結構健康監(jiān)測在無損檢測評估中的應用

結構健康監(jiān)測在無損檢測評估中的應用目錄應用案例系統(tǒng)介紹總結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宇航學院技術；Acellent公司開發(fā)和生產用于實時結構健康監(jiān)測的傳感器網絡、硬件和智能診斷軟件（SMART?系列產品）；結構健康監(jiān)測（StructuralHealthMonitoring，簡稱SHM），利用現場的無損傳感技術,通過信號分析,達到檢測結構損傷的目的；該技術的核心是一個連續(xù)監(jiān)測結構的傳感器系統(tǒng)；目的是提供結構損壞或退化的早期預警。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鍵結構區(qū)域的損壞?？梢宰詣涌刂苽鞲衅鳟a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、尺寸的結構，傳感器網絡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)現和跟蹤缺陷擴展過程。典型應用包括：-裂紋出現和生長

-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的加載程序。多數情況下，可利用現成的加載條件，但有時，還需要特作準備；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可以準確定位和定量，并進行成像。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)并產生應力波?

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

Layer?傳感器網絡可以持續(xù)性監(jiān)控大面積結構件，并實時識別外來的撞擊事件，對外來情況嚴重的撞擊事件進行監(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；撞擊的嚴重程度評估；11COM口與RS232連接以太網線RJ45被監(jiān)測結構撞擊軟件傳感器連接線IMGenie設備USB接口WiFi802.11gWiFi802.11g前面板后面板開關原理介紹-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&維護原理介紹減少檢測成本

?

實時結構檢測

?

最小人力成本提高安全性

?

監(jiān)測撞擊

?

發(fā)現裂紋和損壞減少停產時間

?

監(jiān)測難以接近的區(qū)域

?

延長結構壽命

實時描述結構的狀況和完整性改善生命周期管理和維護過程協助狀態(tài)檢修結構健康監(jiān)測采集、處理和分析數據智能結構

?

整合傳感器網絡

?

信息處理結構健康監(jiān)測系統(tǒng)硬件軟件

SMARTLayer?傳感器網絡壓電傳感器?

施加電壓引起壓電材料振動?

相反，材料變形也會產生電壓壓電傳感器Acellent專利產品SMARTLayer?（斯坦福多激勵接收傳感器）是一個很薄的內置有分布式壓電激勵接收傳感器網絡的介質膜；可根據結構型面進行定制，很好地和結構貼合；也可以植入結構內部。?柔性，質量輕；

?

可用于任意復雜型面結構；?靈活安裝，位置準確；

?信號一致性好；?可結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。壓電傳感器標準的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用戶特殊的應用需求來定制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合使用，例如應變、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：–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）；應變范圍：-0.8%到+0.11%；失效壽命：在106次載荷試驗（最大應變

<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置到石墨環(huán)氧復合材料中進行測試SMARTLayer與復合材料的分界面設備ScanGenie

能夠與SMART

Layer

?壓電傳感器完美結合：*

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功能；

采樣率最高到48MS/s，12bit分辨率；

多達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；

*

標準64通道；

*

USB

2.0

數據接口SCS4300是Acellent生產的超快型系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以以300MHz的轉換率產生任意波形，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波形產生分辨率。

設備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置傳感器位置并在監(jiān)測過程中采集數據。該軟件可以產生多種波型，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結構變化； *友好的用戶界面； *

內置數據處理程序； *

簡便的數據管理工具。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合材料結構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；

*自動對結構中缺陷位置進行成像并進行缺陷定量； *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，多元化市場傳感器網絡診斷軟件軍用航天診斷硬件汽車航空民用基礎設施應用案例-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。壓電傳感器網絡裂紋擴展開裂金屬結構的維修監(jiān)測應用案例-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)測管子結構中難以接近區(qū)域的腐蝕。應用案例-缺陷檢測應用案例-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過程中置入結構內，結構內的沖擊缺陷可以通過用戶定制的軟件判斷。該應用可以擴展到固體火箭發(fā)動機和液體燃料結構檢測中。基體；SMARTLayer纏繞；螺旋纏繞；(d)準備加熱；(e)在烤箱里加熱固化；(f)完成植入。植入過程：應用案例-缺陷檢測應用案例-缺陷檢測缺陷檢測結果應用案例-缺陷檢測液氮出口夾具液氮進口振動平臺響應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用案例-缺陷檢測80001000012000130001350013800脫粘監(jiān)測該技術可以用于跟蹤和定量復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合材料結構。循環(huán)次數傳感器Sensors應用案例-缺陷檢測金屬結構中鉚接搭接連接情況檢測機翼外殼修補區(qū)域

裂紋

應用案例-缺陷檢測粘接維修監(jiān)測傳感器帶復合材料維修預設未粘接Spec#1Spec#2應用案例-缺陷檢測粘接維修監(jiān)測2500500075001000012500循環(huán)次數傳感器帶應用案例-缺陷檢測粘接維修區(qū)域裂紋生長過程監(jiān)測應用案例-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構健康監(jiān)測。應用案例-應力實時監(jiān)控可以測量多個方向的應力變量；可在加載過程中動態(tài)監(jiān)控應力；對于高頻率加載過程，要比普通的應力測量儀靈敏度高；容易安裝和校準；還可以進行缺陷損傷檢測（選項功能）應用案例-撞擊檢測由于外來壓力所導致的大面積缺陷引起的災難性事件。結構健康監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測復合材料和金屬結構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、復合材料火箭發(fā)動機、火箭、空間飛行器外部的熱保護結構監(jiān)測。復合材料機身復合材料火箭發(fā)動機復合材料板撞擊信息存儲傳感器帶信號線發(fā)動機復合材料殼體火箭發(fā)動機復合材料殼體撞擊監(jiān)測

主機和分析軟件應用案例-撞擊檢測應用案例-撞擊檢