置108出现故障时，需要将补丁传感器100从主体结构上取下来进行 更换。前面己经提到，缓冲层110可以用来减小压电层116和底层102的热 膨胀系数不匹配的负面作用。缓冲层110可以由导电的聚合物或金属制成，优选的为热膨胀系数为2xicnr的铝(Ai)。由铝、硅或石墨制成的一层或多层缓冲层可以用来代替缓沖层110或加到缓冲层110上。在本发明的一个实施例中，由铝制成的缓冲层110的厚度几乎等于压电 层116的厚度，约为0.25mm包括两个厚度各约为0.05mm的传导片。通常， 缓冲层110的厚度可以由材料的性质和相邻层的厚度来决定。缓冲层110可以增强压电装置108的双重功能耐热负荷性和稳定性。 在另一个实施例中，压电装置108在顶部传导片114上还有一个缓冲层。缓冲层110的另一个作用是对底层102所接收的信号进行放大。由于由 补丁传感器IOO所产生的Lamb波信号沿着主体结构传播，由附着在主体结构 '上的另一个补丁传感器100所接收的信号强度会随着两个补丁传感器之间距 离的增加而下降。当Lamb波到达补丁传感器100所在的位置时，底层102会接收信号。然后，在特定的频率下，所接收的信号被放大，这取决于缓冲 层110的材料和厚度。之后，压电装置108会将放大的信号转化为电信号。由于湿气、移动的离子和不利的环境条件会降低补丁传感器100的性能并减少其寿命，所以可以使用两个保护性的涂层 一个模塑层120和一个覆盖层106。模塑层120可以由环氧树脂、聚酰亚胺或硅-聚酰亚胺通过普通的 涂覆方法制成。而且，模塑层120可以由低热膨胀的聚酰亚胺制成，并设置 在压电装置108和底层102上。由于模塑层120的钝化不能形成保形密封 (conformal hermetic seal)，所以可以将覆盖层106设置在模塑层120 上作为密封。覆盖层106可以由金属例如镍(Ni)、铬(Cr)或银(Ag)通过传 统的方法，例如电解法或电子束蒸镀和溅镀方法制成。在本发明的一个实 施例中，可以在覆盖层106上再覆盖一层环氧树脂或聚酰亚胺树脂薄膜，形 成保护层，防止刮擦和裂纹。环形层104可以由介电绝缘材料，例如氮化硅或玻璃制成，并环绕安装 在底层102上的压电装置108的周围，以防止压电装置108的导电元件短路。图1C为压电装置130的顶部示意图，这是本领域中的一种常规装置，可 以用来代替压电装置108。图1D是图1C中的压电装置130沿B-B方向的剖面图。如图1C和图1D 所示，压电装置130包括底部传导片134;压电层136;与电线138b连接 的顶部传导片132;与电线138a连接的连接片142，以及将连接片142连接 到底部传导片134上的传导部144。顶部传导片132可以通过槽140与连接 片142电隔离。图1E为本发明的另一个实施例中的补丁传感器150的顶部剖视图。图 1F为图lE中的补丁传感器150的恻面剖视图。如图1E和图1F所示，补丁传感器150可以包括底层151;顶层152;环形层154;压电装置156;顶部和底部缓冲层160a和160b;两根与压电装置108连接的电线158a和158b。 压电装置156包括压电层164;与电线158b连接的底部传导片166;与电 线158a连接的顶部传导片162。补丁传感器150的元件的功能和材料可以与 补丁传感器100的功能和材料相同。每个缓冲层160a和160b可以包括多于 一个的子层，每个子层可以由聚合物或金属构成。顶层152可以由与底层102 -相同的材料制成。补丁传感器150可以被贴附于主体结构上用来监测结构的健康状况。而且，补丁传感器150可以被设置在层压结构中。图1G为内部设置有补丁传感 器150的复合结构170的剖面示意图。如图1G所示，主体结构包括多个板 层172;以及设置在多个板层172中的至少一个补丁传感器150。在一个实 施例中，在进行制备之前，可以在板层172中充满粘合材料，例如环氧树脂。 在制备过程中，板层172中的粘合材料会充满空穴174。为了避免粘合材料 聚集，环形层154的形状应该能够充满空穴174。图1H为图IE中的补丁传感器150的另一个实施例180的侧面剖视图。如图所示，补丁传感器180包括底层182;顶层184;环形层198;压电装置190;顶部和底部缓冲层186和188;以及压电装置190。为了简化起见， 与压电装置190连接的两根电线在图中没有表示出。压电装置190可以包括 压电层196;底部传导片194和顶部传导片192。补丁传感器180的元件的功 能和所使用的材料可以与补丁传感器150的元件的功能和所使用的材料相同。环形层198可以有一个或多个具有不同尺寸的子层197，使环形层198的 外轮廓可以与空穴174的形状相匹配。通过将子层197填入空穴174中，可 以使粘合材料在复合结构170的加工过程中不会聚积。图2A为根据本发明的一个实施例的混合式(hybrid)补丁传感器200 的顶部剖面图。图2B为图2A中的沿C-C方向的剖面图。如图2A和图2B所 示，混合式补丁传感器200包括能够贴附在主体结构上的底层202;环形 层204;压电装置208;有两个末端214a和214b的光纤线圈210;缓冲层216; 两根与压电装置208连接的电线212a和212b;模塑层228;以及覆盖层206。 压电装S208包括压电层222;与电线212b连接的底部传导片220;与电 线212a连接的顶部传导片218。在本发明的另一个实施例中，压电装置208 与图1C中的压电装置130相同。光纤线圈210包括巻制的光纤电线224 和涂层226。混合式补丁传感器200的元件可以与补丁传感器100的元件相 同。光纤线圈210可以是Sagnac干涉仪，用于接收Lamb波信号。由Lamb波 所引起的作用在主体结构表面的弹性应力会叠加到由弯曲和拉力所引起的光 -缆224内预先存在的应力上。因此，光通过光缆224传播时的频率/相的变化 量取决于光缆224的总长度。在本发明的一个实施例中，考虑到光纤线圈210的良好的抗电磁干扰性和防振动噪音能力，可以将光纤线圈210作为主传感器而将压电装置208作为辅助传感器。光纤线圈210利用关于光通过巻制的光缆224传播的多普勒效应原理。 对于光纤线圈210的每个环来说，光纤环的内侧在压力作用之下而外侧在张 力作用之下，这些压力和张力会对光缆224产生应力。由Lamb波所引起的主 体结构的振动位移或应力会叠加到光纤224的张力应力上。根据双折射方程， 光缆224的涂层表面的反射角是压力和/或张力所导致的应力的函数。因而， 每个光纤环的内侧和外侧会形成不同于直光纤的反射角，因此，随着光在光 纤线圈210内的传播，光的频率会根据Umb波的相对弯曲位移从中心输入 频率处偏移。在本发明的一个实施例中，光纤线圈210可以包括10 20圈光纤电缆 224，而且其环形直径236的最小值di为10mm。在光纤线圈210的最内环和 压电装置208的外围之间存在一个间隙234， dg。间隙234取决于最小环的 直径236和压电装置208的直径232， dp，优选的为比压电装置208的直径 232大出光缆224的直径230， df ，的二倍或三倍。涂层226可以由金属材料或聚合物材料组成，优选的为环氧树脂，以增 加光纤线圈210对于由主体结构引导的Lamb波的弯曲变形或应力的灵敏度。 而且，在光缆224的巻制过程中，可以将预定的张力施加到光缆224上，提 供额外的张应力。涂层226可以保持巻制的光纤224的这种内部应力，而且 对于每个光纤环来说容许有一个相对于Lamb波弯曲位移的一致的面内位移。涂层226还可以由其它材料组成，如聚酰亚胺、铝、铜、金或银。涂层 226的厚度可以从直径230的30% 直径230的2倍。由聚合材料组成的涂层 226可以用两种方式进行涂覆。在一个实施例中，可以将巻制的光缆224放 在底层202上，聚合物材料可以通过分散机，例如Biodot喷涂机喷在光缆 上。在另一个实施例中，可以将巻制的光缆224浸入涂覆材料的熔池中。由金属组成的涂层可以通过传统的金属涂布技术，例如磁控反应溅镀或 离子束溅镀以及电解。特别是，氧化锌可以作为涂层226的涂布材料，以向 涂布层226提供压电特性。当氧化锌涂布在巻制的光缆224的上表面或下表 面时，光纤线圈210可以根据电信号在径向同心地收縮或膨胀。 而且，还可以使用氧化硅或氧化钽作为涂布材料来控制巻制的光缆224 的折射率。氧化硅或氧化钽可以通过间接/直接离子束助镀技术或电子束蒸镀技术镀在光缆上。在不偏离本技术的情况下，可以使用其它的方法将涂层226涂布在光缆224上。压电装置208以及光纤线圈210可以通过物理固化的胶粘剂，而不是普 通的聚合物胶粘剂，粘贴到底层202上，这里，物理固化胶粘剂包括但不限 于丙烯酸丁酯-丙烯酸乙酯共聚物，苯乙烯-丁二烯-异戊二稀三聚物以及氨 基醇酸树脂。由于聚合物结构中很少交连，所以这些材料的粘性在涂布过程 中以及涂布之后可以保持稳定。此外，与传统的聚合物相比，在不降低胶粘 剂对于不同分析物的灵敏度的情况下，可以对这些胶粘剂进行优化，使其能 够润湿底层202的较宽范围。图2C为本发明的另一个实施例中的混合式补丁传感器240的顶部剖视 图。图2D为图2C中的混合式补丁传感器240的侧面剖视图。如图2C和图 2D所示，混合式补丁传感器240包括底层254;顶层242;环形层244;压 电装置248;有两个末端250a和250b的光纤线圈246;顶部和底部缓冲层 260a和260b以及与压电装置248连接的两根电线252a和252b。压电装置 248包括压电层264;与电线252b连接的底部传导片262和与电线252a 连接的顶部传导片266。光纤线圈246包括巻制的光缆258和涂层256。混 合式补丁传感器240的元件与混合式补丁传感器200的元件相同。象使用补丁传感器150时一样，混合式补丁传感器240可以贴附在主体 结构上以及/或放入复合层中。在本发明的一个实施例中，环形层244可以与 环形层198相同，充满由补丁传感器240和复合材料所形成的空穴。图3A是根据本发明的一个实施例的光纤补丁传感器300的顶部剖视图。 图3B是图3A中的光纤补丁传感器300沿D-D方向的侧面剖视图。如图3A和图3B所示，光纤补丁传感器300包括底层302;环形层304; 有两个末端310a和310b的光纤线圈308;模塑层316以及覆盖层306。光纤 线圈308包括巻制的光缆312以及涂层314。光纤补丁传感器300的每个 元件的材料和功能与图2A中的光纤补丁传感器300相同。最内环的光缆的直 径313由光缆312的材料性质来决定。图3C为图3A中的光纤补丁传感器中光纤线圈308的顶部剖视图，显示 了一种巻制光缆312的方法。如图3C所示，光纤线圈308的最外面的环可以 '从一端310a开始，而最里面的环可以从另一端310b开始。图3D为图3C中 的光纤线圈308的另一个实施例318的顶部剖视图。如图3D所示，光缆322可以这种方法折叠和巻制最外面的环从两个末端320a和320b开始。巻制 的光缆322被涂层319覆盖。需要注意的是，图3C和图3D中的光纤维线圈308和318可以直接连接 到主体结构上作为光纤线圈传感器。基于这一原因，在以下的内容中，术语 光纤线圈和光纤线圈传感器可以互换使用。图3E和图3F是光纤线' 圈308的其它实施方式。如图3E所示，光纤线圈330包括有两个末端338a 和338b、并以与光缆312相同的方式巻制的光缆334;以及涂层332。线圈 330有一个孔336，用来安装紧固件，后面将对此进行说明。同样地，图3F 中的光纤线圈340包括有两个末端348a和348b并以与光缆322相同的方 式巻制的的光缆344;以及涂层342。光纤线圈340有一个孔346，用来安装 紧固件。图3G是图3E中的光纤线圈330沿DD-DD方向的侧面剖视图。应该 注意的是，图3A 图3G中的传感器可以通过与图1G中相同的方式装入复合 层中。图4A为根据本发明的一个实施例的诊断补丁垫圈400的顶部剖视图。 图4B为图4A中的诊断补丁垫圈400沿E-E方向的侧面剖视图。如图4A和图4B所示，诊断补丁垫圈400包括有两个末端410a和410b 的光纤线圈404;压电装置406;用来容纳光纤线圈404和压电装置406的支 撑元件402，光纤线圈404和压电装置406通过粘合材料粘在支撑元件402 上；与压电装置406连接的两根电线408a和408b;以及盖在光纤线圈404 和压电装置406上的遮盖板414。光线线圈404和压电装置406的材料和作用可以分别与补丁式传感器 200的光纤线圈210和压电装置208的材料和作用相同。在本发明的一个实 施例中，压电装置406除了有一个孔403外，其它结构与装置130相同。光 纤线圈404和压电装置406可以通过常规的环氧树脂粘贴到支撑元件402上。 支撑元件402有一个槽口 412，光纤线圈404的末端410a和410b以及两根 电线408a和408b从槽口通过。在图4A和图4B中，诊断补丁垫圈400可以作为激励器/传感器，并具 有光纤线圈404和压电装置406。在另一个实施例中，诊断补丁垫圈400可 以作为传感器，且只具有光纤线圈404。在第三个实施例中，诊断补丁垫圈 '400可以作为激励器/传感器，且只具有压电装置406。如图4A和图4B所示，诊断补丁垫圈400可以有一个中空空间403，以 容纳其它紧固件，如螺栓或铆钉。图4C是本发明的一个实施例中，使用诊断 补丁垫圈400的螺栓连接结构的示意图。在螺栓连接结构420中，可以用常 规的螺栓424、螺母426和垫圈428将一对结构例如板状结构422a和422b 固定在一起。我们知道，结构的应力会集中在螺栓连接区429附近，并会使 结构损坏。诊断补丁垫圈400可以被安装到螺栓连接结构420中，用来对这 种损坏进行检测。图4D是本发明的另一个实施例中使用诊断补丁垫圈400的螺栓连接结构 430的侧面剖视图。在螺栓连接结构430中，可以用常规的螺栓432和一对 垫圈436和438将蜂房状/多层的结构440固定住。蜂房状的多层结构440 包括复合结构层442和蜂房部448。为对螺栓连接区附近的结构是否损坏进 行检测，可以将一对诊断补丁垫圈400a和400b插入蜂房部448内，如图4D 所示。可以使用套管446来支撑顶部和底部补丁垫圈400a和400b，使其靠 在复合结构层442上。而且，可以将热保护圆盘444插入复合结构层422和 诊断补丁垫圈400b之间，防止垫圈400b因热传递而受到破坏。如图4B所示，遮盖板414的外圆周415可以有一个倾角，形成一个锁紧 机构，这样可以防止光纤线圈404和压电装置406受到过大的、由施加到螺 栓424和螺母426上的力矩所引起的接触负荷。图5A为本发明的一个实施例中安装有传感器/激励器装置的问询系统的 示意图。如图5A所示，系统500包括用于产生和/或接收接Lamb波信号的 传感器/激励器装置502; —根双芯的电线516;用于对装置502所接收的信 号进行处理的调节器508;用于将模拟信号转换为数字信号的模拟-数字 (A/D)转换器504;用于对系统500的所有元件进行管理的计算机514:放 大器506;用于将数字信号转换为模拟Lamb波信号的波形发生器510;以及 能够在装置502和计算机514之间进行转换连接的继电器开关阵列模块512。 通常，可以将多于一个的装置502连接到继电器开关512上。装置502可以是如图1A 图2D和图4A 图4D中所示的传感器中的一种， 可以包括用于产生Lamb波517和接收由其它装置所产生的Lamb波的压电装 置。为了产生Lamb波517 ，波形发生器510可以通过继电器开关阵列模块512 接收由计算机514(更切地说，是包括在计算机514中的模拟输出卡)激发的 波形的数字信号。在一个实施例中，波形发生器510可以是一张模拟输出卡。继电器开关阵列模块512可以是一个常规的插入式继电器盘。作为激励器和传感器之间的串音(cross-talks)连接器，在继电器开关阵列模块 512中的继电器开关可以由计算机514中的微处理器进行调整，按照特定的 顺序选择每个继电器开关。在本发明的一个实施例中，由波形发生器510所 产生的模拟信号可以通过分支线515发送到其它激励器。装置502可以作为传感器来接收Lamb波。所接收的信号可以被发送至调 节器508，调节器508对信号电压进行调节，对电噪声进行过滤，从而在适 当的频率带宽范围内选择有意义的信号。然后，被过滤的信号被发送到模拟-数字转换器504，模拟-数字转换器 504可以是一个数字输入卡。来自模拟-数字转换器504的数字信号可以通过 继电器开关阵列模块512传送至计算机514进行进一步分析。图5B所示为根据本发明的另一个实施例中，带有传感器的问询系统520 的示意图。系统520包括带有光纤线圈的...
【专利技术属性】
技术研发人员：金炯胤，
申请(专利权)人：金炯胤，ASM有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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