一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器制造技术

本发明专利技术实施例公开了一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，包括绝缘涂层、检测导电涂层、压电单元，所述绝缘涂层涂布于被测物的探测区域表面，所述压电单元与所述绝缘涂层相临涂布，所述检测导电涂层涂布于所述绝缘涂层表面，并使所述被测物与所述压电单元表面连接成一闭环电路，所述检测导电涂层与所述压电单元相接。采用本发明专利技术，具有实时快速高效，安装简便，成本低体积小，可用于不同材料表面和运动结构或部件的损伤探测等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器
本专利技术涉及结构损伤探测
，尤其涉及一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器。
技术介绍
传统结构损伤探测技术包括振动测试，超声波探伤，光学涂层，图像处理等方法。其中振动测试是应用时间最长和使用最广泛的结构损伤探测方法，并与本专利技术的方案方法和出发点较接近，因此将做主要说明。振动测试探伤主要基于结构固有频率和振动响应频谱的变化看到损伤的产生与发展。材料损伤或结构松动会造成结构刚度的下降或者结构振动时的碰磨现象，这种现象将导致结构自由振动时的固有频率下降或者倍频，最常见的应用是利用敲击火车轮轨，根据声音频率检查部件损伤和松动。首先，基于结构固有频率和模态变化的探伤方法在过去几十年间已被全世界的学者普遍研究并应用到多种工程结构中。但是，结构局部的损伤(如裂纹和螺栓松动)往往只导致结构局部的刚度变化对整体结构的响应影响不大，比如悬臂梁上的一个裂纹或者凹槽可能仅仅改变3％甚至低于1％的梁固有频率，这就导致基于结构固有频率变化的振动测试方法的探伤灵敏性较低。为提高该方法的灵敏性，专利技术人及其研究组曾经提出了利用智能材料的主动控制方法，这也是现在较先进的固有频率振动测试方法。其次，观察结构振动响应频谱变化的频域分析方法也是一种被广泛使用的探伤方法。例如，在振动测试行业内众所周知，闭合裂纹的产生与振动时造成的裂纹开合过程会导致振动频谱的倍频，结构松动时也会导致类似的现象发生。另外，由于材料损伤导致的局部材料非线性也会改变结构的振动频谱使其偏移。但是这种倍频和频谱偏移现象在小裂纹情况下(＜10％结构厚度)往往比较微弱，为提高基于频率变化的探伤的灵敏性，往往需要开发和引入先进的数据信号处理方法如小波从而放大损伤对频谱变化的影响。再次，先进的时域振动信号分析方法也可用于结构损伤探测，例如，专利技术人及其团队开发了一种基于时域信号混乱度判定的探伤方法，这种方法对微小裂纹(＜5％结构厚度)的探测有着很高的灵敏度。时域信号混乱度与振动传感器信号比较的方法相结合可以探测＜3％结构厚度的微小裂纹并判定其扩展趋势。在实验中，振动传感器需要通过电线或者由单片机控制的无线模块与数据处理软件实时联系，这样虽然可以高效预判损伤的扩展，但是数据的传输、复杂的数据信号处理模块和能源的供给限制了其应用范围和方便性。而且，在多数探伤应用中，首要需求是判定损伤的产生并发出预警信号。如何开发一种集损伤传感器、无线预警发射器、能源供给模块于一身的小巧的振动损伤探测传感器成为了结构损伤探测领域的一个实际需求。这也是本专利技术所要解决的问题。除最常用的振动分析方法之外，超声波探测是另外一种先进的探伤方法。这种方法通过发射并观察机械波在结构中的传播来判定可能出现的结构损伤。比如机械波在结构中存在裂纹或孔洞的位置会出现反射和衍射，通过探测这些反射波可以发现并标注损伤的出现和位置。但是如果结构设计本身存在多个孔洞或者不规则形状甚至材料属性的空间变化，机械波的传播将不可避免的受到干扰和阻碍，所以超声波对于不同复杂结构或者材料的探伤还在开发和探索中。虽然超声波探测理论上可以实现非接触式无损探伤，但是其探测要求距离被测物体较近，对于工作环境要求较高，而且其探测设备较精细昂贵。这些实用时的现实问题往往限制了超声波探伤在大型工程结构中的的应用。光学涂层和图像处理的探伤方法都是基于图像分析的方式进行探伤。光学涂层的基本原理是通过涂层微细的颗粒渗透进结构可能的裂纹中凸显出裂纹。再通过图像处理让计算机自动识别裂纹的产生与位置。图像处理方法也可以通过探测结构螺栓松动产生的外观变化监测结构松动问题。这两种方法都需要直接接触或目测到结构损伤出现的位置，并对光照条件要求较高。基于上述分析，现有技术中存在的主要缺点有：传统的信号采集技术由于对能源的需求导致系统及材料的成本高昂，并对大型和动结构实施不易。现有不同方法的缺点和导致原因如下：振动分析方法：无论是频域还是时域信号分析方法，由于不同振动信号本身的复杂性，环境噪声、所选取和开发的信号处理方法及算法对损伤判定的准确性有很大影响。对于不同工况下结构损伤的探知，传统的基于振动信号分析的方法仍然存在不稳定性因素。此方法往往需要计算机软件的辅助，传感器本身并不具备损伤预警能力。超声波探测方法：此方法虽然可以探测结构内部损伤，但是对复杂结构和材料和高噪声环境下的应用稳定性和准确性都不理想，即使引入先进的数据处理分析算法，探测结果亦无法100％确认。传统光学涂层和应变测试方法：该方法对结构表面平整性和工作环境的可视性要求较高，涂层材料以及探测设备成本较高。传统的图像分析处理方法：该方法除对环境的可视性要求较高之外还需要高性能的图形工作站，往往庞大的计算量导致实时监测不易实现。
技术实现思路
本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，以低成本、小体积的方式进行损伤的损伤探测。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，包括绝缘涂层、检测导电涂层、压电单元，所述绝缘涂层涂布于被测物的探测区域表面，所述压电单元与所述绝缘涂层相临涂布，所述检测导电涂层涂布于所述绝缘涂层表面，并使所述被测物与所述压电单元表面连接成一闭环电路，所述检测导电涂层与所述压电单元相接。其中，还包括涂布于所述被测物表面的导电基层，所述绝缘涂层、检测导电涂层、压电单元设置于所述导电基层上。其中，所述探测区域为两处以上，且通过所述绝缘涂层、检测导电涂层进行串联或并联。其中，所述压电单元与所述检测导电涂层之间串接或并联有检测电路。其中，所述检测电路为发射线圈。其中，所述发射线圈与所述压电单元之间还串接有谐振电容。实施本专利技术实施例，实时快速高效，安装简便，成本低，可用于不同材料表面和运动结构或部件的损伤探测。具体优点和实现手段如下：低成本小体积：压电材料的合理利用可实现低成本和易安装操作的需求。简易的无线电波产生电路和装置(仅需电感线圈和电容元件)也保证了其低成本和小体积的特点。高稳定性和可靠性：新颖的涂层设计(无需复杂数据信号处理过程)和简单的传感器结构使得其工作稳定性极高，该传感器涂层设计已经过长时间实际工况测试(于重型客运车辆上，在－20－30摄氏度工况下测试超过4个月，该涂层传感器工作稳定可准确地探测结构可能出现的损伤)。简易的电路设计也保证了其工作的稳定性和耐用性；无外界能源消耗：压电材料的使用并利用实现了传感器自身可直接产生无线电波；通用性：根据不同结构和材料选取不同涂层材料可使探伤传感器适用于多种不同材料和工作环境。压电材料灵活的形态设计特性使得该传感器可用于多种运动结构及部件(如转动部件)的损伤探测。多点探伤：涂层设计可帮助实现传感器覆盖范围与位置的灵活布置从而达到同时多点探伤的能力。附图说明图1是本专利技术的结构示意简图；图2是本专利技术设置串联方式的检测电路的结构示意图；...

【技术保护点】
1.一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，其特征在于，包括绝缘涂层、检测导电涂层、压电单元，所述绝缘涂层涂布于被测物的探测区域表面，所述压电单元与所述绝缘涂层相临涂布，所述检测导电涂层涂布于所述绝缘涂层表面，并使所述被测物与所述压电单元表面连接成一闭环电路，所述检测导电涂层与所述压电单元相接。/n

【技术特征摘要】
1.一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，其特征在于，包括绝缘涂层、检测导电涂层、压电单元，所述绝缘涂层涂布于被测物的探测区域表面，所述压电单元与所述绝缘涂层相临涂布，所述检测导电涂层涂布于所述绝缘涂层表面，并使所述被测物与所述压电单元表面连接成一闭环电路，所述检测导电涂层与所述压电单元相接。


2.根据权利要求1所述的无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，其特征在于，所述压电单元与所述检测导电涂层之间串接或并联有检测电路。


3.根据权利要求2所述的无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，其特征在于，所述检测电路为发射线圈。


4.根据权利要求4所述的无源无线压电驱动的复合涂层损...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴楠，王泉，
申请(专利权)人：汕头大学，
类型：发明
国别省市：广东;44