CN110295340A - 基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器及其制备、监测方法 - Google Patents

基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器及其制备、监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器及其制备、监测方法，该裂纹监测传感器是通过等离子体喷涂法将绝缘基底层、损伤传感元和封装保护层一体化集成在任意形状的目标监测结构表面的功能梯度镶嵌式膜结构，其形状与裂纹监测部位的形状相匹配。损伤传感元是多环传感元结构，其各环中心重叠、相邻两环的间距相等，每环均设有输出电压引线。等离子体喷涂的裂纹监测传感器喷涂在目标监测结构的裂纹面，通过损伤传感元的输出电压引线在裂纹面两端外接恒定电源，然后测量目标监测结构的裂纹面两端的电位差，通过目标监测结构的裂纹长度和该电位差之间的函数关系，确定目标监测结构的裂纹长度，实现了任意形状危险部位的裂纹监测。

Description

基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器及其制备、监测方法
技术领域
本发明属于裂纹监测传感器制备技术领域，特别是涉及一种基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器及其制备方法、裂纹监测方法。
背景技术
结构在变动的应力(应变)作用下发生的损伤破坏，称为疲劳破坏或疲劳失效，疲劳失效是装备与构件最常见的失效模式，大约占构件全部失效的50％～90％，其中结构疲劳失效通常是因为裂纹的萌生和发展，裂纹的萌生发展最终导致了结构的破坏，因此监测结构裂纹是了解结构安全状态的重要方法。传统的裂纹监测方法或者裂纹传感器制备方法均是对规则形状(如圆形孔形状等)的危险部位开展裂纹检测，但实际工程应用中，危险部位可能是表现出多种多样的几何形式，现有的裂纹检测技术无法应用于任意形状的危险部位，此外，现有监测方法或者传感器制备方法工艺比较复杂，不便于大规模批量生产实施。
PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)技术是指在特定条件(如真空、高温等)下，采用物理方法将金属传感器材料转化为分子、原子或离子态，直接沉积到基体表面的一种镀膜工艺，物理气相沉积技术中最为基本的两种方法是蒸发法和溅射法，PVD工艺虽然能将金属薄膜传感器与被检测基体结合形成一体化结构，但需要大型PVD设备进行镀膜，工艺十分复杂，成本较高。
光纤传感器检测是通过调制光纤中传输光的强度、相位、波长、偏振态并对这些变化进行监测，实现对温度、应变、压力、声震动、角速度等多种参量的测量，进而对结构健康状态进行监控。压电材料检测是利用压电材料在受压力作用时材料两端会出现电压，反之，对材料施加电压，就会产生机械应力(也称之为逆压电效应)这些物理效应。利用压电材料可实现机械振动(声波)和交流电的互相转换，进而实现对结构的损伤状态的监控。但光纤传感器检测和压电材料检测无法实现传感器和基体材料一体化，导致无法进行一体集成化加工。
电磁涡流检测就是利用电磁感应原理，检测导电结构表面和近表面缺陷的一种探伤方法。利用激励线圈作为导电体产生涡电流，借助探测线圈测定涡电流的变化量，从而获得缺陷的关键信息，实现对结构损伤状态的检测。但电磁涡流监测只能检测孔边是否有裂纹产生，无法检测其裂纹的长度，且检测信号较小，抗干扰能力较弱。
智能涂层是一种具有“随附损伤特性”的智能传感器监测技术，利用纳米技术，广泛应用于飞机结构的高性能防腐涂层材料改性，通常利用智能涂层随部件受损的特性，检测智能涂层某种性能指标以达到检测结构损伤的目的，但智能涂层监测无法对孔边结合部位及狭小连接部位进行加工生产，且容易受到外界腐蚀等环境的影响。
等离子喷涂技术是一种新型多用途的精密喷涂方法，是一种材料表面强化和表面改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐腐蚀、耐高温氧化、电绝缘等性能。等离子喷涂技术一般是采用直流电动驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。由于常压等离子体不需要真空设备，所以常压等离子体是等离子体发展和应用的趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器，以解决现有传感器与目标监测结构相互独立带来的耐久性差的问题和裂纹监测传感器只能对规则形状的危险部位开展裂纹检测而无法对任意形状的危险部位进行裂纹监测的问题。
本发明的另一目的在于提供一种基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器制备方法，以解决现有的裂纹监测传感器制备方法工艺复杂、难以实现大规模批量生产实施的问题。
本发明的另一目的在于提供一种裂纹监测方法，以解决任意形状的危险部位的裂纹监测问题。
本发明所采用的技术方案是，基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器，是通过等离子体喷涂法将绝缘基底层、损伤传感元和封装保护层一体化集成在任意形状的目标监测结构表面的功能梯度镶嵌式膜结构，其形状与不同目标监测结构的裂纹监测部位的形状相匹配。
进一步的，所述绝缘基底层位于最底层且与目标监测结构表面相结合，封装保护层位于最表层，损伤传感元位于绝缘基底层和封装保护层之间且被绝缘基底层和封装保护层完全包裹。
进一步的，所述损伤传感元是多环传感元结构，其各环中心重叠、相邻两环的间距相等且其相邻两环的间距为1.5～2.5mm，每环均设有输出电压引线。
进一步的，所述绝缘基底层、损伤传感元和封装保护层的厚度均为4～10μm；
所述损失传感元经其上的导线连接机构连接外部测量设备；
所述绝缘基底层采用与目标监测结构的基体材料结合性能优异、绝缘性和抗冲击性良好的过渡材料；
所述损伤传感元采用延展性能优异、电阻率小于5*10-7Ω·m的材料；
所述封装保护层采用硬度、抗腐蚀性和在相应环境中环境耐受性优良的材料。
进一步的，所述绝缘基底层由Al2O3制得；所述损伤传感元由Cu制得；所述封装保护层由TiN粉末制得；
所述TiN粉末粒度为140～320目；
所述导线连接机构为焊点、导电胶或者机械卡扣。
本发明所采用的另一技术方案是，基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器的制备方法，制备过程为：先制作与损伤传感元几何形状比例为1:1的开槽模具，然后采用等离子喷涂方法在目标监测结构基体上依次喷涂绝缘基底层、损伤传感元和封装保护层；
所述损伤传感元利用开槽模具进行喷涂。
进一步的，采用常压冷等离子喷涂系统进行等离子喷涂；
所述常压冷等离子喷涂系统的等离子体气源是纯度为99.999％的N2和纯度为99.999％的NH3按92:8的体积比等压均匀混合的混合气体；
所述常压冷等离子喷涂系统采用气体压缩式雾化器对Cu(NO3)2溶液进行雾化，气体压缩式雾化器的驱动气体是纯度为99.999％、流量为4L/min的N2；
所述常压冷等离子喷涂系统的保护气体是纯度为99.99％、流量为12L/min的氩气。
进一步的，所述采用等离子喷涂方法在目标监测结构基体上喷涂绝缘基底层前需要对目标监测结构基体依次进行除油、碱清洗、热水洗、流动冷水洗；
所述采用等离子喷涂方法在绝缘基底层上喷涂损伤传感元前需要对绝缘基底层和开槽模具依次进行去油、三氯乙烯超声清洗、氟利昂超声清洗、清水超声清洗、去离子水超声清洗和烘干；
所述采用常压冷等离子喷涂系统进行等离子喷涂的具体过程为：首先将NH3、N2控制阀打开，调节输出压力至等压，将NH3、N2按照92:8的体积比混合均匀，混合气压>0.35MPa；将基体载玻片分别经过丙酮、酒精超声清洗30min去除表面污渍并干燥后固定于基体台上；调整等离子体枪头与目标监测结构基体的相对位置，使枪头到目标监测结构基体的距离为3mm；将配制的浓度为70～140g/L的Cu(NO3)3溶液装入气体压缩式雾化器，并将NH3和N2的混合气体通入常压冷等离子喷涂系统；打开雾化Cu(NO3)3溶液的载气开关，将溶液通过雾化器雾化后形成的雾状微粒通入到等离子体光焰下游，同时打开保护气开关；打开等离子发生器的开关，调节等离子发生器的输出功率，产生稳定的等离子体光焰；控制运动平台的运动轨迹和速率，打开运动平台控制开关即可进行喷涂。
进一步的，采用电位法监测目标监测结构基体的裂纹长度，具体做法是：将等离子体喷涂的裂纹监测传感器喷涂在目标监测结构的裂纹面之后，通过损伤传感元2的输出电压引线在目标监测结构的裂纹面两端外接恒定电源，然后测量目标监测结构的裂纹面两端的电位差，并通过标定试验确定目标监测结构的裂纹长度和该电位差之间的函数关系，依据该函数关系，确定目标监测结构的裂纹长度。
进一步的，所述目标监测结构的裂纹长度和电位差之间的函数关系为：
或
其中，V为测得的目标监测结构的裂纹面两端的电压值，Vr为测得的目标监测结构的裂纹面两端的初始电位值，a为裂纹长度，ar为初始裂纹长度，y为输出电压引线间距的一半，W为目标监测结构宽度。
本发明的有益效果是，采用等离子体喷涂方法将裂纹传感器一体化集成在目标监测结构表面，克服了传统连接方法使裂纹传感器与基体相互独立带来的耐久性差等问题；通过功能梯度材料的设计理念，使裂纹传感器与监测结构基体材料保持高度的一致性和跟随性，能够准确反映目标监测结构的真实状态；可根据应力集中部位或者危险部位的不同形状，设计加工与之相匹配的任意形状裂纹传感器，具有高效的适应性，有效解决了裂纹监测传感器只能对规则形状的危险部位开展裂纹检测而无法对任意形状的危险部位进行裂纹监测的问题和任意形状的危险部位的裂纹监测问题。
针对任意几何形状的疲劳危险部位，通过等离子喷涂方法把损伤传感元涂覆在金属构件表面，形成能匹配任意几何形状危险部位的裂纹监测传感器，该传感器不仅能精确预测危险部位裂纹的萌生和形成，还能通过传感器的环状传感元精确预测关键部位的裂纹长度，达到保障装备安全的重要目的，同时也为维修人员进行维修活动提供重要依据。制备方法简单高效，所得裂纹监测传感器精度高，便于工程化应用，解决了现有的裂纹监测传感器制备方法工艺复杂、难以实现大规模批量生产实施的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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是本发明裂纹传感器的剖面结构示意图；
图2是常压冷等离子喷涂系统框架示意图；
图3a是本发明的矩形传感器平面布置图；
图3b是本发明的椭圆形传感器平面布置图；
图3c是本发明的六边形传感器平面布置图；
图4是本发明的传感器与外界导线连接方式、封装层位置示意图。
图中，1.绝缘基底层，2.损伤传感元，3.封装保护层，4.导线连接机构。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器，如图1和图3a～3c所示，是通过等离子体喷涂法将绝缘基底层1、损伤传感元2和封装保护层3一体化集成在目标监测结构表面的功能梯度镶嵌式膜结构。绝缘基底层1位于最底层且与目标监测结构表面相结合，封装保护层3位于最表层，损伤传感元2位于绝缘基底层1和封装保护层3之间。功能梯度镶嵌式膜结构采用梯度功能材料的设计理念，即应用等离子喷涂方法，将绝缘基底层1、损伤传感元2和封装保护层3三种材料附着在被检测构件上，使裂纹传感器与目标监测结构基体材料保持高度的一致性和跟随性，能够准确反映目标监测结构的真实状态。梯度功能材料就是只依据结构需求，将具有不同功能的材料依据需求结合为一体化结构材料，它的设计要求功能、性能随机件内部位置的变化而变化，通过优化构件的整体性能而得以满足。梯度功能材料在本发明中能够将绝缘基底层1、损伤传感元2和封装保护层3这三种层结构的性能一体化集成，并且保留了各层的功能不被削弱。采用功能梯度镶嵌式膜结构，可以有效将绝缘基底层1、损伤传感元2和封装保护层3区分开，并使监测结构基体材料和传感器之间产生物理隔离，能够保证后续裂纹监测的准确性。
绝缘基底层1、损伤传感元2和封装保护层3的厚度均为4～10μm，各功能梯度层厚度如果过大，容易导致在基体裂纹扩展过程中，传感层不能有较高的变形跟随性。如果过小，则各功能梯度层之间没有较好的结合力，容易导致各层分离。
绝缘基底层1采用与监测结构基体材料结合性能优异、绝缘性和抗冲击性良好的过渡材料，其功能是在损伤传感元2与监测结构基体材料之间建立有效的电学隔离和缓冲过渡，增强损伤传感元2与监测结构基体的结合性能。封装保护层3的材料依据监测结构所在的具体环境进行选择，多采用硬度、抗腐蚀性和在相应环境中环境耐受性优良的材料，其功能是抵抗外部的冲击、腐蚀和磨损等以使损伤传感元2保持良好的结构和功能完整性。损伤传感元2多采用延展性能优异、电阻率符合要求(通常电阻率小于5*10-7Ω·m)的材料，其功能为通过自身的电阻/电位差反馈目标监测结构的基体损伤状态。
损伤传感元2是多环结构，即损伤传感元2是多环传感元结构，其中心是重叠的，每环均设有输出电压引线，且环与环的间距相等，环与环之间间隔距离在1.5～2.5mm之间，原则上距离越近越好，这样监测精度就会高点，但是距离近就对加工工艺要求高，会造成成本的上升，因此应根据具体情况具体设置。每环的输出电压引线用于监测该环传感元两端的电位差，即该环传感元的电阻变化，如果裂纹扩展到某一传感元覆盖范围内，相应环传感元的电阻会发生变化，通过该环传感元的输出电压引线外接电源来确定该环传感元两端的电位是否发生变化，即其电阻是否变化，就能够判断裂纹进入或穿越监测区域时的长度，即对裂纹进行定量检测。绝缘基底层1和封装保护层3形状可以与损伤传感元2的形状一致，也可以不一致，不影响检测结果。
传感器导线外接方式：以图3b所示的椭圆形传感器为例解释传感器导线外接方式，如图4所示：传感器范围需覆盖封装保护层3，损失传感元2需要通过导线连接外部测量设备，导线与传感元通过导线连接机构4连接，导线连接机构4为焊点、导电胶或机械卡扣，导线连接电路回路以监测传感器电阻值，从而判断结构损伤状态。
下面以铝合金结构为例，说明基于等离子喷涂制备电位裂纹传感器的具体步骤：
步骤S1、依据传感器形状制作与之几何形状比例为1:1的开槽模具，用于通过等离子喷涂方法喷涂损伤传感元2；
步骤S2、通过对常用材料的性能分析，选择与目标监测结构基体材料结合性能优异、绝缘性和抗冲击性良好的过渡材料制备绝缘基底层1，此处选择与铝合金基体结合性能优异、电阻率高的Al2O3作为绝缘基底层1的材料；
布置绝缘基底层1：选择监测结构基体，对其进行清洗，然后采用等离子喷涂工艺制备绝缘基底层1，此处选择带孔铝合金板作为监测结构基体，孔表示危险部位，选择不带孔铝合金板作为监测结构基体也可以，只需要确定哪里是危险部位即可，将铝合金板依次经过手工除油或蒸汽除油、碱清洗、热水洗、流动冷水洗检验零件表面水膜连续性，最后采用等离子喷涂制备Al2O3绝缘基底层；
步骤S3、布置损伤传感元2：对喷涂好的绝缘基底层1和开槽模具进行处理，依次经过去油、三氯乙烯超声清洗、氟利昂超声清洗、清水超声清洗、去离子水超声清洗和烘干，将绝缘基底层1和模具清晰干净，去除杂质和表面附着物，然后采用等离子喷涂工艺在绝缘基底层1上制备Cu薄膜传感器，Cu兼顾导电性和材料成本，因此本发明采用铜薄膜传感器；
本发明的一大创新点就是传感器或者传感元的形状并不是固定的或者常规的圆环状，而是可根据危险部位设计成任意形状，而在加工确定形状的传感元时，则需要使用相应模具，模具是具有和传感元相同形状的槽状工具，可以使后续传感元通过等离子喷涂形成在绝缘层表面。
等离子喷涂工艺采用常压冷等离子喷涂系统，如图2所示，该系统由常压冷等离子体射流装置、压缩式雾化器、气体输送系统和等离子体气源、运动平台等组成。常压冷等离子体射流装置用于产生常压冷等离子体，等离子体气源是N2(纯度99.999％)和NH3(纯度99.99％)按体积比92:8等压均匀混合的气体。雾化器是气体压缩式雾化器，用于对Cu(NO3)2溶液进行雾化，气体压缩式雾化器使用的驱动气体是纯度为99.999％、流量为4L/min的N2，雾化产生的小液滴随着氮气载入到等离子体光焰下游。保护气体是纯度为99.99％、流量为12L/min的氩气。
等离子喷涂过程具体如下：首先将NH3、N2控制阀打开，调节输出压力至等压，将NH3、N2按照要求体积分数混合均匀，等压混合可以使气流混合更均匀，然后将混合气体通入等离子体发生装置。将基体载玻片分别经过丙酮、酒精超声清洗30min去除表面污渍并干燥后固定于基体台上；调整好等离子体枪头与带孔铝合金板即监测结构基体的相对位置，使得枪头到铝合金板的距离为3mm；配制所需浓度为70g/L-140g/L的Cu(NO3)3溶液，将配制的溶液装入压缩雾化器；打开等离子气源N2和NH3的开关，通过气体混合配比器调控N2和NH3的比例，使之在进入等离子发生器之前在气体混合配比器中充分混合，且混合气压>0.35MPa；打开雾化Cu(NO3)3溶液的载气开关，将溶液通过雾化器雾化后形成的雾状微粒通入到等离子体光焰下游，同时打开保护气开关；打开等离子发生器的开关，调节等离子发生器的输出功率，产生稳定的等离子体光焰；对运动平台的运动轨迹和速率编程，打开运动平台控制开关即可进行喷涂实验。实验完毕后，关闭等离子电源、气瓶的开关、运动平台电源，排空气路管道内的剩余气体。
常压冷等离子体是一种非平衡冷等离子体，不同于一般的热等离子体。常压冷等离子体喷涂时，反应气体在高压电场中激发成由非常活跃的激发态分子、原子、离子和原子团构成的等离子体，这将大大加速气固反应，增加成膜率，降低成膜温度，同时其操作灵活、柔性好，特别适合大面积薄膜制备。本文采用常压冷等离子体喷涂薄膜，有效解决了裂纹探测器的损伤传感元2制备工艺复杂的问题。
步骤S4、布置封装保护层3：采用自粘性复合TiN粉末(粘性高的TiN粉末)作为封装保护层3，然后采用等离子喷涂工艺在损伤传感元2上制备封装保护层3。封装保护层3能够消除各种外界因素对电位监测信息的干扰，同时避免传感器受到腐蚀、磨损、撞击等意外损伤，并提高损伤传感元2即薄膜电阻层的耐久性。
自粘性复合TiN粉末粒度为140～320目，其与基体材料结合强度高，局部实现了冶金结合，提高涂层的结合力。
封装保护层3的材料依据监测结构所在的具体环境进行选择，多采用硬度、抗腐蚀性和在相应环境中环境耐受性优良的材料，其功能是抵抗外部的冲击、腐蚀和磨损等以使损伤传感元2保持良好的结构和功能完整性。该材料并没有定义为某一种或者某几种材料，选择可以是多种多样的，通常比如硅橡胶、绝缘漆等。
监测裂纹长度需使用电位法，电位法具体原理是：当对被监测结构或试样的两端施加恒定的电流时，其沿厚度方向会产生恒定的二维电场。在未产生裂纹的结构中，该电场保持稳定；当结构中有裂纹萌生时，随着裂纹的扩展，结构的导通截面将不断缩小，电阻不断增加，从而引发裂纹面两端电位或电压的变化。但对于不同材料与形状的结构而言，其电阻往往存在较大差异。因此，为了能够较为准确的获取裂纹长度等信息，一般需要通过标定试验找出被检结构的裂纹长度和电位差之间的函数关系：
a＝f(V/Vr,ar)(2.1)
例如，应用最为广泛的Johnson分析性关系式分别给出了针对CT试样和MT试样裂纹长度与电位差之间的关系式：
式中V——目标监测结构裂纹面两端测得的电压值；
Vr——测得的标监测结构裂纹面两端初始电位值；
a——裂纹长度；
ar——初始裂纹长度；
y——输出电压引线间距的一半；
W——目标监测结构宽度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器，其特征在于，是通过等离子体喷涂法将绝缘基底层(1)、损伤传感元(2)和封装保护层(3)一体化集成在任意形状的目标监测结构表面的功能梯度镶嵌式膜结构，其形状与不同目标监测结构的裂纹监测部位的形状相匹配。
2.根据权利要求1所述的基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器，其特征在于，所述绝缘基底层(1)位于最底层且与目标监测结构表面相结合，封装保护层(3)位于最表层，损伤传感元(2)位于绝缘基底层(1)和封装保护层(3)之间且被绝缘基底层(1)和封装保护层(3)完全包裹。
3.根据权利要求1或2所述的基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器，其特征在于，所述损伤传感元(2)是多环传感元结构，其各环中心重叠、相邻两环的间距相等且其相邻两环的间距为1.5～2.5mm，每环均设有输出电压引线。
4.根据权利要求3所述的基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器，其特征在于，所述绝缘基底层(1)、损伤传感元(2)和封装保护层(3)的厚度均为4～10μm；
所述损失传感元(2)经其上的导线连接机构(4)连接外部测量设备；
所述绝缘基底层(1)采用与目标监测结构的基体材料结合性能优异、绝缘性和抗冲击性良好的过渡材料；
所述损伤传感元(2)采用延展性能优异、电阻率小于5*10-7Ω·m的材料；
所述封装保护层(3)采用硬度、抗腐蚀性和在相应环境中环境耐受性优良的材料。
5.根据权利要求4所述的基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器，其特征在于，所述绝缘基底层(1)由Al2O3制得；所述损伤传感元(2)由Cu制得；所述封装保护层(3)由TiN粉末制得；
所述TiN粉末粒度为140～320目；
所述导线连接机构(4)为焊点、导电胶或者机械卡扣。
6.如权利要求1、2、4或5所述的基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器的制备方法，其特征在于，制备过程为：先制作与损伤传感元(2)几何形状比例为1:1的开槽模具，然后采用等离子喷涂方法在目标监测结构基体上依次喷涂绝缘基底层(1)、损伤传感元(2)和封装保护层(3)；
所述损伤传感元(2)利用开槽模具进行喷涂。
7.根据权利要求6所述的基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器的制备方法，其特征在于，采用常压冷等离子喷涂系统进行等离子喷涂；
所述常压冷等离子喷涂系统的等离子体气源是纯度为99.999％的N2和纯度为99.999％的NH3按92:8的体积比等压均匀混合的混合气体；
所述常压冷等离子喷涂系统采用气体压缩式雾化器对Cu(NO3)2溶液进行雾化，气体压缩式雾化器的驱动气体是纯度为99.999％、流量为4L/min的N2；
所述常压冷等离子喷涂系统的保护气体是纯度为99.99％、流量为12L/min的氩气。
8.根据权利要求6所述的基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器的制备方法，其特征在于，所述采用等离子喷涂方法在目标监测结构基体上喷涂绝缘基底层(1)前需要对目标监测结构基体依次进行除油、碱清洗、热水洗、流动冷水洗；
所述采用等离子喷涂方法在绝缘基底层(1)上喷涂损伤传感元(2)前需要对绝缘基底层(1)和开槽模具依次进行去油、三氯乙烯超声清洗、氟利昂超声清洗、清水超声清洗、去离子水超声清洗和烘干；
所述采用常压冷等离子喷涂系统进行等离子喷涂的具体过程为：首先将NH3、N2控制阀打开，调节输出压力至等压，将NH3、N2按照92:8的体积比混合均匀，混合气压>0.35MPa；将基体载玻片分别经过丙酮、酒精超声清洗30min去除表面污渍并干燥后固定于基体台上；调整等离子体枪头与目标监测结构基体的相对位置，使枪头到目标监测结构基体的距离为3mm；将配制的浓度为70～140g/L的Cu(NO3)3溶液装入气体压缩式雾化器，并将NH3和N2的混合气体通入常压冷等离子喷涂系统；打开雾化Cu(NO3)3溶液的载气开关，将溶液通过雾化器雾化后形成的雾状微粒通入到等离子体光焰下游，同时打开保护气开关；打开等离子发生器的开关，调节等离子发生器的输出功率，产生稳定的等离子体光焰；控制运动平台的运动轨迹和速率，打开运动平台控制开关即可进行喷涂。
9.如权利要求4或5所述的基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器的监测方法，其特征在于，采用电位法监测目标监测结构基体的裂纹长度，具体做法是：将等离子体喷涂的裂纹监测传感器喷涂在目标监测结构的裂纹面之后，通过损伤传感元(2)的输出电压引线在目标监测结构的裂纹面两端外接恒定电源，然后测量目标监测结构的裂纹面两端的电位差，并通过标定试验确定目标监测结构的裂纹长度和该电位差之间的函数关系，依据该函数关系，确定目标监测结构的裂纹长度。
10.根据权利要求9所述的基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器的监测方法，其特征在于，所述目标监测结构的裂纹长度和电位差之间的函数关系为：
或
其中，V为测得的目标监测结构的裂纹面两端的电压值，Vr为测得的目标监测结构的裂纹面两端的初始电位值，a为裂纹长度，ar为初始裂纹长度，y为输出电压引线间距的一半，W为目标监测结构宽度。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113739685A (zh) * 2021-09-07 2021-12-03 北京建筑大学 一种列车部件裂纹长度检测方法及装置
DE102020119221A1 (de) 2020-07-21 2022-01-27 Plasmatreat Gmbh Verfahren zur überwachten Plasmabehandlung einer Leiterplatte

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201060175Y (zh) * 2006-09-12 2008-05-14 吕志刚 具有随附损伤特性的损伤探测信息智能涂层
JP2009002713A (ja) * 2007-06-20 2009-01-08 Tohoku Univ 局部冷却装置および局部冷却方法
CN103278532A (zh) * 2013-04-12 2013-09-04 空军工程大学 一种用于金属结构疲劳裂纹监测的微米传感元及其方法
CN104165920A (zh) * 2014-08-07 2014-11-26 中国人民解放军空军工程大学 薄膜传感器阵列及其制备方法
CN106841318A (zh) * 2016-12-26 2017-06-13 中冶建筑研究总院有限公司 在工程结构表面布设导电格栅的方法
CN206818647U (zh) * 2017-06-15 2017-12-29 何舒扬 一体化集成式金属构件裂纹检测或监测传感器
CN107630203A (zh) * 2017-09-22 2018-01-26 长安大学 一种常压冷等离子体沉积金属单质薄膜的方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201060175Y (zh) * 2006-09-12 2008-05-14 吕志刚 具有随附损伤特性的损伤探测信息智能涂层
JP2009002713A (ja) * 2007-06-20 2009-01-08 Tohoku Univ 局部冷却装置および局部冷却方法
CN103278532A (zh) * 2013-04-12 2013-09-04 空军工程大学 一种用于金属结构疲劳裂纹监测的微米传感元及其方法
CN104165920A (zh) * 2014-08-07 2014-11-26 中国人民解放军空军工程大学 薄膜传感器阵列及其制备方法
CN106841318A (zh) * 2016-12-26 2017-06-13 中冶建筑研究总院有限公司 在工程结构表面布设导电格栅的方法
CN206818647U (zh) * 2017-06-15 2017-12-29 何舒扬 一体化集成式金属构件裂纹检测或监测传感器
CN107630203A (zh) * 2017-09-22 2018-01-26 长安大学 一种常压冷等离子体沉积金属单质薄膜的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
中国标准出版社总编室: "《中国国家标准汇编 2000年修订-5》", 31 December 2001, 中国标准出版社 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020119221A1 (de) 2020-07-21 2022-01-27 Plasmatreat Gmbh Verfahren zur überwachten Plasmabehandlung einer Leiterplatte
CN113739685A (zh) * 2021-09-07 2021-12-03 北京建筑大学 一种列车部件裂纹长度检测方法及装置

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