結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在無損檢測評估中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在無損檢測評估中的應(yīng)用目錄應(yīng)用案例系統(tǒng)介紹總結(jié)12433原理介紹5問題討論原理介紹感知器官信息處理信息處理

傳感器系統(tǒng)處理原理介紹斯坦福大學(xué)宇航學(xué)院技術(shù)；Acellent公司開發(fā)和生產(chǎn)用于實時結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)、硬件和智能診斷軟件（SMART?系列產(chǎn)品）；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（StructuralHealthMonitoring，簡稱SHM），利用現(xiàn)場的無損傳感技術(shù),通過信號分析,達(dá)到檢測結(jié)構(gòu)損傷的目的；該技術(shù)的核心是一個連續(xù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)；目的是提供結(jié)構(gòu)損壞或退化的早期預(yù)警。原理介紹原理介紹-主動模式接收傳感器激勵傳感器?

傳感器主動激勵?

周圍的傳感器接收瞬態(tài)應(yīng)力波主動式系統(tǒng)可以用于監(jiān)測缺陷在金屬和非金屬工件中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域的損壞?？梢宰詣涌刂苽鞲衅鳟a(chǎn)生一個超聲信號并由相鄰傳感器接收，可以判斷缺陷的位置和尺寸。該系統(tǒng)可以很方便地用于任意類型、形狀、尺寸的結(jié)構(gòu)，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以很輕松地安裝在難以接近的區(qū)域。診斷成像工具可以幫助發(fā)現(xiàn)和跟蹤缺陷擴展過程。典型應(yīng)用包括：-裂紋出現(xiàn)和生長

-未粘和分層-撞擊缺陷

-

腐蝕-

環(huán)境誘發(fā)的缺陷與聲發(fā)射的區(qū)別原理上很像聲發(fā)射，但與聲發(fā)射有區(qū)別：(1)

因為聲發(fā)射特性對材料甚為敏感，又易受到機電噪聲的干擾。SHM是主動式激勵，并特殊設(shè)計，信噪比上要優(yōu)于聲發(fā)射；(2)聲發(fā)射檢測一般需要適當(dāng)?shù)募虞d程序。多數(shù)情況下，可利用現(xiàn)成的加載條件，但有時，還需要特作準(zhǔn)備；SHM不需要加載條件；(3)聲發(fā)射檢測目前只能給出聲發(fā)射源的大概部位，SHM可以準(zhǔn)確定位和定量，并進(jìn)行成像。原理介紹-主動模式傳感器缺陷缺陷134

2激勵接收信號散射信號傳感器成像9軟件原理介紹-主動模式原理介紹-被動模式?

撞擊激活系統(tǒng)并產(chǎn)生應(yīng)力波?

傳感器接收應(yīng)力波接收傳感器使用Acellent被動診斷硬件和軟件以及SMART

Layer?傳感器網(wǎng)絡(luò)可以持續(xù)性監(jiān)控大面積結(jié)構(gòu)件，并實時識別外來的撞擊事件，對外來情況嚴(yán)重的撞擊事件進(jìn)行監(jiān)測并警告。系統(tǒng)提供如下信息：撞擊事件發(fā)生；撞擊的位置；撞擊能量量級；撞擊的嚴(yán)重程度評估；11COM口與RS232連接以太網(wǎng)線RJ45被監(jiān)測結(jié)構(gòu)撞擊軟件傳感器連接線IMGenie設(shè)備USB接口WiFi802.11gWiFi802.11g前面板后面板開關(guān)原理介紹-被動模式原理介紹-被動模式撞擊監(jiān)測系統(tǒng)傳感器信號撞擊信息檢測&維護(hù)原理介紹減少檢測成本

?

實時結(jié)構(gòu)檢測

?

最小人力成本提高安全性

?

監(jiān)測撞擊

?

發(fā)現(xiàn)裂紋和損壞減少停產(chǎn)時間

?

監(jiān)測難以接近的區(qū)域

?

延長結(jié)構(gòu)壽命

實時描述結(jié)構(gòu)的狀況和完整性改善生命周期管理和維護(hù)過程協(xié)助狀態(tài)檢修結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測采集、處理和分析數(shù)據(jù)智能結(jié)構(gòu)

?

整合傳感器網(wǎng)絡(luò)

?

信息處理結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)硬件軟件

SMARTLayer?傳感器網(wǎng)絡(luò)壓電傳感器?

施加電壓引起壓電材料振動?

相反，材料變形也會產(chǎn)生電壓壓電傳感器Acellent專利產(chǎn)品SMARTLayer?（斯坦福多激勵接收傳感器）是一個很薄的內(nèi)置有分布式壓電激勵接收傳感器網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)膜；可根據(jù)結(jié)構(gòu)型面進(jìn)行定制，很好地和結(jié)構(gòu)貼合；也可以植入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。?柔性，質(zhì)量輕；

?

可用于任意復(fù)雜型面結(jié)構(gòu)；?靈活安裝，位置準(zhǔn)確；

?信號一致性好；?可結(jié)合其他類型的傳感器；

?

在各種惡劣環(huán)境下耐用可靠；?

電磁干擾防護(hù)。壓電傳感器標(biāo)準(zhǔn)的SMARTLayers?有以下幾種：SL001

SMART

Layer

：單壓電傳感器SL005

SMART

Layer帶：五個壓電傳感器SL008

SMART

Layer帶：八個壓電傳感器壓電傳感器也可以根據(jù)用戶特殊的應(yīng)用需求來定制SMARTLayers?傳感器，可以為任意尺寸和形狀，甚至是多傳感器的三維殼體。也可以和其他類型的傳感器結(jié)合使用，例如應(yīng)變、濕度傳感器、光纖視覺傳感器等。多線類型的SMARTLayer傳感器帶屏蔽的SMARTLayer傳感器3-DSMARTLayer傳感器壓電傳感器傳感器：PZT（鋯鈦酸鉛）

，厚度=0.254mm；壓電系數(shù)：–d31=175

10-12m/V,

-g31=12.4

10-3m2/C；最大電壓輸入：50~70VAC,VDC~2

溫度范圍：連續(xù)工作狀態(tài)下：-65

F（-53

C）到+250

F（121

C），最高可到+400

F（+204

C）和-320

F（-195

C）；應(yīng)變范圍：-0.8%到+0.11%；失效壽命：在106次載荷試驗（最大應(yīng)變

<0.1%,，激勵電壓50V）后，無明顯損壞。傳感器測試酸霧測試：滿足MIL-STD-810Fsection509.4濕度測試MIL-STD-810Fsection507.4 溫度測試機械載荷測試……傳感器測試機械載荷測試酸霧測試傳感器測試內(nèi)置到石墨環(huán)氧復(fù)合材料中進(jìn)行測試SMARTLayer與復(fù)合材料的分界面設(shè)備ScanGenie

能夠與SMART

Layer

?壓電傳感器完美結(jié)合：*

發(fā)射接收模式*

發(fā)射部分

可編程的任意脈沖波形發(fā)生器；

最高支持到700Khz；

最大激勵電壓：+80V；*

接收部分

帶寬10khz到5MHz；

可編程的接收信號幅值校準(zhǔn)功能；

采樣率最高到48MS/s，12bit分辨率；

多達(dá)四通道溫度傳感器采集；

可編程的接收信號濾波功能；

*

傳感器自我診斷功能；

*

標(biāo)準(zhǔn)64通道；

*

USB

2.0

數(shù)據(jù)接口SCS4300是Acellent生產(chǎn)的超快型系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以以300MHz的轉(zhuǎn)換率產(chǎn)生任意波形，單通道采樣率最高可到400MHz，雙通道采樣率最高可到200MHz：*

12bit分辨率；12bit波形產(chǎn)生分辨率。

設(shè)備PSS6400具有64通道，可以同時連接64個壓電傳感器，該系統(tǒng)主要用于被動撞擊檢測。包括如下組件：*無線被動式設(shè)備；*與SMARTLayers?連接的連接器；*電腦；

*AIM軟件；

*尺寸：8"x4.25"x8.5"軟件ACESS軟件：基本版軟件提供一個簡單工具來幫助用戶設(shè)置傳感器位置并在監(jiān)測過程中采集數(shù)據(jù)。該軟件可以產(chǎn)生多種波型，例如三個峰值、五個峰值或十個峰值的toneburst窄帶頻率波形以及隨機的或者用戶定義的波形?；竟δ苋缦拢? *診斷成像模塊可以實時呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化； *友好的用戶界面； *

內(nèi)置數(shù)據(jù)處理程序； *

簡便的數(shù)據(jù)管理工具。26Afeature-richgraphicaluserinterface(GUI)forcreatinganddisplayingsensorlayoutsMenu-drivenwindowsforsignalgenerationanddataacquisitionBuilt-inutilitiesforsignalprocessinganddatavisualizationEasy-tousedatamanagementtoolsFeasibleforplug-inapplicationmodulesDiagnosticimagingmoduleforreal-timevisualizationofstructuralchangesAcomprehensiveacousticultrasoundactuationsoftware:highvoltagetransducerdriver,datacollectionandsignalprocessingapplicationsACESS軟件介紹27Workspace:containsrootinformationoftheprojectfiles;includingsensorlayout,DAQsettings,PathDefinitions,andnotesforthisproject.SensorLayout:definesthesensornetworkgeometry,positions,andchannelnumbersettings.DAQ(dataacquisition):definesthehardwareworkingparameters,samplingfrequency,datacollectionpoints,dataaveragenumber.Definition(SignalPath):definesthesignalpaths,actuator&sensorIDnumbers,voltage,frequency,gainnumberforsensornetworkBaseline:definesasabasedatatobecomparedwithcurrenteventthatmayresultindetectionofdamagespots,andprobablysizesofdamage.術(shù)語定義28III.SensorSignalAnalysis&DamageDetectionDamageDetectionI.WorkspaceManagementII.SensorDiagnosisCreate/OpenWorkspaceEditSensorLayoutStructureSensorsEditDAQ&PathDefinitionsSaveWorkspaceBaselineManagementTakeNewDataCreate/updateBaselineSpaceTakeNewDataDamageDetectionAutopathDefinitionsSignalAnalysisToolsWaveSpeedFFTZoomACESS軟件操作流程29ACESS軟件30DAQandSignalPathDefinitionWorkspaceSensorLayoutDAQSettingPathDefinitionNo.ofPoints1secTotal31PZTSignalPathNetwork32DirectPathImageSimulationPatchCompositePanel33ActiveSystem:ACESS34ActiveSystem:Workspace35DAQSettingSetup36DAQPathDefinition(1)Select37DAQPathDefinition(2)38DAQPathDefinition(3)1234567891011121314151639DAQPathDefinition(4)40DAQPathDefinition(5)123Saveworkspace!!4541WorkspaceMgrTakeNewData42ActiveSystem:DirectPathImageSimulationPatchCompositePanel43SignalAnalysis44SignalAnalysis45ActiveSystem:ExportData軟件SmartComposite軟件：

可用于檢測撞擊包括大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的損壞或粘接分層。具體包括： *自動化軟件，只需要用戶極少的輸入工作量； *友好的傳感器排列界面；

*自動對結(jié)構(gòu)中缺陷位置進(jìn)行成像并進(jìn)行缺陷定量； *環(huán)境補償功能； *傳感器自動診斷功能，自動診斷并對老化的傳感器進(jìn)行補償。軟件AIM軟件：Acellent的撞擊監(jiān)測軟件能夠連續(xù)實時監(jiān)測系統(tǒng)：*外部撞擊事件發(fā)生；*撞擊時間；

*撞擊位置；

*撞擊能量。48MainFeaturesofAIMWindowsplatformtocommunicatewithAcellentIMGenieLinuxsystemGUIpanelstosetupIMGenieproperties,workspaces,sensorlayouts,ethernetconfigurationdataGUIforimpactdataacquisitionandanalysistoolsAutomatedvisualizationofimpactlocationsandforcemagnitudes49IMGenieSystemBootUpLaunchTeraTermPro(Win)&BootIMGenie(Linux)LoadImpactScannerLoadScannerDataServiceRunAIMDefineIPAddressRunStartupScripts50WorkspaceManagementAIMOperationFlowchartOpenWorkspaceEditSensorsorStructureHardwareConnectionDiagnosticsSetupDAQRunIMGenieControlPingHWforechomsgImpactMonitoringRunOnceRunContinuouslyImpactLocationandMagnitude51核心技術(shù)，多元化市場傳感器網(wǎng)絡(luò)診斷軟件軍用航天診斷硬件汽車航空民用基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用案例-缺陷檢測SMARTLayers?可以安裝在粘接維修表面來監(jiān)控裂紋生長，可以用于老齡飛機維修監(jiān)測。壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)裂紋擴展開裂金屬結(jié)構(gòu)的維修監(jiān)測應(yīng)用案例-缺陷檢測充水的鋼管管子厚度從8.6mm減薄到7.8mm管子厚度從8.6mm減薄到5.8mm腐蝕監(jiān)測可以用于監(jiān)測管子結(jié)構(gòu)中難以接近區(qū)域的腐蝕。應(yīng)用案例-缺陷檢測應(yīng)用案例-缺陷檢測熱源溫度補償之前模擬損壞溫度補償之后SMARTLayers?帶可以在纖維纏繞瓶生產(chǎn)過程中置入結(jié)構(gòu)內(nèi)，結(jié)構(gòu)內(nèi)的沖擊缺陷可以通過用戶定制的軟件判斷。該應(yīng)用可以擴展到固體火箭發(fā)動機和液體燃料結(jié)構(gòu)檢測中。基體；SMARTLayer纏繞；螺旋纏繞；(d)準(zhǔn)備加熱；(e)在烤箱里加熱固化；(f)完成植入。植入過程：應(yīng)用案例-缺陷檢測應(yīng)用案例-缺陷檢測缺陷檢測結(jié)果應(yīng)用案例-缺陷檢測液氮出口夾具液氮進(jìn)口振動平臺響應(yīng)加速計溫度傳感器控制加速計SMART傳感器帶液氮輸送管道應(yīng)用案例-缺陷檢測80001000012000130001350013800脫粘監(jiān)測該技術(shù)可以用于跟蹤和定量復(fù)合材料和粘接連接中未粘接和分層缺陷擴展情況，可以用于各種類型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。循環(huán)次數(shù)傳感器Sensors應(yīng)用案例-缺陷檢測金屬結(jié)構(gòu)中鉚接搭接連接情況檢測機翼外殼修補區(qū)域

裂紋

應(yīng)用案例-缺陷檢測粘接維修監(jiān)測傳感器帶復(fù)合材料維修預(yù)設(shè)未粘接Spec#1Spec#2應(yīng)用案例-缺陷檢測粘接維修監(jiān)測2500500075001000012500循環(huán)次數(shù)傳感器帶應(yīng)用案例-缺陷檢測粘接維修區(qū)域裂紋生長過程監(jiān)測應(yīng)用案例-缺陷檢測8個節(jié)點56個節(jié)點

1125ft4200ft500ft246ft把金門大橋分成若干節(jié)點，每個節(jié)點布置若干傳感器，整個大橋共布置大約1200個傳感器。完成對整個大橋的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。應(yīng)用案例-應(yīng)力實時監(jiān)控可以測量多個方向的應(yīng)力變量；可在加載過程中動態(tài)監(jiān)控應(yīng)力；對于高頻率加載過程，要比普通的應(yīng)力測量儀靈敏度高；容易安裝和校準(zhǔn)；還可以進(jìn)行缺陷損傷檢測（選項功能）應(yīng)用案例-撞擊檢測由于外來壓力所導(dǎo)致的大面積缺陷引起的災(zāi)難性事件。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測復(fù)合材料和金屬結(jié)構(gòu)外在加載條件例所帶來的損害，可以用于各種有人或者無人機、復(fù)合材料火箭發(fā)動機、火箭、空間飛行器外部的熱保護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測。復(fù)合材料機身復(fù)合材料火箭發(fā)動機復(fù)合材料板撞擊信息存儲傳感器帶信號線發(fā)動機復(fù)合材料殼體火箭發(fā)動機復(fù)合材料殼體撞擊監(jiān)測

主機和分析軟件應(yīng)用案例-撞擊檢測應(yīng)用案例-撞擊檢