CN110161116A - 位移和声发射一体化传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种位移和声发射一体化传感装置，该位移和声发射一体化传感装置包括波导杆、空间定位模块、声发射传感器和位移传感器，波导杆的一端与被测物体相接触，空间定位模块的一端与波导杆的另一端连接，空间定位模块具有容纳腔，声发射传感器设置在波导杆的另一端且位于容纳腔内，空间定位模块通过容纳腔对声发射传感器进行定位和夹紧，声发射传感器用于检测由波导杆传递的被测物体所发出的声发射信号，位移传感器与空间定位模块的另一端连接，位移传感器用于检测被测物体所产生的位移。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中高温力热试验中所测结构的承载能力和性能测量精度差以及结构损伤状态监测与诊断能力差的技术问题。

Description

位移和声发射一体化传感装置

技术领域

本发明涉及航天器结构损伤监测技术领域，尤其涉及一种位移和声发射一体化传感装置。

背景技术

临近空间是指高度为20km至100km之间的广阔空域，介于传统的空与天之间。随着军事理论和军事需求的迅猛发展，临近空间领域的防御和打击能力获得了广泛的关注，正逐步成为各军事强国重点发展的领域之一。临近空间飞行器作为该空域作战的核心武器系统，是当今世界空天一体化领域的主要研究对象，具有快速反应、强突防、强摧毁和高机动作战以及精确打击等能力，对未来空天一体化作战有着革命性影响。临近空间飞行器高速飞行或再入过程中要承受严酷的气动热载荷，为保证飞行器内部的元器件能够正常工作，需要一个有效的热防护结构。随着飞行马赫数及航时的不断增加，机身表面温度不断升高，传统的热防护结构和材料如金属热防护、隔热毡等无法继续满足使用要求，必须采用耐温性更高、抗氧化性更优异的陶瓷基复合材料热防护结构。

基于此，需要对热防护机构开展高温状态下的相关地面试验。模拟真实环境下的高温力热试验是复合材料结构应用过程中重要环节，高温条件下的信号测试也是试验考核面临的突出难点。高温力热试验考核热环境和力学环境下结构的承载能力和性能，要求具有极端热环境下的测试手段，以获得结构在高温承载环境下的承载能力。现有技术中通常采用非接触测量方式来用于力热试验，然而由于非接触测量方式需要使用激光等介质来进行测量，而激光等介质在高温力热环境下容易受到干扰，从而影响测量效果，降低测量精度。再者，在高温力热试验条件下，由于实验条件的限制，导致可用的测点较少，极大地限制了布置传感器的数目，降低了结构损伤状态监测与诊断能力。

发明内容

本发明提供了一种位移和声发射一体化传感装置，能够解决现有技术中高温力热试验中所测结构的承载能力和性能测量精度差以及结构损伤状态监测与诊断能力差的技术问题。

本发明提供了一种位移和声发射一体化传感装置，位移和声发射一体化传感装置包括：波导杆，波导杆的一端与被测物体相接触；空间定位模块，空间定位模块的一端与波导杆的另一端连接，空间定位模块具有容纳腔，容纳腔设置在空间定位模块和波导杆的另一端之间；声发射传感器，声发射传感器设置在波导杆的另一端且位于容纳腔内，空间定位模块通过容纳腔对声发射传感器进行定位和夹紧，声发射传感器用于检测由波导杆传递的被测物体所发出的声发射信号；位移传感器，位移传感器与空间定位模块的另一端连接，位移传感器用于检测被测物体所产生的位移。

进一步地，位移和声发射一体化传感装置还包括中继定位模块，中继定位模块的一端设置在空间定位模块的另一端，位移传感器设置在中继定位模块的另一端。

进一步地，空间定位模块包括相连接的第一连接段和第二连接段，空间定位模块通过第一连接段与波导杆的另一端连接，容纳腔设置在第二连接段内。

进一步地，波导杆为圆柱形杆，第一连接段为空心圆柱体，空心圆柱体与波导杆的另一端螺纹配合连接。

进一步地，波导杆的长度大于100mm。

进一步地，波导杆的材质为陶瓷基复合材料。

进一步地，声发射传感器包括圆柱形压电陶瓷传感器。

进一步地，位移传感器包括顶针式位移传感器。

应用本发明的技术方案，提供了一种位移和声发射一体化传感装置，在进行高温力热试验时，波导杆与被测物体紧密接触，从而能够有效地收集被测物体所发出的声发射信号，声发射传感器设置在波导杆的另一端，通过声发射传感器能够有效地检测由波导杆传递的被测物体所发出的声发射信号，从而判断被测物体的损伤情况。再者，本发明的传感装置还包括位移传感器，位移传感器与空间定位模块的另一端连接，位移传感器能够检测被测物体在受到载荷情况下所产生的位移。因此，在进行高温力学试验时，通过使用本发明的位移和声发射一体化传感装置，能够同时实现航天结构位移和损伤的联合检测，同时能够提高检测精度和检测效率。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的位移和声发射一体化传感装置的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、波导杆；20、空间定位模块；20a、容纳腔；21、第一连接段；22、第二连接段；30、声发射传感器；40、位移传感器；50、中继定位模块；100、被测物体。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种位移和声发射一体化传感装置，该位移和声发射一体化传感装置包括波导杆10、空间定位模块20、声发射传感器30和位移传感器40，波导杆10的一端与被测物体相接触，空间定位模块20的一端与波导杆10的另一端连接，空间定位模块20具有容纳腔20a，容纳腔20a设置在空间定位模块20和波导杆10的另一端之间，声发射传感器30设置在波导杆10的另一端且位于容纳腔20a内，空间定位模块20通过容纳腔20a对声发射传感器30进行定位和夹紧，声发射传感器30用于检测由波导杆10传递的被测物体所发出的声发射信号，位移传感器40与空间定位模块20的另一端连接，位移传感器40用于检测被测物体所产生的位移。

应用此种配置方式，提供了一种位移和声发射一体化传感装置，在进行高温力热试验时，波导杆10与被测物体100紧密接触，从而能够有效地收集被测物体100所发出的声发射信号，声发射传感器30设置在波导杆的另一端，通过声发射传感器30能够有效地检测由波导杆10传递的被测物体所发出的声发射信号，从而判断被测物体100的损伤情况。再者，本发明的传感装置还包括位移传感器40，位移传感器40与空间定位模块20的另一端连接，位移传感器40能够检测被测物体100在受到载荷情况下所产生的位移。因此，在进行高温力学试验时，通过使用本发明的位移和声发射一体化传感装置，能够同时实现航天结构位移和损伤的联合检测，同时能够提高提高检测精度和检测效率。

具体地，在本发明中，由于声发射(Acoustic Emission，简称“AE”)是指结构在损伤形成的过程中以高频应力波的形式释放出能量的现象，声发射信号里面蕴含着关于结构损伤的重要信息，例如损伤位置、损伤模式以及损伤严重程度等，在复合材料的损伤源识别与定位、裂纹萌生和扩展监测等工程实践中具有较大的优势，尤其是对于复合材料在承载和损伤过程中的声发射特点进行检测能够极大地提高损伤检测精度。因此，将声发射测试技术运用到复合材料高温力热试验中，能够有效地获取复合材料结构损伤的重要信息。此外，在高温力热试验中，由于试验条件的限制，通常在复合材料结构上可用的测点非常少，极大地限制了测点的数目，从而影响了测试数据的完备性，特别是对于位移、声发射这两种常见的损伤表征参量。通过使用本发明的位移和声发射一体化传感装置，使得声发射传感器30和位移传感器40以串联的方式融合为一个整体，能够同时实现高温条件下结构材料位移、声发射这两种常见的损伤表征参量的测量，大幅度减少测点数目，提高了测试数据的完备性。此外，在本发明中，高温环境具体是指温度在400℃至1600℃的环境。

进一步地，在本发明中，为了提高位移传感器50的定位及测量精度，可将位移和声发射一体化传感装置配置为还包括中继定位模块50，中继定位模块50的一端设置在空间定位模块20的另一端，位移传感器40设置在中继定位模块50的另一端。

应用此种配置方式，通过在位移传感器40和空间定位模块20之间设置中继定位模块50，一方面能够提高位移传感器40的定位精度，另一方面能够进一步地降低温度对于位移传感器40的影响，从而提高位移传感器40的测量精度。

作为本发明的一个具体实施例，波导杆10的一端与被测物体100紧密接触，以用于收集被测物体100的声发射信号，声发射传感器30设置在波导杆10的另一端且与波导杆10的另一端紧密接触，空间定位模块20与波导杆10的另一端相连接，且通过空间定位模块20实现对声发射传感器30的定位和夹紧。中继定位模块50的一端粘接在空间定位模块20的另一端，以用于传递位移以及对位移传感器40进行定位。位移传感器40粘接在中继定位模块50的表面，以用于获取被测物体100在受载荷情况下所产生的位移变形量，由此能够实现被测物体100在高温力热环境下结构位移、损伤的联合监测。

进一步地，在本发明中，为了实现对声发射传感器30的定位，可将空间定位模块20配置为包括相连接的第一连接段21和第二连接段22，空间定位模块20通过第一连接段21与波导杆10的另一端连接，容纳腔20a设置在第二连接段22内。具体地，在本发明中，容纳腔20a的结构形状可随着声发射传感器30形状进行设置，从而实现对声发射传感器30的支撑和固定。

此外，为了提高空间定位模块20和波导杆10的连接稳固度，可将波导杆10配置为圆柱形杆，第一连接段21为空心圆柱体，空心圆柱体与波导杆10的另一端螺纹配合连接。此种连接方式稳定可靠且拆装方便。作为本发明的其他实施例，波导杆10的截面形状也可为其他非圆截面，只要能够实现声发射信号的传递即可。

进一步地，在本发明中，为了进一步地降低高温对声发射传感器30以及位移传感器40的影响，可将波导杆10的长度配置为大于100mm。此外，为了能够耐高温且提高声发射信号的传导效率，可将波导杆10的材质配置为陶瓷基复合材料。

此外，考虑获取方式的难易度以及成本，可将声发射传感器30配置为包括圆柱形压电陶瓷传感器，位移传感器40包括顶针式位移传感器。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1对本发明的位移和声发射一体化传感装置的结构进行详细说明。

如图1所示，作为本发明的一个具体实施例，可采用临近空间飞行器热防护结构作为被测物体100。位移和声发射一体化传感装置包括波导杆10、空间定位模块20、声发射传感器30、位移传感器40和中继定位模块50，空间定位模块20包括相连接的第一连接段21和第二连接段22，在第二连接段22内设置有容纳腔20a。波导杆10为圆柱体杆状结构，其材料为陶瓷基复合材料，长度根据试验现场确定，一般应大于100mm。声发射传感器30为圆柱形压电陶瓷传感器，位移传感器40为顶针式的位移传感器。

在使用时，波导杆10的一端与飞行器热防护结构紧密接触，波导杆10用于收集飞行器热防护结构在高温力热环境下所发出的声发射信号，空间定位模块20通过第一连接段21与波导杆10的另一端螺纹连接，声发射传感器30设置在波导杆10的另一端且与波导杆10的另一端紧密接触，空间定位模块20通过容纳腔20a对声发射传感器30进行定位和夹紧。中继定位模块50的一端粘接在空间定位模块20的另一端，以用于传递位移以及对位移传感器40进行定位。位移传感器40粘接在中继定位模块50的表面，以用于获取被测物体100在受载荷情况下所产生的位移变形量，由此能够实现被测物体在高温力热环境下结构位移、损伤的联合监测。

综上所述，本发明的位移和声发射一体化传感装置相对于现有技术而言，能够适用于高温环境下的测试，并且能够同时实现位移、声发射两种物理参量的测试，该种方式大幅度减少了测点数目，提高结构损伤状态监测与诊断能力，为临近空间飞行器热防护结构损伤检测提供新方法，推动声发射技术的进步。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种位移和声发射一体化传感装置，其特征在于，所述位移和声发射一体化传感装置包括：

波导杆(10)，所述波导杆(10)的一端与被测物体相接触；

空间定位模块(20)，所述空间定位模块(20)的一端与所述波导杆(10)的另一端连接，所述空间定位模块(20)具有容纳腔(20a)，所述容纳腔(20a)设置在所述空间定位模块(20)和所述波导杆(10)的另一端之间；

声发射传感器(30)，所述声发射传感器(30)设置在所述波导杆(10)的另一端且位于所述容纳腔(20a)内，所述空间定位模块(20)通过所述容纳腔(20a)对所述声发射传感器(30)进行定位和夹紧，所述声发射传感器(30)用于检测由所述波导杆(10)传递的所述被测物体所发出的声发射信号；

位移传感器(40)，所述位移传感器(40)与所述空间定位模块(20)的另一端连接，所述位移传感器(40)用于检测所述被测物体所产生的位移。

2.根据权利要求1所述的位移和声发射一体化传感装置，其特征在于，所述位移和声发射一体化传感装置还包括中继定位模块(50)，所述中继定位模块(50)的一端设置在所述空间定位模块(20)的另一端，所述位移传感器(40)设置在所述中继定位模块(50)的另一端。

3.根据权利要求2所述的位移和声发射一体化传感装置，其特征在于，所述空间定位模块(20)包括相连接的第一连接段(21)和第二连接段(22)，所述空间定位模块(20)通过所述第一连接段(21)与所述波导杆(10)的另一端连接，所述容纳腔(20a)设置在所述第二连接段(22)内。

4.根据权利要求3所述的位移和声发射一体化传感装置，其特征在于，所述波导杆(10)为圆柱形杆，所述第一连接段(21)为空心圆柱体，所述空心圆柱体与所述波导杆(10)的另一端螺纹配合连接。

5.根据权利要求4所述的位移和声发射一体化传感装置，其特征在于，所述波导杆(10)的长度大于100mm。

6.根据权利要求1所述的位移和声发射一体化传感装置，其特征在于，所述波导杆(10)的材质为陶瓷基复合材料。

7.根据权利要求1所述的位移和声发射一体化传感装置，其特征在于，所述声发射传感器(30)包括圆柱形压电陶瓷传感器。

8.根据权利要求1所述的位移和声发射一体化传感装置，其特征在于，所述位移传感器(40)包括顶针式位移传感器。