压电光栅混和结构健康监测诊断系统模板Word格式文档下载.docx

压电光栅混和结构健康监测诊断系统模板Word格式文档下载.docx

《压电光栅混和结构健康监测诊断系统模板Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压电光栅混和结构健康监测诊断系统模板Word格式文档下载.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

诊断硬件，由任意波形发生器、高速光栅调制单元以及高速采集卡构成，用来提供激励输入、数据采集与信号处理；

诊断软件，用于测定结构的情况。

本文主要介绍了有关压电、光栅混和结构健康监测诊断层以及高轻便诊断软件的开发。

同时，介绍了该诊断系统的论证试验。

关键词：

结构健康监测，无损检测（NDT），混合诊断系统，压电片，光栅，诊断层

HybridPiezoelectric/FiberOpticDiagnosticSystemforStructuralHealthMonitoring

XinlinQing,AmritaKumar,ChangZhang

AcellentTechnologies,Inc.Sunnyvale,CA94089

IgnacioF.Gonzalez,GuangpingGuo,Fu-KuoChang

AeronauticsandAstronauticsDepartment

StanfordUniversity,Stanford,CA94305

Abstract：

Ahybridpiezoelectric/fiberopticdiagnosticsystemhasbeendevelopedforquicknondestructiveevaluationandlong-termhealthmonitoringofaerospacevehiclesandstructures.Thehybriddiagnosticsystemusespiezoelectricactuatorstoinputacontrolledexcitationtothestructureandfiberopticsensorstocapturethecorrespondingstructuralresponse.Thesystemconsistsofthreemajorparts:

adiagnosticlayerwithanetworkofpiezoelectricelementsandfibergratingstoofferasimpleandefficientwaytointegratealargenetworkoftransducersontoastructure;

diagnostichardwareconsistingofanarbitrarywaveformgeneratorandahighspeedfibergratingdemodulationunittogetherwithahighspeeddataacquisitioncardtoprovideactuationinput,datacollectionandinformationprocessing;

anddiagnosticsoftwaretodeterminetheconditionofthestructure.Thispaperpresentskeydevelopmentissuesrelatedtothemanufacturingofthehybridpiezoelectric/fiberopticdiagnosticlayerandintegrationofahighlyportablediagnostichardware.Validationandprooftestingofthisintegrateddiagnosticsystemisalsopresented.

Keyword:

Structuralhealthmonitoring,Non-DestructiveTesting（NDT）,Hybriddiagnosticsystem,Piezoelectric,Fibergrating,diagnosticlayer.

1引言

在线结构的健康监测集成极大的关系到制造以及人工维护，目的是通过较低的监测与维护费用显著提高安全性与可靠性[1－4]。

由于只能对可接触到的区域进行检测，因此目前所使用的无损检测（NDT）技术存在着局限性，同时，在使用时需要大量的人力，从而导致了生命周期成本的增加。

利用结构集成分布式传感器、精确的信号分析与实时数据处理可以大大减少检测的费用。

SMARTLayer技术基于嵌入式压电驱动器与传感器网络，是一种具有很高可行性与成效的结构监测与在线结构损伤检测方法[5，6]。

另外，光纤布拉格光栅传感系统已经在结构健康监测领域得到了许多应用[7～9]，在许多应用领域光纤传感器提供新的有效测试方法的潜力正逐渐显现出来。

此外，文献[10-11]介绍了有关采用压电驱动器与光纤传感器进行全阻抗结构健康监测与振动控制的研究工作。

本文介绍了基于智能夹层技术的压电光纤（HyPFO）混合航天飞行器结构健康监测系统。

该混合系统可以用来实现快速无损评估和航空飞行器长期结构健康监测，如图1。

该健康监测系统结合了集成在结构中的传感网络、信号处理仪器和数据分析软件，用来实时在线监测、及早发现和长期跟踪结构损伤[12]。

通过该系统，结构健康监测这一概念将成为结构工程中可行的商业选择，并使新一代更稳定更低维护成本的安全结构成为可能。

这一结构诊断系统可以进行定量评估，并且可以对在敌方环境中

航空结构发生的事件进行判断。

以下是该混合系统潜在使用领域的详细介绍：

在线材料特性评估

材料与结构瑕疵检测

损伤检测，包括分层和腐蚀

载荷环境评估（疲劳、过载）

该混合系统的一个主要的优点是它提供了最佳的驱动器与传感器之间的去耦（激励输入信号与传感器输出信号之间最小干扰），因为传感器采用了不同的信号传输机理：

压电驱动器采用电信号而光纤传感器采用光学信号。

由于他们采用了两种不同的信号传输机理，实际上它们之间没有干扰。

采用压电和光纤传感器的另一个优点是可以用于多种测量。

光纤传感器可以用来温度传感，压电传感器可以用来氢传感，同时使用两者可以用来监测声发射。

考虑到这些潜在的应用，混合压电光纤监测系统的思想是非常诱人的。

2系统原理

压电、光纤混合诊断系统采用压电驱动器向结构输入控制信号，由光纤传感器捕获结构的响应。

图2是该系统的流程图。

诊断层与智能夹层类似[13]，是布置在一层柔性绝缘材料上的由压电元件与光纤传感器组成的网络，它为将大型传感网络集成到结构上提供了一个简单有效的方法，可将夹层植入结构内部或粘于结构表面。

一旦安装成功，该结构集成传感网络就可在结构使用寿命内收集健康监测数据。

诊断硬件由任意波形发生器、高速光栅调制单元、高速数据采集卡和Intel-P4处理器构成，用来提供激励输入、数据采集与信号处理。

针对结构诊断，波形发生器用来产生一个特定的波形输入至压电元件，输出频率达到10MHz[5]。

光栅调制单元基于标准滤光器，如图3所示，通过一组频率为2MHz的多波长光纤布拉格光栅捕获结构产生响应。

集成ASE（放大自发射）光源向一组光栅进行输入，它们的反射光分别得到过滤。

从一个光栅到另一个光栅之间，滤光器使用0～4V信号进行调制。

滤光器设置后会固定在一个常数，来自传感器的光信号会进行光谱过滤并转换成一个电压信号。

当光纤传感器的应变增大，反射光波长会有一个向上的增量，更多的光将会通过滤光器，引起电压输出增大。

一个独立的无反射光滤光器的部分直接转换电压信号，用来向系统提供参考源。

该系统滤光器的频谱为1.0nm宽，允许的应变范围为微应变。

当滤光器对光栅阵列进行扫频时，最陡的斜坡提供了最高的灵敏度。

内置的高速压电、光纤混合主动式诊断系统的职能包括：

首先，便携式诊断系统插接至混合诊断层，该诊断层集成到被监测的结构中；

系统中的函数发生器板向结构上的压电驱动器发送诊断信号，压电驱动器转而激励结构；

压电驱动器产生的应力波在结构中传播，并到达光栅传感器；

传感器接收到包含了结构信息的应力波，然后诊断软件对该信号进行处理来判断结构的情况；

最后结构的情况存储在便携式诊断系统中，与先前健康状态的结构进行对比，从而完成对结构的长期监测。

3压电、光纤传感器混合诊断层

研究了在同一层柔性绝缘层上使用压电驱动传感器、光纤传感器的可行性。

设计了一种将光纤传感器整合到智能夹层中的方法。

以下是制作压电、光纤混合诊断层的程序：

（1）如图4（a），首先涉及蚀刻一电路层，然后将一绝缘层（或覆盖层）与电路层层压在一起；

（2）光纤传感器采用机械工具（如开普敦带）放置在一层很薄的基层上，基层用来固定传感器，过程中需要加热加压，在达到层压温度后几分钟他们就固定在一起了，冷却

后光纤就和粘结层集成在一起了，机械工具就可以移开了。

基层光纤传感器位置上开口，而PZTs所在位置上打上通孔，如图4（b）；

（3）光纤传感器基层放置在带有覆盖层的电路层上，基层要进行定位，以保证PZT通孔与下方的PZT电路接触位置对齐。

加温加压使二者层合在一起；

（4）PZT传感器通过覆盖层的通孔与电路层的接触部分相连，在PZT四周使用环氧胶进行固定和机械保护。

图5是厚为0.15mm的混合诊断层的样片。

通过使用混合诊断层，一个由压电陶瓷与光纤传感器组成的网络简单的安装在金属/复合材料的表面或复合结构的内部。

对于某些应用情况，光纤传感器并不需要植入诊断层，因此用来搭载光纤传感器的粘合层就可以用作电路层的覆盖层，这样带有光纤传感器的光纤就附在诊断层的表面，因此也就不需要为光纤传感器在基层上开口了。

4初步实验

集成压电、光纤传感器混合系统的研究用来评估前后使用压电陶瓷与光纤传感器的可行性。

4.1实验设备

表1实验中PZT的物理特性

压电常数-d31

压电常数-g31

频率常数（发射模式）

相对绝缘常数

杨氏模量Y11

175×

10-12m/V

12.4×

10-3m2/C

1980HZ-m

1750

6.3×

1010N/m2

典型实验是在铝平板上进行的。

如图6所示，两个PZT与单个FBG（FiberBraggGrating光纤布拉格光栅）传感器安装在薄铝板上表面。

PZT驱动器厚0.25mm，直径6.35mm。

PZT的物理特性见表1。

光栅刻写为1550nm，PZT与FBG传感器之间的距离为10cm。

4.2实验流程

实验中，带有任意波形发生器、高速光栅调制单元、高速数据采集卡和Intel-P4处理器的高输出便携式设备，用来提供激励输入、数据采集与信号处理。

如图7所示，由于较好的传播特性和对结构裂纹的敏感性，一个带窗的五周期正弦激发信号用来驱动PZT驱动器，5波峰信号的最大幅值是10V，信号的频率为400KHz。

压电驱动器产生的应力波在结构中传播到达光纤布拉格光栅（FBG）传感器。

FBG传感器接收到的应力波信号包含了结构的信息。