CN102049867A - 基于dsp技术的智能结构健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明所述的智能结构自愈伤方法与健康监测系统是利用太阳光能和光固化技术实现复合材料损伤自愈合，同时基于神经网络和数字信号处理技术实现健康监测的一种全新的智能结构自修复与自诊断方法。本发明以光固化粘结剂作为光固化修复剂，将其置于涂覆有光屏蔽剂和偶联剂的空芯纤维中，在材料出现裂纹时，处于裂纹扩展前沿的纤维断裂，光固化修复剂渗透至损伤裂纹中，采用太阳光作为补给能源，实现材料损伤自愈合；同时，采用光纤传感器作为信号传输与传感元件，结合数字信号处理技术，实现智能结构的状态健康监测。本发明具有实用性强、成本低、环保节能等特点，为实现复合材料构件的自愈伤和健康监测提供了有效的解决方案。

Description

基于DSP技术的智能结构健康监测系统

本申请为分案申请，原申请的申请日为：2009年5月8日；申请号为：200910031317.0；发明创造名称为：基于光修复技术的智能结构自愈伤方法与健康监测系统。

技术领域

本发明所述的一种新型的基于光修复技术的智能结构自愈伤方法与健康监测系统，结合光固化技术、光纤传感技术、复合材料结构力学和数字信号处理等技术，利用太阳光能实现了复合材料的自愈伤，并结合神经网络和数字信号处理技术实现了复合材料结构的健康监测，属于一种全新的智能结构自修复与自诊断。尤其本发明提出的以太阳光作为能量补给，光固化修复剂作为物质补给的材料自愈伤解决方案，为复合材料构件更安全广泛的使用提供了一种实用性强、成本低、环保节能的有效途径。

背景技术

广泛应用于航空航天领域的复合材料由于其组分的多样性和复杂性，在制造加工成型以及使用过程中，其表面和内部不可避免的会出现各类缺陷和损伤，尤其，微裂纹损伤的产生和扩展将引起材料整体性能的下降，导致构件失效，减短材料的使用寿命，严重时则会带来灾难性的后果。

20世纪80年代末，美国和日本科学家将仿生学融入复合材料的研究中，提出了智能结构的新概念。智能结构是指从仿生学的观点设计和制造复合材料，使材料具有感知和自修复的功能。目前，具有自诊断、自修复功能的智能自修复材料已成为新材料领域的研究重点之一，自修复的核心是能量补给和物质补给，其过程由生长活性因子来完成。模仿生物体损伤愈合的原理，使得复合材料对内部或者外部损伤能够进行自修复，从而消除隐患，增强材料的机械强度，延长使用寿命。

目前，国内外在复合材料健康监测与诊断方面已开展了大量的研究工作，并取得一些成果，方法主要是在材料内埋置传感器阵列，在线诊断结构在加工、固化、成形及由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹损伤等。然而，对于智能复合材料损伤自修复方面的研究还处于起步阶段。目前，研究使用的方法主要有：热可逆交联反应法、液芯纤维法和微胶囊法。热可逆交联反应法主要通过加热的方式来实现损伤修复，这将损害材料的其他性能，例如引起晶粒长大等，并且修复速度慢，工艺复杂，不利于智能结构的应用和发展。液芯纤维法和微胶囊法是指在智能复合材料基体中埋入包含修复剂的纤维或微胶囊，在复合材料内部形成智能型仿生自修复网络，当复合材料出现裂纹时，部分液芯纤维或微胶囊破裂，修复剂流出并渗入裂缝，使受损区域愈合以实现自修复功能。现有的文献资料所使用的修复剂均为双组分胶粘剂，设计中将修复剂和催化剂分别置于纤维(或胶囊)和复合材料基体内，在纤维(或胶囊)破裂后，要保证修复剂能接触到催化剂，则催化剂在复合材料基体中的分散密度必须足够大。因此，催化剂的使用效率很低，且较大的催化剂浓度对智能复合材料的性能也有一定影响。因此，无论是修复方法还是修复材料，都有很大的研究发展空间，存在很多问题有待解决。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的问题，本发明的目的是研制一种具有快速自愈伤和实时在线健康监测功能的智能结构。所提出的利用太阳光实现复合材料自愈伤的光修复智能结构，分别采用单组份光固化粘结剂和修复强化纤维作为光固化修复剂和修复剂载体，改变了目前使用双组份粘结剂和微胶囊进行材料损伤修补的不足，使用双组分粘结剂实现材料自修复，必须依赖于组分之间的接触和反应，这样必然降低了修复的可靠性，同时也限制了损伤的可修复区域，采用单组份光固化粘结剂不仅解决了这一问题，而且还能充分显现光固化粘结剂固化速度快，可“适时固化”的特点，使所研制的智能结构的自愈伤过程独立于控制系统，具有“自发”和“本能”的类生物体特征。

本发明同时采用正交分布的方式将光纤粘附于智能结构表面形成传感网络，用于感应和传递结构的形变和损伤信息，通过光电转换和放大电路将光信号转换为电信号，再将电信号传输给数字信号处理器，最后将经过数字滤波的信号传输给监控主机，在监控主机内通过神经网络算法实现材料结构的健康状态监测。

1、技术问题

本发明要解决的第一个技术问题是基于光修复技术的智能结构自愈伤方法的研究和实现，其中主要包括：

(1)光固化修复剂的制备

本发明提出的智能结构光修复方法，是以太阳光作为能量补给，光固化修复剂作为物质补给，因此作为修复剂的光固化粘接剂，其性能对复合材料结构自愈伤效果将产生直接的影响。为满足智能结构自愈伤的光修复要求，需要研制一种固化速度快、粘度低、与复合材料具有良好粘接强度的光固化粘结剂，为材料自愈伤提供物质补给；

(2)修复强化纤维涂层的制备与埋置

修复强化纤维作为光固化修复剂的载体，一方面要保证处于纤维内部的光固化修复剂不发生光固化反应，另一方面要保证纤维与基体具有良好的兼容性，为达到这一要求必须对纤维涂层及其埋置体积比进行研究。

本发明要解决的第二个技术问题是智能结构健康监测系统的研究和实现，其中主要包括：

(1)传感网络、信号传输及处理模块

智能结构健康监测系统的传感网络与信号传输及处理模块涉及光纤传感网络，光电转换和放大电路，数字信号处理器和SCI-PC通信接口电路的设计。由光纤传感网络采集的携带结构状态信息的光信号，必须通过光电转换后变成电信号，并经过放大电路，输入数字信号处理器，再经过SCI-PC通信接口传送至损伤定位模块；

(2)损伤定位模块

包含智能复合结构状态信息的信号在滤波后，经SCI-PC通信接口，传送至损伤定位模块，损伤定位模块采用数学模型与算法对信号进行处理，实现结构的健康监测，并在结构出现损伤时，判断损伤位置，进行预警。如何完成损伤位置的定位，是健康监测的研究重点。

2、技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明采用了以下技术方案：

(1)技术方案1：研制一种光固化粘结剂使其能够作为智能结构自愈伤的光固化修复剂。确定光固化修复剂的成份，其成份影响了光固化修复剂的固化性能、粘结强度及粘度等，从而决定了其用于智能复合材料自修复的可行性，具体包括下列步骤：

步骤一：配制光固化修复剂的预聚物——环氧丙烯酸酯，它是采用环氧树脂和丙烯酸在催化剂的作用下反应制得的，制备过程中，采用监测反应物酸值和粘度的方法选择和控制合理的反应时间和反应温度，以获得低粘度的预聚物，从而降低光固化修复剂的粘度；

步骤二：配制光固化修复剂的光引发剂体系，光引发剂决定着引发光固化反应的波长和引发的效率，是固化反应速度的主要影响因素。本步骤中，通过对多种高效的光引发剂的吸收光谱研究，分析计算了它们的量子效率，并根据太阳光的光谱特征，选择和配制了与太阳光谱特征相匹配的复合光引发剂体系；

步骤三：确定光固化修复剂的成份(预聚物、活性稀释剂和光引发剂)的配比，调整各个组分的配比，对比各种配比下的光固化修复剂的固化速度、硬度、粘度等性能，选择性能优异的配比作为制备光固化修复剂的方案。

(2)技术方案2：修复强化纤维涂层的制备与埋置。具体包括下列步骤：

步骤一：选择光屏蔽剂。修复强化纤维涂层的功能之一是屏蔽和吸收光辐射，抑制光能对光固化修复剂的直接作用。目前，使用光屏蔽剂制备涂层，是防止聚合物直接受光辐射的最有效方法。光屏蔽剂能吸收或反射有害光能，并在产生破坏自身光稳定结构的不可逆光化学反应前，以无害的形式把激发态的能量释放；

步骤二：选择偶联剂。聚合物基复合材料的基体是有机高分子材料，为提高修复强化纤维与基体的兼容性。研究采用偶联剂对两者的界面进行改善，并采用三点弯曲实验法，检验界面的性能，选择合适的埋置体积比。

(3)技术方案3：传感网络、信号传输及处理模块。本发明采用光纤正交排列方式以高速数字信号处理器(DSP)为核心处理器，配以外围光电转换、电压放大、滤波、模数变换等一系列的处理，将光纤传感网络的输出光强信号转换成数据信号，并配以适当算法程序来实时分析，监测复合材料的不同状态。另外，信息处理模块还预留了计算机通信接口，以便进行远程监控和系统升级，为后续研究提供了空间。

(4)技术方案4：损伤定位模块。对智能复合结构进行损伤定位、诊断与评估是一个运用数学建模描述物理系统的过程。结构状态的变化必然会引起其自身的状态特征发生变化，健康监测就是提取这些特征，并采用相应的数学模型对结构进行损伤识别。神经网络以其信息的分布存储、大规模并行处理、高度的非线性以及很强的自学习能力和良好的容错性、鲁棒性等特点在近年来得到了长足的发展。利用神经网络作为信息处理工具，可以克服某些损伤识别方法的缺点。所述损伤定位模块采用概率神经网络算法，对智能结构状态的信号进行处理并实现损伤定位。

3、有益效果

本发明所涉及的基于光修复技术的智能结构自愈伤与健康监测方法，具有不需提供专用修复光源，仅借助自然界的太阳光能就可实现材料快速自愈伤的特征，研究成果可大大提高材料的性能和延长其使用寿命，具有环保、节能和高效等特点，并能实现结构集成化和轻型化。本发明基于光固化技术，提出了一种采用自然界光能实现材料自修复的全新概念，比现有的传统方法具有优越性，为智能复合材料结构的自修复和自诊断的研究提供了一个新解决方案。

附图说明

图1为基于光修复技术的智能结构自愈伤方法与健康监测系统示意图

图2为制备预聚物的实验装置图

图3为复合光引发剂的吸收光谱

图4为光纤传感网络模块示意图

图5为信号传输及处理模块电路图

图6为智能结构自愈伤过程示意图(损伤初期)

图7为智能结构自愈伤过程示意图(损伤修复)

图中：1.光源；2.光纤传感网络模块；3.修复强化纤维；301.纤维涂层；302.光固化修复剂；4.信号传输及处理模块；401.光电转换与放大；402.模数转换；403.信号处理；404.数据通信；5.损伤定位模块；6.搅拌机；7.三口烧瓶；8.分液漏斗；9.水浴锅；10.裂纹

具体实施方式

实施例1：图1给出了本发明的一个智能结构自愈伤方法与健康监测系统的示意性实施例。如图1所示：本发明包括：光源(1)、光纤传感网络模块(2)、修复强化纤维(3)、信号传输及处理模块(4)和损伤定位模块(5)。

其中，修复强化纤维(3)包括：纤维涂层(301)和光固化修复剂(302)；信号传输及处理模块(4)包括：光电转换与放大(401)、模数转换(402)、信号处理(403)和数据通信(404)。

实施例2：图2，3，6，7给出了本发明的一个示意性智能结构自愈伤的实施例。

在实施例中，以环氧树脂和丙烯酸为原材料，在催化剂(N，N-二甲基苄胺)的作用下，经5小时100℃恒温酯化反应制备环氧丙烯酸酯预聚物(其粘度为：6800mPa·s(25℃))，作为光固化修复剂的基材(图2为预聚物制备的实验装置图)；以光引发剂1173(2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮)和TPO(双2，4，6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦)按质量比1∶1配制复合光引发体系(图3是复合光引发剂的吸收光谱，横坐标为波长，纵坐标为吸光度)；以预聚物(环氧丙烯酸酯)、活性稀释剂(甲基丙烯酸甲酯)和光引发剂(由1173和TPO配制的复合光引发剂)按质量百分比15∶4∶1配制光固化修复剂，所制备的光固化修复剂在25℃时的粘度为5983mPa·s；

分别采用炭黑和KH560(γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷)作为光屏蔽剂和偶联剂对修复强化纤维进行了表面涂层处理，并将光固化修复剂置于强化纤维内部。发明采用后处理和迁移法将纤维埋入复合材料基体中，基体材料为环氧树脂，埋入体积比采用15％，图6和图7为自愈伤过程示意图。如图所示当结构出现裂纹(10)时，处于裂纹前沿的纤维受力断裂，光固化修复剂(302)流至裂纹(10)处，在太阳光照射下，渗透至裂纹的光固化修复剂快速固化并粘接修复裂纹。

实施例3：图4，5给出了本发明的一个具体的智能结构传感、信号传输与处理模块的实施例。

在实施例中，图4为按照正交分布粘附于智能复合结构表面的光纤传感网络模块(图中：X₁～X₈分别表示正交分布的8根传感光纤，该传感网络包括16个传感区域)，用于感应和传递结构的形变和损伤信息；

图5为信号传输及处理模块(4)包括：光电转换与放大(401)、模数转换(402)、信号处理(403)和数据通信(404)。光电转换与放大(401)采用无基极引线的光电三极管L-31ROPT1D2(Q1)、可调电阻(R1＝28KΩ)和限流电阻(R2＝20kΩ)对携带结构健康信息的光信号进行光电转换，将光电三极管的光电流转换为电压，由于光电转换输出的电压不够理想，因此采用工作电压为±5V的双列直插式封装四输入集成运算放大器LM324组成的电压串联负反馈电路对电信号进行放大。其中，由阻值分别为51kΩ和60kΩ的电阻R5和R6组成的反馈支路用于减小运放的非线性失真；平衡电阻R3取R4//(R5+R6)，用于减小运放的输入失调电流的大小。滤波电容(C＝2.2μF)用于消除电源不稳定对于电路形成的干扰。电路的放大倍数为A＝Vout/Vin＝1+(R5+R6)/R4；

经放大的电信号传输至数字信号处理器TMS320LF2407内置的10位模数转换模块(402)的ADCIN00通道，在数字信号处理器内完成数模转换和信号处理(403)后，采用SCI-PC串行数据通信(404)电路实现TMS320LF2407与RS_232的串行口进行异步通讯。该电路采用了符合RS_232标准的驱动芯片MAX232，进行串行通信。MAX232芯片由+5V供电，包括两个接受和发送通道，且具有功耗低、集成度高等特点。由于TMS320LF2407采用+3.3V供电，所以在MAX232与TMS320LF2407之间加入由二极管D1(1N5819)和三个电阻(R7＝10KΩ，R8＝1KΩ，R9＝2KΩ)组成的典型电平匹配电路。

Claims (3)

1.一种基于DSP技术的智能结构状态健康监测系统，该系统包括：

(1)光纤传感网络模块，该模块将传感光纤按照正交分布粘附于智能结构表面，用于感应和传递结构的形变和损伤信息；

(2)信号传输及处理模块，光纤中携带结构状态信息的光信号，经光电三极管实现光电转换，采用双列直插式封装四输入集成运算放大器组成的电压串联负反馈电路对电信号进行放大，再将电信号经由数字信号处理器的A/D模块转换为数字信号，在数字信号处理器内完成数字滤波后，最终通过串行通信接口电路将该信号传输给损伤定位模块；

(3)损伤定位模块，该损伤定位模块采用概率神经网络算法，根据监测主机接收的结构状态信息，对智能结构的损伤进行定位。

2.根据权利要求1所述的智能结构状态健康监测系统，其特征在于，利用DSP完成数据的A/D转换，并对光纤智能结构的数据信息进行处理和发送。

3.根据权利要求1所述的智能结构状态健康监测系统，其特征在于，将概率神经网络建模融入智能结构的损伤定位中。

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