一种TPS阻抗智能测试系统和TPS结构健康监测方法技术方案

本发明专利技术提出一种TPS阻抗智能测试系统，属于无损检测技术领域，包括数据采集卡、压电传感器和工控机，还包括纯电阻或电容元件；压电传感器粘贴固定在TPS样件的金属底板上，与待测试验件组成耦合阻抗系统；数据采集卡的输出端口正极通过导线连接压电传感器的正极，通过自带的数据线连接工控机USB端口，实现数据传输；工控机采用通用计算机；TPS阻抗智能测试系统利用软件编程控制数据采集卡的信号发射和采集；工控机上设置有显示和操作界面；纯电阻或电容元件用于电路分压。本发明专利技术同时提出一种TPS结构健康监测方法，解决了现有技术无法实现地面试验过程中TPS样件健康状态原位实时监测的问题。测的问题。测的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种TPS阻抗智能测试系统和TPS结构健康监测方法


[0001]本专利技术属于无损检测
，具体涉及一种TPS阻抗智能测试系统和TPS结构健康监测方法。

技术介绍

[0002]热防护系统(TPS)承担高超声速飞行器的主要防热功能，TPS结构具有强度低、塑性差的特点，且多采用胶粘形式连接，使得结构在飞行中气动热、振动等复杂环境下易发生断裂、脱粘损伤。有必要利用地面环境试验考核飞行器TPS结构的力学环境适应性，发现其易出现的损伤形式以改进结构设计。TPS样件在进行设计载荷下的热/振动等环境试验过程中，需要对结构的健康状态进行实时原位监测，以便及时发现结构出现的断裂、脱粘等损伤问题。
[0003]传统的无损检测手段有超声检测技术、X射线检测技术、红外检测技术、声发射技术和太赫兹技术。超声检测技术受超声波穿透能力的限制，很难在这种高孔隙率材料中传播；X射线检测技术对低原子序数材料的吸收系数较低，而且TPS材料密度低，会进一步降低缺陷特征的图像反差，难以形成明显的检测结果；红外检测技术不适用于隔热材料的损伤检测；声发射技术受环境噪声的干扰较大，且对缺陷进行定性较为困难；太赫兹技术需要测量被测样品的太赫兹光谱特性，对被测结构的位置和裸露边界要求较为苛刻，在地面热/振动尤其是热试验环境下，被测结构周围布满了加热器等工装和其他围挡防护物品，很难找到合适的太赫兹波入射角度。
[0004]目前TPS结构的可重复使用性能考核主要通过多次起落载荷谱的常温或高温振动试验进行考核，对于结构完整性评估也仅限于目视外观检查和简单的频率变化进行分析，且在试验过程中无法靠近试验样件进行外观检查和频率特征扫描。
[0005]综上，现有无损检测手段的应用均有其局限性，不能实现地面热/振动试验过程中TPS样件健康状态的原位实时监测，无法满足未来型号对于热防护系统有限次数/有限寿命重复使用性能的验证与评估需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种基于机电阻抗技术的TPS结构健康监测方法，目的是解决现有无损检测手段无法实现地面试验过程中TPS样件健康状态原位实时监测的问题。
[0007]本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的：
[0008]一种TPS阻抗智能测试系统，包括数据采集卡、压电传感器和工控机，还包括纯电阻或电容元件；压电传感器粘贴固定在TPS样件的金属底板上，与待测试验件组成耦合阻抗系统，将试验件机械阻抗转换为可测量的机电导纳信号，用于实时采集试验过程中TPS样件的机电导纳信号；数据采集卡的输出端口正极通过导线连接压电传感器的正极，数据采集卡用于输出激励电压信号并采集响应电压信号，通过自带的数据线连接工控机USB端口，实现数据传输；工控机采用通用计算机，用于图形化编程控制和数据传输显示，包括显示设备
和输入设备；TPS阻抗智能测试系统利用软件编程控制数据采集卡的信号发射和采集；工控机上设置有显示和操作界面，包括通道信息设置、激励信息设置、文件保存路径设置、差异指数显示和预警、导纳信号显示以及多功能操作框；通道信息设置用于选择激励通道和采集通道；激励信息设置用于设置激励信号电压和频率；差异指数显示和导纳信号显示实时显示信号变化；多功能操作框包括多处布尔按钮，用于控制测试过程中的功能开始和结束；纯电阻或电容元件用于电路分压，两端通过导线分别连接压电传感器的负极和数据采集卡的输出端口负极，形成回路，纯电阻或电容元件两端分别接入数据采集卡输入端口，实现导纳信号采集。
[0009]作为优选方案，TPS阻抗智能测试系统基于NI平台，借助LabVIEW软件搭建。
[0010]作为优选方案，TPS阻抗智能测试系统基于精密阻抗分析仪，借助Visual Studio软件搭建。
[0011]作为优选方案，数据采集卡的型号采用NI USB
‑
6366。
[0012]作为优选方案，压电传感器的共振频率为247kHz。
[0013]基于相同的技术构思，本专利技术同时提出一种TPS结构健康监测方法，采用上述TPS阻抗智能测试系统，包括如下步骤：
[0014]步骤一、根据被测TPS样件几何外形和配套工装特点进行传感器布局和引线，将压电传感器粘贴在被测TPS样件的预定位置；
[0015]步骤二、在工控机上的软件操作界面设置参数:
[0016]步骤三、在试验开始前运行TPS阻抗智能测试系统，采集三组结构健康状态下的导纳信号，作为基准信号；计算三组基准信号两两之间的差异指数，取差异指数最大值的150％作为损伤阈值；
[0017]步骤四、选取一组基准信号导入软件；试验开始后启动损伤监测，系统按预先设定自动采集试验过程中的机电导纳信号并计算与基准信号差异指数，与损伤阈值对比，实时判断TPS样件损伤情况；
[0018]步骤五、当损伤预警信号灯由绿色变为红色时，系统判断TPS样件出现损伤，操作布尔按钮结束损伤监测；
[0019]如果损伤预警信号灯全程保持绿色，说明试验过程中TPS样件未出现损伤，待试验结束后操作布尔按钮结束损伤监测；
[0020]步骤六、结束损伤监测后，操作布尔按钮对比各阶段的导纳信号与基准信号，生成损伤监测结果报告；
[0021]至此，完成TPS结构健康监测。
[0022]作为优选方案，在工控机上的软件操作界面设置参数步骤中，设置的参数包括：
[0023]1、选择激励通道和采集通道；
[0024]2、依据TPS样件和压电传感器耦合体的固有频率设置激励信号中的起始频率和终止频率；
[0025]3、依据激励终止频率设置采样率参数；
[0026]4、依据所需的采样频率间隔设置采样数；
[0027]5、依据系统中所用电阻的阻值设置电阻值参数；
[0028]6、选择文件保存路径。
[0029]作为优选方案，在工控机上的软件操作界面设置参数步骤中，设置激励信号中的起始频率小于耦合体一阶固有频率的20％，设置激励信号中的终止频率大于耦合体一阶固有频率的200％；如果耦合体一阶固有频率未知，设置起始频率和终止频率为10kHz～410kHz。
[0030]作为优选方案，设置采样率参数步骤中，设置的采样率参数大于终止频率的2.5倍，且不超过数据采集卡的单通道最大采样率。
[0031]作为优选方案，设置采样数步骤中，设置的采样数等于采样率除以采样频率间隔。
[0032]本专利技术所取得的有益技术效果是：
[0033]与现有技术相比，用于TPS的监测时无论材料性质、结构特点、环境噪声还是位置和边界情况都能够适应，能够实时、准确且直观地反映出TPS样件结构的健康状态，可实现地面试验过程中TPS样件结构健康状态的原位在线监测，解决了现有技术无法实现地面试验过程中TPS样件健康状态原位实时监测的问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。
附图说明
[0034]图1是本专利技术其中一种TPS阻抗智能测试系统具体实施例的组成原理示意图；
[0035]图2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TPS阻抗智能测试系统，其特征在于，包括数据采集卡、压电传感器和工控机，还包括纯电阻或电容元件；所述压电传感器粘贴固定在TPS样件的金属底板上，与待测试验件组成耦合阻抗系统，将试验件机械阻抗转换为可测量的机电导纳信号，用于实时采集试验过程中TPS样件的机电导纳信号；所述数据采集卡的输出端口正极通过导线连接压电传感器的正极，数据采集卡用于输出激励电压信号并采集响应电压信号，通过自带的数据线连接工控机USB端口，实现数据传输；所述工控机采用通用计算机，用于图形化编程控制和数据传输显示，包括显示设备和输入设备；所述TPS阻抗智能测试系统利用软件编程控制数据采集卡的信号发射和采集；所述工控机上设置有显示和操作界面，包括通道信息设置、激励信息设置、文件保存路径设置、差异指数显示和预警、导纳信号显示以及多功能操作框；通道信息设置用于选择激励通道和采集通道；激励信息设置用于设置激励信号电压和频率；差异指数显示和导纳信号显示实时显示信号变化；多功能操作框包括多处布尔按钮，用于控制测试过程中的功能开始和结束；所述纯电阻或电容元件用于电路分压，两端通过导线分别连接压电传感器的负极和数据采集卡的输出端口负极，形成回路，纯电阻或电容元件两端分别接入数据采集卡输入端口，实现导纳信号采集。2.根据权利要求1所述的TPS阻抗智能测试系统，其特征在于，所述TPS阻抗智能测试系统基于NI平台，借助LabVIEW软件搭建。3.根据权利要求1所述的TPS阻抗智能测试系统，其特征在于，所述TPS阻抗智能测试系统基于精密阻抗分析仪，借助Visual Studio软件搭建。4.根据权利要求2或3所述的TPS阻抗智能测试系统，其特征在于，所述数据采集卡的型号采用NIUSB
‑
6366。5.根据权利要求2或3所述的TPS阻抗智能测试系统，其特征在于，所述压电传感器的共振频率为247kHz。6.一种TPS结构健康监测方法，其特征在于，采用权利要求1～5其中任意一项TPS阻抗智能测试系统，包括如下步骤：步骤一、根据被测TPS样件几何外形和配套工装特...

【专利技术属性】
技术研发人员：揭小落，李丽远，谢学多，尹晓峰，肖乃风，李智勇，邱恒斌，胡由宏，刘永清，宫永辉，王伟，张凯，罗俊清，郭瑜，赵洁，
申请(专利权)人：北京强度环境研究所，
类型：发明
国别省市：