CN101865906B - 一种高灵敏度的复合材料结构健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高灵敏度的复合材料结构健康监测系统，包括真空泵、气体浓度传感器、计算机和交替平行且间隔排列的两根中空纤维管。其中，一根中空纤维管冲入特殊气体，另一根中空纤维管被真空泵抽成真空。没有裂纹时，特殊气体纤维管维持一定的气压值，真空纤维管维持真空，两者压差保持不变。出现微裂纹时，裂纹使得两者形成一个通路，导致特殊气体在压差驱动下流动，使真空纤维管内的气体浓度发生变化。通过气体浓度传感器测得真空纤维管内的气体浓度变化的大小，再由计算机推算出微裂纹的大小，本发明还可通过监测真空纤维管的气体浓度变化过程来监测微裂纹的萌生和扩展过程。本发明具有实时、简捷、实用及可靠性高的优点。

Description

一种高灵敏度的复合材料结构健康监测系统

技术领域

本发明涉及复合材料结构微裂纹监测领域，特别是涉及一种高灵敏度的复合材料结构健康监测系统。

背景技术

复合材料在许多领域被广泛应用，并有代替传统材料的明显趋势。安全性是复合材料结构应用中所注重的首要问题。但是，在材料结构的使用过程中，因受到温度、冲击、电磁等因素的影响，易出现微裂纹、应变过大或温度过高等一系列安全隐患，这些可能会带来灾难性后果。复合材料的结构健康监控系统可以弥补目前基于视觉检查和后续测试监测系统的不足，其一旦部署成功，在理论上可时刻维护结构安全。其中，微裂纹、应变和温度是复合材料结构的重要健康状态参量。

国内外研究人员已提出了多种相关的传感技术用于测量复合材料结构的健康状态参量。如：基于材料构件中预置功能元件的智能夹层传感技术、基于多个楔形压电传感阵元的CLoVER传感技术、时间反转聚集成像技术、智能无线网络传感技术、电阻应变片传感技术及光纤传感技术等。例如，埋入聚合物复合材料的光纤布喇格光栅可测量复合材料结构的应变分布及其疲劳损坏规律和裂纹位置等。但在国内外报道的复合材料结构健康监测技术中，能够对复合材料结构中微裂纹的扩展过程监测的技术不多。本申请提出了一种基于中空纤维管压强测量的复合材料结构微裂纹监测系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度的复合材料结构健康监测系统，补足现有复合材料结构微裂纹探测系统难以实现实时、动态监测的不足之处，特别是能够监测微裂纹的萌芽阶段和扩展过程。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高灵敏度的复合材料结构健康监测系统，包括气体浓度传感器、真空泵、计算机和两根中空纤维管，所述的两根中空纤维管交替平行，并间隔排列，其中，一根中空纤维管与所述的真空泵连接，其内部被所述的真空泵抽成真空，作为真空纤维管；另一根中空纤维管内通入特殊气体，维持一定的气压值，作为特殊气体纤维管；所述的气体浓度传感器与所述的真空纤维管相连，用于检测所述的真空纤维管的气体浓度；所述的计算机中设有数据采集卡，用于采集所述的气体浓度传感器检测到的数据；所述的真空纤维管和特殊气体纤维管埋入复合材料结构样品中实现内部埋入式测量，或植入聚合物薄片中形成含有中空纤维管的敏感片，所述的敏感片贴于复合材料结构样品上实现表面粘结式测量。

所述的高灵敏度的复合材料结构健康监测系统的真空纤维管和特殊气体纤维管均由环氧树脂制成，直接埋入固化前的聚合物薄片中形成敏感片。

所述的真空纤维管和特殊气体纤维管为利用光刻技术在聚合物薄片一侧平面上刻出的细槽，并把包含细槽的一面贴于复合材料结构样品形成敏感片。

所述的高灵敏度的复合材料结构健康监测系统的敏感片贴于复合材料结构样品上受力集中的位置，如铆钉附近。

所述的高灵敏度的复合材料结构健康监测系统的数据采集卡为24位单端10V输入的高分辨率和高速采集卡，其随机噪声、偏移误差和增益误差均小于800μV。

所述的高灵敏度的复合材料结构健康监测系统的计算机中还设有分析和显示软件，用于对所述的数据采集卡的采集到的数据进行分析、处理和实时显示。

所述的高灵敏度的复合材料结构健康监测系统中通入的特殊气体为一氧化碳。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明只要将含有两根中空纤维管的敏感片粘贴于复合材料结构的待测位置即可对复合材料微裂缝实现无损测量，避免了测量系统对结构的影响，在进行监测时，只需要根据气体浓度传感器测得真空纤维管内气体浓度值就可以推算复合材料结构的微裂纹大小；根据气体浓度传感器测得真空纤维管内气体浓度的变化速度就可推算复合材料结构的微裂纹的扩展速度，监测简单方便。

本发明只需在复合材料固化前将中空纤维管直接埋入复合材料结构的内部，就可实现对复合材料结构内部微裂纹的监测。本发明既可以对复合材料实行表面粘结式的测量，又可以对复合材料实现内部埋入式的测量，实现方式相当灵活多样。

本发明的中空纤维管及敏感片易于制备，且高灵敏度的气体浓度传感器市场成熟，性价比高，整个测量系统稳定可靠。系统中其他元器件的工艺水平都已经非常成熟，制作方便可行，适于复合材料结构健康状态的监测，可以广泛用于各种领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的结构原理图；

图3是本发明中敏感片安装位置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种高灵敏度的复合材料结构健康监测系统，如图1和图2所示，包括气体浓度传感器3、真空泵2、计算机5和两根中空纤维管，所述的两根中空纤维管交替平行，并间隔排列，其中，一根中空纤维管与所述的真空泵2连接，其内部被所述的真空泵2抽成真空，作为真空纤维管7；另一根中空纤维管冲入特殊气体(例如：一氧化碳)，维持一定的气压值，作为特殊气体纤维管6；所述的气体浓度传感器3与所述的真空纤维管7相连，用于检测所述的真空纤维管7内的气体浓度；所述的计算机5中设有数据采集卡4，用于采集所述的气体浓度传感器3检测到的数据。当复合材料结构样品1没有微裂纹8时，特殊气体纤维管6内维持一定的气压值，真空纤维管7内维持真空状态，故两者压差保持不变。当复合材料结构样品1有微裂纹8时，微裂纹8使得特殊气体纤维管6和真空纤维管7的中间形成一个通路，导致气体在压差驱动下流动，使得真空纤维管7被冲入一些特殊气体，从而使得真空纤维管7内的气体浓度产生变化，利用气体浓度传感器3的敏感头监测到变化情况，由此可探测微裂纹8的情况，即可通过监测真空纤维管7内特殊气体浓度的大小可推算出微裂纹8的大小。当复合材料结构样品1上的微裂纹8开始萌生时，会有极少量的特殊气体分子从特殊气体纤维管6进入真空纤维管7内，利用气体浓度传感器3的敏感头探测到真空纤维管7内的气体浓度有微小变化，可知微裂纹8正处于萌芽过程。此时只需通过改变复合材料结构的使用环境、使用条件和载荷状态而控制或减小裂纹的进一步扩展，从而使得复合材料结构易于修复。当复合材料结构样品1的微裂纹8扩展时，使得真空纤维管7内的特殊气体浓度随时间而改变，因此可根据真空纤维管7内特殊气体浓度的改变速度，推算出微裂纹8的扩展速度，通过监测真空纤维管7内特殊气体浓度变化的过程，达到监测微裂纹8的扩展过程的目的。

真空纤维管7内特殊气体浓度随时间和微裂纹8尺寸的关系可按以下模型进行估算。设微裂纹8的尺寸(即横截面面积)为s，真空纤维管7的横截面积和长度分别为A和l，特殊气体纤维管6中特殊气体到真空纤维管7的流速为v，该流速随时间改变，特殊气体的密度和分子量分别为ρ和M。在忽略气体的黏性力和切向力时，并且温度为T时，则真空纤维管7的绝对真空度为P(随微裂纹扩展时间t而改变)与微裂纹8尺寸的关系可由式(1)进行估算：

其中，a≈0.139，b≈3.9×10^-5，R＝8.31，

$V_m=\frac{\mathrm{Al}}{(m/M)}=\frac{\mathrm{AlM}}{\mathrm{\ρvs}}=\frac{\mathrm{AlM}}{\mathrm{\ρs}{v}_0{e}^{-\mathrm{dt}}}=\frac{\mathrm{AlM}}{\mathrm{\ρs}\sqrt{\frac{8\mathrm{RT}}{\mathrm{\πM}}}{e}^{-\mathrm{dt}}}\≈\frac{{\mathrm{AlM}}^{\frac{3}{2}}}{4.6\mathrm{\ρs}\sqrt{T}{e}^{-\mathrm{dt}}}---\left(2\right)$

其中，d是与真空纤维管7初始真空度有关的常量，需进行初始测量和标定。气体浓度传感器测得的气体浓度的测量值y与气体压强之间的关系可由式(3)进行估算：

$y=\frac{\mathrm{PAl}}{(237+T^{\′})}\×\frac{273}{1.01\×{10}^5}\×{10}^6\left(\mathrm{pps}\right)---\left(3\right)$

由此可见，只需结合式(1)和式(2)便可得到真空纤维管7内气体浓度测量值和微裂纹8尺寸的关系，以此推算出微裂纹8的扩展速度。

本发明中真空纤维管7和特殊气体纤维管6可以在复合材料固化前直接埋入复合材料结构样品1中实现内部埋入式测量，对复合材料结构内部的微裂纹8进行监测。真空纤维管7和特殊气体纤维管6还可以植入聚合物薄片中形成敏感片9，并将敏感片9贴于复合材料结构样品1上受力集中的位置(如图3所示的铆钉10附近)实现表面粘结式测量，从而对复合材料结构表面的微裂纹8进行监测，实现方式相当灵活。

本发明中含有中空纤维管的敏感片9可采用以下两种方法进行制备。方法一：以玻璃毛细管或聚四氟乙烯等塑料细管为外模具，注入液体环氧树脂后，在外模具的轴心穿入一根以负热膨胀系数材料做成的纤维作为内模具，然后进行升温固化，在升温时，作为内模具的纤维将收缩。将固化后的环氧树脂细棒从外摸具中抽出，并抽出细棒中作为内模具的纤维，如此可制备出环氧树脂中空纤维管。在制备过程中，只要改变作为外模具的细管内径和作为内模具的纤维直径就可以改变中空纤维管的外直径和其中空芯的直径。含有中空纤维管的敏感片9可采用以下两种方法进行制备，将中空纤维管埋入固化前的聚合物薄片中，待聚合物薄片固化后将其贴于复合材料结构样品1上受力集中的位置，即可形成含有中空纤维管的用于微裂纹探测的敏感片9。方法二：利用光刻技术在聚合物薄片的一侧平面上刻出细槽，把聚合物薄片刻有细槽的一面贴于复合材料结构样品1的关键部位，细槽便形成了中空纤维管，即形成可用于复合材料结构微裂纹探测的含有中空纤维管的敏感片9。本发明中所使用的气体浓度传感器3具有快速响应特性、较高的测量灵敏度，并含有数据输出接口，可将测量到的数据输送给数据采集卡4。数据采集卡4可采用24位单端10V输入的高分辨率和高速采集卡，其随机噪声、偏移误差和增益误差均小于800μV。本发明的中空纤维管(即真空纤维管7和特殊气体纤维管6)和敏感片9易于制备，且高灵敏度的气体浓度传感器3市场成熟，性价比高，整个监测系统稳定可靠。系统中其他元器件的工艺水平都已经非常成熟，制作方便可行，适于复合材料结构健康状态的监测，可以广泛用于飞机、列车、轻轨、轮船、桥梁、核设备、大型机械、燃油管灌、化工设备、危险品容器等复合材料结构的健康监测。

在本发明的计算机5中还设有分析和显示软件，能够对数据采集卡4的采集到的数据进行分析、处理和实时显示，以实现复合材料结构微裂纹的实时显示，从而对复合材料结构微裂纹实现实时、动态的监测。

不难发现，本发明只要将含有两根中空纤维管的敏感片粘贴于复合材料结构的待测位置即可对复合材料微裂缝实现无损测量，避免了测量系统对结构的影响，在进行监测时，只需要根据气体浓度传感器测得真空纤维管内气体浓度值就可以推算复合材料结构的微裂纹大小；根据气体浓度传感器测得真空纤维管内气体浓度的变化速度就可推算复合材料结构的微裂纹的扩展速度，监测简单方便。

Claims (6)

1.一种高灵敏度的复合材料结构健康监测系统，包括气体浓度传感器（3）、真空泵（2）、计算机（5）和两根中空纤维管，其特征在于，所述的两根中空纤维管交替平行，并间隔排列，其中，一根中空纤维管与所述的真空泵（2）连接，其内部被所述的真空泵（2）抽成真空，作为真空纤维管（7）；另一根中空纤维管内通入特殊气体，维持一定的气压值，作为特殊气体纤维管（6）；所述的气体浓度传感器（3）与所述的真空纤维管（7）相连，用于检测所述的真空纤维管（7）的气体浓度；所述的计算机（5）中设有数据采集卡（4），用于采集所述的气体浓度传感器（3）检测到的数据；所述的真空纤维管（7）和特殊气体纤维管（6）植入聚合物薄片中形成含有中空纤维管的敏感片（9），所述的敏感片（9）贴于复合材料结构样品（1）上实现表面粘结式测量，所述真空纤维管（7）在敏感片（9）上以盘管形式布置，所述特殊气体纤维管（6）布置在真空纤维管（7）盘管形结构的U形间隙中，所述敏感片（9）的制成方法包括：以玻璃毛细管或聚四氟乙烯这类塑料细管为外模具，注入液体环氧树脂后，在外模具的轴心穿入一根以负热膨胀系数材料做成的纤维作为内模具，然后进行升温固化，在升温时，作为内模具的纤维将收缩，将固化后的环氧树脂细棒从外摸具中抽出，并抽出细棒中作为内模具的纤维；

然后，将中空纤维管埋入固化前的聚合物薄片中，待聚合物薄片固化后将其贴于复合材料结构样品（1）上受力集中的位置，即可形成含有中空纤维管的用于微裂纹探测的敏感片（9）；

或者，所述的真空纤维管（7）和特殊气体纤维管（6）为利用光刻技术在聚合物薄片一侧平面上刻出的细槽，并把包含细槽的一面贴于复合材料结构样品（1）形成敏感片（9）。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度的复合材料结构健康监测系统，其特征在于，所述的真空纤维管（7）和特殊气体纤维管（6）均由环氧树脂制成。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度的复合材料结构健康监测系统，其特征在于，所述的敏感片（9）贴于复合材料结构样品（1）上受力集中的位置。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度的复合材料结构健康监测系统，其特征在于，所述的数据采集卡（4）为24位单端10V输入的高分辨率和高速采集卡，其随机噪声、偏移误差和增益误差均小于800μV。

5.根据权利要求1所述的高灵敏度的复合材料结构健康监测系统，其特征在于，所述的计算机（5）中还设有分析和显示软件，用于对所述的数据采集卡（4）的采集到的数据进行分析、处理和实时显示。

6.根据权利要求1所述的高灵敏度的复合材料结构健康监测系统，其特征在于，所述的特殊气体为一氧化碳。

Images