CN101320008A - 一种构件表面失效的预警监测和条件构建方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于构件表面的破坏型形变和断裂型裂纹的预警监测方法、条件构建方法及其装置。特征是：预警监测方法包括失效信号采集和信号处理；条件构建方法包括驱动层的制备、网络电桥层的制备、信号采集传感器的制备、信号传输转接电路的制作，信息处理系统回路的制作；根据上述方法研制的装置包括驱动层、网络电桥层、保护层；信号采集传感器通过栅状金属片连接的导线，与信息处理系统的转接电路板连接；信息处理系统的转接电路与可编程控制器的I/O连接；可编程控制器与监测输出装置通过适配器连接。其优点在于：能实现构件表面关键部位的实时状态监测，方法简单，原料廉价，定位准确，有利于操作人员迅速判断，避免重大事故的发生。

Description

一种构件表面失效的预警监测和条件构建方法及其装置

技术领域

本发明属于表面裂痕检查技术领域，涉及一种构件表面失效的预警监测方法和条件构建方法及其装置，具体涉及一种构件表面的破坏型形变和断裂型裂纹的预警监测方法和条件构建方法及其装置。

背景技术

随着人类社会的不断发展，人们对机械设备性能的要求也越来越高，由于设备构件本身性质的局限性，使得它们在应对高性能需求时往往会发生失效，产生不可估量的后果。例如，飞机机身飞行时的高频震动会导致某些关键部位的螺栓松动，甚至脱落，以至酿成机毁人亡的惨剧。这些大祸实际上最初都是基于构件表面的破坏型形变和断裂型裂纹才产生的

在现有技术中，表面裂纹检测方法有许多种，通常有利用X线、放射线的，利用萤光、染色的，利用磁力手段的，利用超声波探伤的，利用声发射手段的以及利用应变片检测方法的等等。上述这些方法虽然检测的准确度都比较高，但是共同的缺点是设备成本太高，检测条件苛刻，技术操作复杂，设备维护困难，方法通用性较差且必须要有熟练的技能，而且不能实施在线的随时随机检测。利用测定电阻来检测表面裂纹的方法是近年来出现的一种简便快捷、成本低廉的表面裂纹检测技术而受到各方面的关注。在本发明以前的同类现有技术中，US2986928号专利文献公开了一种方法，该方法应用一排平行配置的电阻带，将其末端连在一起并与测量电路相接，然后把敏感元件贴在零件表面，当裂纹扩展时，电阻带也随之断裂，通过测量电阻变化即可决定表面裂纹的参量。这种检测方法的缺点是精确度较低，难以准确确定裂纹的具体位置。CN1049056号专利申请文献公开了一种方法，该方法是将敏感元件蒸镀在介质衬底上的所有可能扩展的部位，并将蒸镀上敏感元件的介质衬底与测量仪器通过电联接来完成裂纹检测，该方法可以扩大裂纹的测量范围，精度也有一定程度的提高，但是蒸镀工艺需要较为复杂的专用设备，造价较高，且不利于现场操作，工艺过程难于掌握和控制。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，克服现有表面失效监测技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可以准确定位失效部位、方法简单、操作简便、成本适中、通用性强而又对工人技术要求不高的构件表面破坏型形变和断裂型裂纹的预警监测和条件构建方法及其装置。

现将本发明构思及技术解决方案叙述如下：

本发明方法基本构思是，在任何基本构件、大型构件(例如飞机的应力连接部位、大型钢架的承重梁)的关键部位的表面涂覆一层检测层，当这些部位发生宏观失效时，使检测层随之发生异变，通过构件表面的电桥层的通断情况来监测构件表面检测层的电信号的变化，然后通过外接传感器把这些变化信号进行采集并处理，最后把失效部位和结果直观地反映在操作时很难观测到的操作人员面前，一旦发现失效，预警系统会发出报警并指示出具体的失效位置，以便操作人员及时反映，预防事故的发生。

按照上述发明构思，本发明方法包括两方面的内容：即构件表面失效的预警监测方法和双层网络电桥层的制备方法。

本发明构件表面失效的预警监测方法，包括信号采集和信号处理过程，其特征在于：所述的信号采集过程是通过双层网络电桥层来实现，信号处理过程是用可编程控制器(PLC)来实现；具体包括如下步骤：

步骤1：信号采集传感器将所感受到的构件表面破坏型形变和断裂型裂纹产生的电信号，通过网络电桥层的栅状金属片的所有栅栏脚上连接的导线与信号传输转接电路板连接，形成一个脉冲回路，并由此产生一个脉冲回路的通断信号；所述的信号采集传感器是根据被测构件的具体情况而随即制作的、由驱动层、正交网络电桥层、绝缘涂料保护层构成的传感器；所述的驱动层是用来提高构件基体材料与网络电桥材料之间匹配性能的介质；所述的正交网络电桥层是产生基体表面破坏型形变和断裂型裂纹信号的构件；所述的绝缘涂料保护层是用来隔绝外界影响的介质。

步骤2：信号传输转接电路板的接口电路将脉冲回路的通断信号输入到可编程控制器(PLC)；输入的通断信号经过可编程控制器(PLC)处理成图象和文字信号以后，利用触摸屏进行显示和输出。

本发明构件表面失效的预警监测的条件构建方法，其特征在于：包括驱动层的制备、网络电桥层的制备、信号采集传感器的制备、信号传输转接电路的制作，信息处理系统回路的制作，具体方法步骤如下：

步骤1  制备驱动层：

对需要监测的构件表面进行除灰、除油处理，然后将驱动层材料以一定的工艺手段均匀涂覆在处理过的构件表面上；涂覆的工艺手段可为静电喷涂、手工涂覆；驱动层材料由环氧树脂或聚酯树脂、固化剂、颜料、填料和助剂组成；驱动层的厚度在20～200μm之间；

步骤2  制备网络电桥层：

将事先准备好的金属薄片，用整体扎压的方法，制成“шшш”栅状金属片，然后将两片栅状金属片正交重叠，片与片之间用绝缘胶体粘连；其中金属薄片的厚度为20～50μm；扎压成的栅状金属片的栅栏和栅格均为1.0～2.0mm；用于连接两金属片的绝缘胶体为环氧树脂或聚酯树脂或酚醛树脂，胶体厚度在保证绝缘的情况下不超过50μm；

步骤3  制备信号采集传感器：

将制备好的正交网络电桥层贴于有粘性的驱动层表面，然后在电桥层的上表面涂覆一层绝缘涂料作为保护层，绝缘涂料可用构件表面漆替代；完成这些步骤后，在栅状金属片的所有栅栏脚上都连接一根导线并按下列规定编上号；行脚上从上到下依次编为：H₁、H₁’、H₂、H₂’、…H_n、H_n’；列脚上从左到右依次编为：L₁、L₁’、L₂、L₂’、…L_n、L_n’；

步骤4  制作信号传输转接电路：

按照步骤3上栅栏脚的编号，让原号和带撇号的导线与电路板连接，形成一个脉冲回路；例如：H₁和H₁’一组，L₂和L₂’一组；

步骤5  制作信息处理系统回路：

将步骤4中所述的转接电路与PLC的I/O接口直接连接；转接电路传来的信号经过可编程控制器(PLC)的处理以后，利用触摸屏进行显示和输出。

本发明构件表面失效的预警监测装置，其特征在于：包括信号采集传感器和信息处理系统；所述的信号采集传感器包括：驱动层、网络电桥层、保护层；驱动层作为一种粘性涂层与被测构件相粘合，网络电桥层与驱动层相粘合，保护层涂敷在网络电桥层上；信息处理系统包括转接电路、可编程控制器(PLC)、监测结果输出装置，其中信号传输转接电路板的接口电路与PLC的I/O接口直接连接，将采集来的通断模拟信号转变为数字信号；可编程控制器与监测输出装置通过RS485适配器连接，数字信号经过可编程控制器处理后以文字和图象的形式显示和输出。

本发明同现有技术相比具有以下优点：

1、能实现构件表面关键部位的实时状态监测。

2、制备工艺简单，原料廉价，操作规程简单，具有很好的可操作性。

3、使用了正交的网络电桥层，能够将裂纹发生部位更准确定位。

4、利用了比较先进的信号处理和输出手段，能够更及时准确和直观地反映出监测部

位某点位的失效变化，有利于操作人员迅速作出判断，避免重大事故的发生。

附图说明

图1：本发明裂纹检测装置结构示意图

其中：1、信号采集传感器  2、信号处理系统  3、保护层  4、网络电桥层  5、驱动层  6、基体材料  7、转接电路  8、可编程控制器  9、监测结果输出装置

图2：网格电桥层示意图

图3：图2的A-A向、B-B向视图

图4：转接电路板示意图

具体实施方式

实施例：本发明构件表面失效的预警监测的条件构建方法

步骤1  制备驱动层：

选取厚度为4mm的45#钢板作为基材，通过剪切打磨，使其成为长100mm、宽50mm、厚3.5mm的标准试样。对试样进行除油除锈，表面活化，磷化，清洗等一系列前处理，然后采用静电粉末喷涂技术在试样表面喷涂一层环氧树脂作为驱动层，层厚约20μm。

步骤2  制备网络电桥层：

将30μm厚的铜箔，裁成试样大小，用整体扎压的方法，制成“шшш”栅状金属铜片，其中栅栏和栅格均为1.5mm。然后将两片栅状金属片正交重叠，片与片之间用环氧树脂粘连，其中环氧树脂胶层厚度为20μm。

步骤3  制备信号采集传感器：

将制备好的正交网络电桥层贴于有粘性的驱动层表面，然后在电桥层的上表面涂覆一层环氧树脂并固化作为保护层，该保护层厚度为50μm。完成这些步骤后，在栅状铜箔的所有栅栏脚上都连接一根导线并按下列规定编上号。行脚上从上到下依次编为：H₁、H₁’、H₂、H₂’、H₃、H₃’…H₈、H₈’；列脚上从左到右依次编为：L₁、L₁’、L₂、L₂’、L₃、L₃’…L₁₆、L₁₆’。然后按照栅栏脚的编号，分别让配对号的两条导线与电路板相连接，形成24个脉冲回路。

步骤4  制作信号传输转接电路：

将接口电路与PLC的I/O接口直接连接，然后将PLC与触摸屏用RS485连接起来，本实例中PLC采用三菱的FX2N-80MR，触摸屏采用三菱的F940GOT-LWD-C。

步骤5  制作信息处理系统回路：

待信息处理系统调试完好后，对试样进行加载。在实验过程中，密切注意观察触摸屏的变化，当疲劳裂纹产生时，裂纹信息迅速传到信息处理系统，并显示出来。从触摸屏画面上可以观察到裂纹的大致区域和大小，当裂纹扩展时也可以发现显示屏上裂纹的沿伸方向。通过对比触摸屏显示结果与试样表面裂纹的实际情况，两者结果一致。

Claims (6)

1、一种构件表面失效的预警监测方法，包括信号采集和信号处理过程，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：信号采集传感器将所感受到的构件表面破坏型形变和断裂型裂纹产生的电信号，通过网络电桥层的栅状金属片的所有栅栏脚上连接的导线与信号传输转接电路板连接，形成一个脉冲回路，并由此产生一个脉冲回路的通断信号；

步骤2：信号传输转接电路板的接口电路将脉冲回路的通断信号输入到可编程控制器；输入的通断信号经过可编程控制器的处理成图象和文字信号以后，利用触摸屏进行显示和输出。

2、根据权利要求1所述的一种构件表面失效的预警监测方法，其特征在于：所述的信号采集传感器，是根据被测构件的具体情况而随即制作的、由驱动层、正交网络电桥层、绝缘涂料保护层构成的传感器；所述的驱动层是用来提高基体材料与网络电桥材料之间匹配性能的介质；所述的正交网络电桥层是产生基体表面破坏型形变和断裂型裂纹信号的构件；所述的绝缘涂料保护层是用来隔绝外界影响的介质。

3、一种构件表面失效的预警监测的条件构建方法，其特征在于：包括驱动层的制备、网络电桥层的制备、信号采集传感器的制备、信号传输转接电路的制作，信息处理系统回路的制作，具体方法步骤如下：

步骤1制备驱动层：

对需要监测的构件表面进行除灰、除油处理，然后将驱动层材料以一定的工艺手段均匀涂覆在处理过的构件表面上；

步骤2制备网络电桥层：

将事先准备好的金属薄片，用整体扎压的方法，制成“Ш Ш Ш”栅状金属片，然后将两片栅状金属片正交重叠，片与片之间用绝缘胶体粘连；

步骤3制备信号采集传感器：

将制备好的正交网络电桥层贴于有粘性的驱动层表面，然后在电桥层的上表面涂覆一层绝缘涂料作为保护层，绝缘涂料可用构件表面漆替代；完成这些步骤后，在栅状金属片的所有栅栏脚上都连接一根导线并按下列规定编上号；行脚上从上到下依次编为：H₁、H₁’、H₂、H₂’、…H_n、H_n’；列脚上从左到右依次编为：L₁、L₁’、L₂、L₂’、…L_n、L_n’；

步骤4制作信号传输转接电路：

按照步骤3上栅栏脚的编号，让原号和带撇号的导线与电路板连接以H₁和H₁’一组，L₂和L₂’形式连接；

步骤5制作信息处理系统回路：

将步骤4中所述的转接电路与可编程控制器的I/O接口直接连接，以使转接电路传来的信号经过可编程控制器的处理以后，可利用触摸屏进行显示和输出。

4、根据权利要求3所述的一种构件表面失效的预警监测的条件构建方法，其特征在于：制备驱动层的涂覆的工艺手段可为静电喷涂、手工涂覆；驱动层材料由环氧树脂或聚酯树脂、固化剂、颜料、填料和助剂组成；驱动层的厚度在20～200μm之间。

5、根据权利要求3所述的一种构件表面失效的预警监测的条件构建方法，其特征在于：制备网络电桥层的金属薄片的厚度为20～50μm；扎压成的栅状金属片的栅栏和栅格均为1.0～2.0mm；用于连接两金属片的绝缘胶体为环氧树脂或聚酯树脂或酚醛树脂，胶体厚度在保证绝缘的情况下不超过50μm。

6、根据权利要求1和3所述的一种构件表面失效的预警监测和条件构建方法而设计的装置，包括信号采集传感器和信息处理系统；其特征在于：所述的信号采集传感器由驱动层、网络电桥层、保护层构成；驱动层作为一种粘性涂层与被测构件相粘合，网络电桥层与驱动层相粘合，保护层涂敷在网络电桥层上；信号采集传感器通过栅状金属片连接的导线，即行脚H₁、H₁’…H_n、H_n’，列脚L₁、L₁’…L_n、L_n’与信息处理系统的转接电路板连接；信息处理系统由转接电路、可编程控制器、监测结果输出装置构成；转接电路板的接口电路与可编程控制器的I/O接口直接连接；可编程控制器与监测输出装置通过RS485适配器连接，数字信号经过可编程控制器处理后以文字和图象的形式显示和输出。

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