CN111948276A - 一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，包括绝缘涂层、检测导电涂层、压电单元，所述绝缘涂层涂布于被测物的探测区域表面，所述压电单元与所述绝缘涂层相临涂布，所述检测导电涂层涂布于所述绝缘涂层表面，并使所述被测物与所述压电单元表面连接成一闭环电路，所述检测导电涂层与所述压电单元相接。采用本发明，具有实时快速高效，安装简便，成本低体积小，可用于不同材料表面和运动结构或部件的损伤探测等优点。
Description
技术领域
本发明涉及结构损伤探测技术领域，尤其涉及一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器。
背景技术
传统结构损伤探测技术包括振动测试，超声波探伤，光学涂层，图像处理等方法。
其中振动测试是应用时间最长和使用最广泛的结构损伤探测方法，并与本发明的方案方法和出发点较接近，因此将做主要说明。振动测试探伤主要基于结构固有频率和振动响应频谱的变化看到损伤的产生与发展。材料损伤或结构松动会造成结构刚度的下降或者结构振动时的碰磨现象，这种现象将导致结构自由振动时的固有频率下降或者倍频，最常见的应用是利用敲击火车轮轨，根据声音频率检查部件损伤和松动。首先，基于结构固有频率和模态变化的探伤方法在过去几十年间已被全世界的学者普遍研究并应用到多种工程结构中。但是，结构局部的损伤(如裂纹和螺栓松动)往往只导致结构局部的刚度变化对整体结构的响应影响不大，比如悬臂梁上的一个裂纹或者凹槽可能仅仅改变3％甚至低于1％的梁固有频率，这就导致基于结构固有频率变化的振动测试方法的探伤灵敏性较低。为提高该方法的灵敏性，发明人及其研究组曾经提出了利用智能材料的主动控制方法，这也是现在较先进的固有频率振动测试方法。
其次，观察结构振动响应频谱变化的频域分析方法也是一种被广泛使用的探伤方法。例如，在振动测试行业内众所周知，闭合裂纹的产生与振动时造成的裂纹开合过程会导致振动频谱的倍频，结构松动时也会导致类似的现象发生。另外，由于材料损伤导致的局部材料非线性也会改变结构的振动频谱使其偏移。但是这种倍频和频谱偏移现象在小裂纹情况下(＜10％结构厚度)往往比较微弱，为提高基于频率变化的探伤的灵敏性，往往需要开发和引入先进的数据信号处理方法如小波从而放大损伤对频谱变化的影响。
再次，先进的时域振动信号分析方法也可用于结构损伤探测，例如，发明人及其团队开发了一种基于时域信号混乱度判定的探伤方法，这种方法对微小裂纹(＜5％结构厚度)的探测有着很高的灵敏度。时域信号混乱度与振动传感器信号比较的方法相结合可以探测＜3％结构厚度的微小裂纹并判定其扩展趋势。在实验中，振动传感器需要通过电线或者由单片机控制的无线模块与数据处理软件实时联系，这样虽然可以高效预判损伤的扩展，但是数据的传输、复杂的数据信号处理模块和能源的供给限制了其应用范围和方便性。而且，在多数探伤应用中，首要需求是判定损伤的产生并发出预警信号。如何开发一种集损伤传感器、无线预警发射器、能源供给模块于一身的小巧的振动损伤探测传感器成为了结构损伤探测领域的一个实际需求。这也是本发明所要解决的问题。
除最常用的振动分析方法之外，超声波探测是另外一种先进的探伤方法。这种方法通过发射并观察机械波在结构中的传播来判定可能出现的结构损伤。比如机械波在结构中存在裂纹或孔洞的位置会出现反射和衍射，通过探测这些反射波可以发现并标注损伤的出现和位置。但是如果结构设计本身存在多个孔洞或者不规则形状甚至材料属性的空间变化，机械波的传播将不可避免的受到干扰和阻碍，所以超声波对于不同复杂结构或者材料的探伤还在开发和探索中。虽然超声波探测理论上可以实现非接触式无损探伤，但是其探测要求距离被测物体较近，对于工作环境要求较高，而且其探测设备较精细昂贵。这些实用时的现实问题往往限制了超声波探伤在大型工程结构中的的应用。
光学涂层和图像处理的探伤方法都是基于图像分析的方式进行探伤。光学涂层的基本原理是通过涂层微细的颗粒渗透进结构可能的裂纹中凸显出裂纹。再通过图像处理让计算机自动识别裂纹的产生与位置。图像处理方法也可以通过探测结构螺栓松动产生的外观变化监测结构松动问题。这两种方法都需要直接接触或目测到结构损伤出现的位置，并对光照条件要求较高。
基于上述分析，现有技术中存在的主要缺点有：传统的信号采集技术由于对能源的需求导致系统及材料的成本高昂，并对大型和动结构实施不易。现有不同方法的缺点和导致原因如下：
振动分析方法：无论是频域还是时域信号分析方法，由于不同振动信号本身的复杂性，环境噪声、所选取和开发的信号处理方法及算法对损伤判定的准确性有很大影响。对于不同工况下结构损伤的探知，传统的基于振动信号分析的方法仍然存在不稳定性因素。此方法往往需要计算机软件的辅助，传感器本身并不具备损伤预警能力。
超声波探测方法：此方法虽然可以探测结构内部损伤，但是对复杂结构和材料和高噪声环境下的应用稳定性和准确性都不理想，即使引入先进的数据处理分析算法，探测结果亦无法100％确认。
传统光学涂层和应变测试方法：该方法对结构表面平整性和工作环境的可视性要求较高，涂层材料以及探测设备成本较高。
传统的图像分析处理方法：该方法除对环境的可视性要求较高之外还需要高性能的图形工作站，往往庞大的计算量导致实时监测不易实现。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，以低成本、小体积的方式进行损伤的损伤探测。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，包括绝缘涂层、检测导电涂层、压电单元，所述绝缘涂层涂布于被测物的探测区域表面，所述压电单元与所述绝缘涂层相临涂布，所述检测导电涂层涂布于所述绝缘涂层表面，并使所述被测物与所述压电单元表面连接成一闭环电路，所述检测导电涂层与所述压电单元相接。
其中，还包括涂布于所述被测物表面的导电基层，所述绝缘涂层、检测导电涂层、压电单元设置于所述导电基层上。
其中，所述探测区域为两处以上，且通过所述绝缘涂层、检测导电涂层进行串联或并联。
其中，所述压电单元与所述检测导电涂层之间串接或并联有检测电路。
其中，所述检测电路为发射线圈。
其中，所述发射线圈与所述压电单元之间还串接有谐振电容。
实施本发明实施例，实时快速高效，安装简便，成本低，可用于不同材料表面和运动结构或部件的损伤探测。具体优点和实现手段如下：
低成本小体积：压电材料的合理利用可实现低成本和易安装操作的需求。简易的无线电波产生电路和装置(仅需电感线圈和电容元件)也保证了其低成本和小体积的特点。
高稳定性和可靠性：新颖的涂层设计(无需复杂数据信号处理过程)和简单的传感器结构使得其工作稳定性极高，该传感器涂层设计已经过长时间实际工况测试(于重型客运车辆上，在－20－30摄氏度工况下测试超过4个月，该涂层传感器工作稳定可准确地探测结构可能出现的损伤)。简易的电路设计也保证了其工作的稳定性和耐用性；
无外界能源消耗：压电材料的使用并利用实现了传感器自身可直接产生无线电波；
通用性：根据不同结构和材料选取不同涂层材料可使探伤传感器适用于多种不同材料和工作环境。压电材料灵活的形态设计特性使得该传感器可用于多种运动结构及部件(如转动部件)的损伤探测。
多点探伤：涂层设计可帮助实现传感器覆盖范围与位置的灵活布置从而达到同时多点探伤的能力。
附图说明
图1是本发明的结构示意简图；
图2是本发明设置串联方式的检测电路的结构示意图；
图3是本发明设置并联方式的检测电路的结构示意图；
图4是本发明对整个焊点损伤探测的结构示意图；
图5是本发明对焊接处局部损伤探测的结构示意图；
图6是本发明对多焊点串联损伤探测的结构示意图；
图7是本发明对多焊点并联损伤探测的结构示意图；
图8是本发明应用于螺栓松动探测的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参照图1所示的结构示意图。
本发明实施例的一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，其基本形态包括绝缘涂层1、检测导电涂层2、压电单元3，绝缘涂层1、检测导电涂层2均涂布于被测物4表面，绝缘涂层1涂布于被测物4的探测区域表面，将探测区域与检测导电涂层2隔离，压电单元3与绝缘涂层2相临涂布，检测导电涂层2涂布于绝缘涂层1表面，并连接被测物与压电单元3。
其中压电单元作为电信号产生涂层使用，其正负极被导电的被测物和检测导电涂层链接形成一个闭环电路，检测导电涂层和被测物的探测区表面由绝缘层隔离。结构健康时，压电单元正负极短路，结构工作时，压电单元表面电势为零。涂层传感器覆盖范围内出现损伤时，检测导电涂层绝缘涂层同时断开，压电单元正负极断路，结构运行时压电单元表面电荷非零，表示结构出现损伤，非零电位可通过链接于AB两点通过连接的检测电路输出预警信号。
压电单元3可选择为压电涂层或是陶瓷压电片，根据实际使用需要选择即可。
被测物4为导电材料，当被测物为非导电材料时，可以进一步选择在补测物表面再涂布导电基层，以使得被测物和检测导电涂层链接形成一个闭环电路，从而扩展本发明的应用范围。
检测电路可为LED指示灯或发射线圈，本实施例以发射线圈进行实施说明。
如图2所示，检测导电涂层2与压电单元3连接的一端为A端，与被测物连接的一端为B端，发射线圈L串联于检测导电涂层2的A端与压电单元3之间，借以各涂层之间形成的电容构成无线电波震荡电路而发射检测信号，更优的是，为了使震荡频率与被测物的运行工况产生的振荡相谐振叠加，本实施例优选在发射线圈L上串接有电容C，从而该电路的谐振频率需要与压电单元2所受振动的振动频率(亦是压电信号的频率)相一致或接近，从而产生较强的震荡电磁波，而且，震荡电路中的电阻需要尽量小以获得较高的Q因子和较强电磁波，所以，根据不同的工况，该震荡电路的根据运行工况进行需要进行相应调整即可，本实施方式在正常工况下时，A端、B端为短路状态下，电路工作，而产生损伤时，A端、B端为断路状态，电路停止工作。
如图3所示，示出了一另种检测电路的连接方式，发射线圈L、电容C串联后接于压电单元3两端，当探测区域表面产生损伤时，A端、B端为断路状态，电路开始工作，损伤发送警告信号。
以上串联和并联方式的检测电路的发射线圈L、电容C均为贴附于被测物4表面，实现无线信号发射，发射线圈L也可以选择以绝缘方式印刷粘附于被测物4表面。
如图4所示，绝缘涂层1、检测导电涂层2涂布于被测物4的焊点上，将整个焊点5进行涂层覆盖检测。
如图5所示，当需要重点检测焊点某个位置，可使用线涂层方式，使得绝缘涂层1、检测导电涂层2覆盖关注位置点。
如图6所示，如需检测多个焊点，单一焊点损伤发射预警信号，则通过串联方式以单个涂层经过多个焊点。
如图7所示，如需检测多焊点并且多焊点同时损伤发射预警信号，则可通过并联方式用多个涂层覆盖多个焊点。
如图8所示，本发明可以应用于检测螺栓松动，螺栓松动可以是螺栓或者螺母的扭转或者是螺栓本身的轴向变形导致，无论哪种松动都会导致复合导涂层、电绝缘涂层的破损和压电单元表面上的非零电势，此非零电势会通过检测电路的无线电信号发射预警信号。
除上实施例，本发明还可适用于转动机械的损伤探测。压电单元可置于轴承内圈侧壁并通过电极和复合涂层(检测导电涂层与绝缘涂层)与转轴等被测部件相连接形成闭合短路电路。无线线圈和平板电容均可以轴套形式安装于转轴上，结构损伤时(如转轴上裂纹)，复合涂层断开，压电单元断路，涂层表面的非零电势会通过无线电信号发射电路发射特定频率电磁波的预警信号，压电图层上可使用分布式电极提取压电单元表面一部分应变产生电势；同一压电单元可以通过多个分布电极和复合涂层同时检测多个转动部件或者多个位置(如转轴不同角度上)的损伤。
本发明适用于焊点、螺栓与转动机械损伤探测的传感器设计，信号接收端需求高灵敏度低频无线电波信号的俘获装置，本发明还可以应用于机械与土木结构(如汽车车体，飞行器表面，和桥梁结构框架)的焊点和紧固件的损伤探测以及转动机械损伤探测。也可用于混凝土高层建筑等不规则结构的粗糙表面损伤探测和其他机械运动部件的损伤探测。
本发明与现有技术比较的关键点和发明点细节说明如下：
1.压电驱动复合涂层设计及应用方案：与传统基于振动传感器的振动分析探伤方法、光学涂层探伤方法、以及超声波和图形处理等方法相比，在技术实现上，本发明提出了全新的利用压电材料和复合涂层供断电的方法，实现了独立的探伤传感器设计无需外围数据采集和分析设备确定损伤的发生。并且，本发明基于压电复合涂层提出了针对不同结构损伤(如焊点、紧固件、和运动部件等)的多点探测设计，实现了探伤传感器的通用性。
2.无能源消耗压电驱动无线信号的产生与发射：无线振动传感器在近些年也有应用和发展，但是传统的无线信号传输技术主要是基于模数转换电路和单片机控制的无线信号发生器发射无线信号，这种技术往往需要配合相应的电子部件和电池使用。本发明提出的无线电波信号产生与发射均通过压电复合涂层本身的压电材料实现，无线电线圈和电容部件均可贴附于压电材料或涂层上从而大大减小了传感器体积，并实现了无能源需求的无线电预警信号发射。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，其特征在于，包括绝缘涂层、检测导电涂层、压电单元，所述绝缘涂层涂布于被测物的探测区域表面，所述压电单元与所述绝缘涂层相临涂布，所述检测导电涂层涂布于所述绝缘涂层表面，并使所述被测物与所述压电单元表面连接成一闭环电路，所述检测导电涂层与所述压电单元相接。
2.根据权利要求1所述的无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，其特征在于，所述压电单元与所述检测导电涂层之间串接或并联有检测电路。
3.根据权利要求2所述的无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，其特征在于，所述检测电路为发射线圈。
4.根据权利要求4所述的无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，其特征在于，所述发射线圈与所述压电单元之间还串接有谐振电容。
5.根据权利要求1－4任一项所述的无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，其特征在于，所述探测区域为两处以上，且通过所述绝缘涂层、检测导电涂层进行串联或并联。
6.根据权利要求5所述的无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，其特征在于，还包括涂布于所述被测物表面的导电基层，所述绝缘涂层、检测导电涂层、压电单元设置于所述导电基层上。
7.根据权利要求1－4任一项所述的无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，其特征在于，还包括涂布于所述被测物表面的导电基层，所述绝缘涂层、检测导电涂层、压电单元设置于所述导电基层上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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