CN106481980A - 一种基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统及方法，其中，该系统包括传感器、前置放大器、主放大器、模数转换器、采集器和处理器；其中，传感器用于检测复合材料气瓶内部的声发射机械波，并将声发射机械波转换为电压震荡信号；前置放大器用于将电压震荡信号放大得到第二电信号；主放大器用于将第二电信号放大得到第三电信号；模数转换器用于将第三电信号转换为数字信号；采集器用于实时采集并传输数字信号；处理器用于接收数字信号并对其分析处理，得到复合材料气瓶健康监测所需的声发射信号特征参数。本发明解决了复合材料气瓶使用状态下的健康监测的问题，有效地评定及预测了复合材料气瓶损伤状况和疲劳寿命。

Description

一种基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统及方法
技术领域
本发明涉及航天用复合材料气瓶健康监测技术领域，尤其涉及一种基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统及方法。
背景技术
复合材料气瓶是火箭增压输送系统重要单机，用以贮存高压氮气或氦气，为推进剂贮箱增压。随着我国宇航技术的发展，重复使用运载器成为未来发展的趋势，这对复合材料气瓶提出了较大挑战。其中一个主要的技术难点在于对复合材料气瓶使用状态及损伤情况进行监控，对可能发生的故障提前预警。
无损检测方法是评估复合材料气瓶损伤状态与损伤发展规律、评价复合材料气瓶的服役性能与鉴定其失效的主要手段。目前，复合材料气瓶无损检测技术主要有超声波技术、声发射技术、声－超声检测技术、微波检测技术、涡流技术、敲击法及各类射线检测技术和光学检测技术等，但目前的无损检测技术主要是应用于复合材料气瓶生产过程中的质量检测，对于使用状态下的健康监测还很少涉及。
发明内容
本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统及方法，解决了复合材料气瓶使用状态下的健康监测的问题，有效地评定及预测了复合材料气瓶损伤状况和疲劳寿命。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明一个方面，提供了一种基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统，包括：传感器、前置放大器、主放大器、模数转换器、采集器和处理器；其中，所述传感器设置于待监测的复合材料气瓶的外表面，并检测复合材料气瓶内部的声发射机械波，并将所述声发射机械波转换为电压震荡信号；所述前置放大器与所述传感器相连接，用于将所述电压震荡信号放大得到第二电信号；所述主放大器与所述前置放大器相连接，用于将所述第二电信号放大得到第三电信号；所述模数转换器与所述主放大器相连接，用于将所述第三电信号转换为数字信号；所述采集器与所述模数转换器相连接，用于实时采集并传输所述数字信号；所述处理器与所述采集器相连接，用于接收包含声发射信号特征参数的所述数字信号并对其分析处理，得到复合材料气瓶健康监测所需的声发射信号特征参数。
上述基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统中，所述传感器的数量为四个。
上述基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统中，所述传感器与待监测的复合材料气瓶的外表面黏贴连接。
上述基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统中，所述声发射信号特征参数包括声发射信号的幅度、持续时间、能量计数、事件率和费利西蒂比。
根据本发明一个方面，还提供了一种基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法，所述方法包括：根据本发明一个方面所述的基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统通过实时连续监测方法或断续过载式监测方法对复合材料气瓶监测。
上述基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法中，所述实时连续监测方法包括以下步骤：
步骤一：在复合材料气瓶的外表面布置传感器，传感器实时连续检测复合材料气瓶内部的声发射机械波，并将所述声发射机械波转换为电压震荡信号；
步骤二：所述电压震荡信号经过前置放大器放大得到第二电信号；
步骤三：所述第二电信号经过主放大器放大得到第三电信号；
步骤四：所述第三电信号经过模数转换器转换为数字信号；
步骤五：采集器实时采集所述数字信号并将其传输；
步骤六：处理器接收所述数字信号并对其分析处理，得到复合材料气瓶的声发射信号的幅度、持续时间和能量计数；
步骤七：根据声发射信号的能量计数和持续时间绘制曲线，根据曲线监测复合材料气瓶损伤状况并对其剩余寿命进行预测。
上述基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法中，在所述步骤七中，得到声发射信号的能量计数随持续时间的曲线，曲线上包括两个拐点，根据两个拐点曲线分成第一曲线、第二曲线和第三曲线，第一曲线对应复合材料气瓶的轻微损伤阶段，第二曲线对应复合材料气瓶的稳定损伤阶段，第三曲线对应复合材料气瓶的严重损伤阶段，如果监测的复合材料气瓶在第一曲线和第二曲线内，则能够继续使用，如果监测的复合材料气瓶在第三曲线内，则少使用或停止使用。
上述基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法中，所述断续过载式监测方法包括以下步骤：
步骤十：基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统的传感器与复合材料气瓶的外表面相连接；
步骤十一：对复合材料气瓶进行充气，充气完毕后保压，然后放气，同时在充气、保压和放气过程中使用基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统对复合材料气瓶监测，得到复合材料气瓶的声发射信号的幅度、持续时间、事件率和费利西蒂比；
步骤十二：所述复合材料气瓶使用一定时间后，根据所述步骤十一使用基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统对复合材料气瓶监测，得到复合材料气瓶的声发射信号的幅度、持续时间、事件率和费利西蒂比；
步骤十三：多次重复步骤十二，根据复合材料气瓶的声发射信号的费利西蒂比、或长持续时间与事件率的关系监测复合材料气瓶损伤状况。
上述基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法中，在所述步骤十一中，保压的时间为25s-35s。
上述基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法中，还包括以下步骤：对复合材料气瓶声发射通道进行灵敏度校准。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明的基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统解决了现有技术中使用状态下复合材料气瓶没有有效监测的问题，从而能够有效地评定及预测复合材料气瓶损伤状况和疲劳寿命，从而对其健康状况进行有效评估，能够在保证使用安全的前提下，极大提高复合材料气瓶重复使用次数；
(2)本发明的基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法解决了现有技术中使用状态下复合材料气瓶没有有效监测的问题，从而能够有效地评定及预测复合材料气瓶损伤状况和疲劳寿命，从而对其健康状况进行有效评估，能够在保证使用安全的前提下，极大提高复合材料气瓶重复使用次数。
附图说明
图1示出了本发明的实施例提供的基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统的原理示意图；
图2示出了本发明的实施例提供的基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法中，复合材料气瓶的声发射信号的能量计数随持续时间的曲线；
图3是本发明的传感器布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
图1示出了本发明使用的复合基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统的原理图。如图1所示，基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统包括传感器1、前置放大器3、主放大器5、模数转换器6、采集器7和处理器10。其中，
传感器1用于设置于待监测的复合材料气瓶的外表面，并检测复合材料气瓶内部的声发射机械波，并将所述声发射机械波转换为电压震荡信号。具体的，传感器1黏贴在待监测的复合材料气瓶的外表面，传感器1用于监测复合材料气瓶内部的声发射机械波，并将其转换为电压震荡信号，声发射波是指材料在激励作用下产生的声发射以机械波的形式在材料中传播，这种机械波称为声发射机械波。
进一步的，传感器1的数量为四个，如图3所示，四个传感器沿着复合材料气瓶的水平轴线和数值轴线对称，这种设计方式使得传感器能够很好的监测复合材料气瓶内部的声发射机械波。
前置放大器3与传感器1相连接，用于将电压震荡信号放大得到第二电信号。具体的，前置放大器3用于将电压震荡信号放大，以避免信号传输过程中的信号衰减和失真。进一步的，传感器1的数量为四个，每个传感器1配备一个前置放大器3，即传感器1的数量与前置放大器3的数量相同。
主放大器5与前置放大器3相连接，用于将第二电信号放大得到第三电信号。主放大器5用于对第二电信号进行进一步放大处理，以满足模数转换的需求。
模数转换器6与主放大器5相连接，用于将第三电信号转换为数字信号。
采集器7与模数转换器6相连接，用于实时采集数字信号并将其传输。
处理器10与采集器7相连接，用于接收所述数字信号并对其分析处理，得到复合材料气瓶健康监测所需的声发射信号特征参数。
本实施例的基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统解决了现有技术中使用状态下复合材料气瓶没有有效监测的问题，从而能够有效地评定及预测复合材料气瓶损伤状况和疲劳寿命，从而对其健康状况进行有效评估，能够在保证使用安全的前提下，极大提高复合材料气瓶重复使用次数。
上述实施例中，声发射信号特征参数包括声发射信号的幅度、持续时间、能量计数、事件率和费利西蒂比。具体的，声发射信号参数是指用来描述一个声发射信号波形形状的一系列参量。其中，声发射信号幅度是指一个声发射信号波形上所获得的未经放大的最大振幅的峰值电压，不论正负；声发射信号的持续时间是指声发射信号的起始点与终止点之间的时间间隔；声发射信号能量是指经过增益放大后的信号检波包络线下的面积；事件率是指单位时间或单位载荷内记录到的声发射事件数量，声发射事件是指引起声发射的材料局部变化；费利西蒂比是指在固定检测灵敏度下，重复加载过程中声发射再次显著出现的载荷与之前最大载荷之比，费利西蒂比的大小可以表示材料或结构在之前载荷作用下所受损伤的严重程度，费利西蒂比越小损伤越严重。
本发明的基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统解决了现有技术中使用状态下复合材料气瓶没有有效监测的问题，从而能够有效地评定及预测复合材料气瓶损伤状况和疲劳寿命，从而对其健康状况进行有效评估，能够在保证使用安全的前提下，极大提高复合材料气瓶重复使用次数。
本发明还提供了一种基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法，该方法包括：根据上述实施例提供的基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统通过实时连续监测方法或断续过载式监测方法对复合材料气瓶监测。
具体的，实时连续监测即在复合材料气瓶使用过程中用声发射技术连续不断的实时监测整个过程，声发射监测覆盖气瓶整个使用过程。其优势在于信号采集齐全，反应快速，能够对复合材料气瓶全寿命周期有一个完整的监测。
实时连续监测方法包括以下步骤：
步骤一：在正在使用的复合材料气瓶的外表面布置传感器1，传感器1实时连续检测复合材料气瓶内部的声发射机械波，并将声发射机械波转换为电压震荡信号；
步骤二：电压震荡信号经过前置放大器3放大得到第二电信号；
步骤三：第二电信号经过主放大器5放大得到第三电信号；
步骤四：第三电信号经过模数转换器6转换为数字信号；
步骤五：采集器7实时采集数字信号并将其传输；
步骤六：处理器10接收数字信号并对其分析处理，得到复合材料气瓶的声发射信号的幅度、持续时间和能量计数；
步骤七：根据声发射信号的能量计数和持续时间绘制曲线，根据曲线监测复合材料气瓶损伤状况并对剩余寿命进行预测。
在步骤一中，按照图3方式在气瓶上布置声发射传感器定位阵列，传感器最大间距约为350mm，最大传感器间距上的最大衰减约为15dB。其中，每个传感器相对应每个监测通道，本实施例提出的复合材料气瓶健康监测方法中对于声发射信号的定位采用区域定位技术。区域定位是指以在用监测通道的实际监视区域为单位来确定声发射源区位置的定位方法。其主要方法是首先根据几个声发射传感器的安装位置，将复合材料气瓶分为几个不同区域，在监测过程中，对于特定的声发射信号，根据最先收到该声发射信号的传感器位置，将其定位于特定区域当中。
在步骤七中，如图2所示，声发射事件的能量计数随持续时间的累积变化曲线变化趋势划分为三类：收敛、恒速增加、快速增加。利用能量计数累积曲线的拐点可以将复合材料气瓶疲劳至失效过程分为三个发展阶段，即轻微损伤阶段、稳定损伤阶段和严重损伤阶段。轻微损伤阶段对应能量计数曲线0～a段，在此阶段，复合材料气瓶几乎没有损伤或者有轻微损伤，可以继续使用；稳定损伤阶段对应能量计数曲线a～b段，在此阶段，复合材料气瓶的损伤在稳定发展阶段，可以继续使用；严重损伤阶段对应能量计数曲线b点及以后，此阶段，复合材料气瓶的损伤已经很严重，临近复合材料气瓶的疲劳寿命终点，可少周次使用或停止使用。
上述实施例中，实时连续监测方法还包括：以下步骤：对复合材料气瓶声发射通道进行灵敏度校准。通道灵敏度校准是对声发射传感器耦合效果进行检查的必要步骤。具体方法是用声发射模拟源在传感器附近进行多次触发，各声发射通道响应的声发射信号幅度越高以及各声发射通道响应的幅度均值差别越小越好。其中，模拟源应能稳定产生声发射模拟型号，并具有可重复性。
断续过载式监测，即通过对使用一定次数的复合材料气瓶施加过载静力，并在过载静力试验中同时进行声发射监测，其过载静力的大小一般为使用过程中应力上限的1.2～1.5倍。其优势在于复合材料气瓶使用过程中可以不附加监测设备，只需定期对复合材料气瓶进行声发射检测即可。
断续过载式监测方法包括以下几个步骤：
步骤十：基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统的传感器1与复合材料气瓶的外表面相连接；
步骤十一：对复合材料气瓶进行充气，充气完毕后保压，然后放气，同时在充气、保压和放气过程中使用基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统对复合材料气瓶监测，得到复合材料气瓶的声发射信号的幅度、持续时间、事件率和费利西蒂比；
步骤十二：所述复合材料气瓶使用一定时间后，根据所述步骤十一使用基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统对复合材料气瓶监测，得到复合材料气瓶的声发射信号的幅度、持续时间、事件率和费利西蒂比；
步骤十三：多次重复步骤十二，根据复合材料气瓶的声发射信号的费利西蒂比、或长持续时间与事件率的关系监测复合材料气瓶是否健康。
在步骤十中，按照图3方式在气瓶上布置声发射传感器定位阵列。其中，每个传感器相对应每个监测通道，本实施例提出的复合材料气瓶健康监测方法中对于声发射信号的定位采用区域定位技术。区域定位是指以在用监测通道的实际监视区域为单位来确定声发射源区位置的定位方法。其主要方法是首先根据几个声发射传感器的安装位置，将复合材料气瓶分为几个不同区域，在监测过程中，对于特定的声发射信号，根据最先收到该声发射信号的传感器位置，将其定位于特定区域当中。
在步骤十一中，保压的时间为25s-35s。
在步骤十二中，使用一定的时间可选择为2-5天。
在步骤十三中，当声发射信号的费利西蒂比显著下降或在复合材料气瓶寿命的中后期大量出现长持续时间声发射事件(即长持续时间与事件率的关系)时，表明复合材料气瓶损伤已很严重，停止使用。
上述实施例中，断续过载式监测方法还包括以下步骤：对复合材料气瓶声发射通道进行灵敏度校准。通道灵敏度校准是对声发射传感器耦合效果进行检查的必要步骤。具体方法是用声发射模拟源在传感器附近进行多次触发，各声发射通道响应的声发射信号幅度越高以及各声发射通道响应的幅度均值差别越小越好。其中，模拟源应能稳定产生声发射模拟型号，并具有可重复性。
本发明的基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法解决了现有技术中使用状态下复合材料气瓶没有有效监测的问题，从而能够有效地评定及预测复合材料气瓶损伤状况和疲劳寿命，从而对其健康状况进行有效评估，能够在保证使用安全的前提下，极大提高复合材料气瓶重复使用次数。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统，其特征在于包括：传感器(1)、前置放大器(3)、主放大器(5)、模数转换器(6)、采集器(7)和处理器(10)；其中，
所述传感器(1)设置于待监测的复合材料气瓶的外表面，并检测复合材料气瓶内部的声发射机械波，并将所述声发射机械波转换为电压震荡信号；
所述前置放大器(3)与所述传感器(1)相连接，用于将所述电压震荡信号放大得到第二电信号；
所述主放大器(5)与所述前置放大器(3)相连接，用于将所述第二电信号放大得到第三电信号；
所述模数转换器(6)与所述主放大器(5)相连接，用于将所述第三电信号转换为数字信号；
所述采集器(7)与所述模数转换器(6)相连接，用于实时采集并传输所述数字信号；
所述处理器(10)与所述采集器(7)相连接，用于接收包含声发射信号特征参数的所述数字信号并对其分析处理，得到复合材料气瓶健康监测所需的声发射信号特征参数。
2.根据权利要求1所述的基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统，其特征在于：所述传感器(1)的数量为四个。
3.根据权利要求2所述的基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统，其特征在于：所述传感器(1)与待监测的复合材料气瓶的外表面黏贴连接。
4.根据权利要求1所述的基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统，其特征在于：所述声发射信号特征参数包括声发射信号的幅度、持续时间、能量计数、事件率和费利西蒂比。
5.一种基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法，其特征在于，所述方法包括：根据权利要求1至4任一项所述的基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统通过实时连续监测方法或断续过载式监测方法对复合材料气瓶监测。
6.根据权利要求5所述的基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法，其特征在于：所述实时连续监测方法包括以下步骤：
步骤一：在复合材料气瓶的外表面布置传感器(1)，传感器(1)实时连续检测复合材料气瓶内部的声发射机械波，并将所述声发射机械波转换为电压震荡信号；
步骤二：所述电压震荡信号经过前置放大器(3)放大得到第二电信号；
步骤三：所述第二电信号经过主放大器(5)放大得到第三电信号；
步骤四：所述第三电信号经过模数转换器(6)转换为数字信号；
步骤五：采集器(7)实时采集所述数字信号并将其传输；
步骤六：处理器(10)接收所述数字信号并对其分析处理，得到复合材料气瓶的声发射信号的幅度、持续时间和能量计数；
步骤七：根据声发射信号的能量计数和持续时间绘制曲线，根据曲线监测复合材料气瓶损伤状况并对其剩余寿命进行预测。
7.根据权利要求6所述的基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法，其特征在于：在所述步骤七中，得到声发射信号的能量计数随持续时间的曲线，曲线上包括两个拐点，根据两个拐点曲线分成第一曲线、第二曲线和第三曲线，第一曲线对应复合材料气瓶的轻微损伤阶段，第二曲线对应复合材料气瓶的稳定损伤阶段，第三曲线对应复合材料气瓶的严重损伤阶段，如果监测的复合材料气瓶在第一曲线和第二曲线内，则能够继续使用，如果监测的复合材料气瓶在第三曲线内，则少使用或停止使用。
8.根据权利要求5所述的基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法，其特征在于：所述断续过载式监测方法包括以下步骤：
步骤十：基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统的传感器(1)与复合材料气瓶的外表面相连接；
步骤十一：对复合材料气瓶进行充气，充气完毕后保压，然后放气，同时在充气、保压和放气过程中使用基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统对复合材料气瓶监测，得到复合材料气瓶的声发射信号的幅度、持续时间、事件率和费利西蒂比；
步骤十二：所述复合材料气瓶使用一定时间后，根据所述步骤十一使用基于声发射的复合材料气瓶健康监测系统对复合材料气瓶监测，得到复合材料气瓶的声发射信号的幅度、持续时间、事件率和费利西蒂比；
步骤十三：多次重复步骤十二，根据复合材料气瓶的声发射信号的费利西蒂比、或长持续时间与事件率的关系监测复合材料气瓶损伤状况。
9.根据权利要求8所述的基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法，其特征在于：在所述步骤十一中，保压的时间为25s-35s。
10.根据权利要求6或权利要求8所述的基于声发射的复合材料气瓶健康监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：对复合材料气瓶声发射通道进行灵敏度校准。
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