CN117781839A - 集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器及监测方法，多功能传感器，包括多个基本单元，每个基本单元包括激励线条组和感应线圈，激励线条组通过恒压激励电源驱动，通过激励电流的变化判断激励线条组电阻的变化，进而根据激励线条组电阻的变化计算结构应变；感应线圈等间距分布于激励线条组两侧，恒定的交流激励信号驱动激励线条组产生交变磁场，使得被测试件表面形成涡流，感应线圈在激励磁场和涡流产生磁场的作用下产生感应电压，通过各个感应线圈感应电压变化的先后顺序对裂纹进行定量监测。本发明能够同时监测结构所受应力和结构是否有裂纹以及裂纹的长度，体积小，精度高，降低了传感器网络的重量。

Description

集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器及监测方法

技术领域

本发明属于结构健康监测技术领域，涉及一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器及监测方法，用于监测结构受力大小、否有裂纹产生，以及进行结构剩余寿命计算。

背景技术

现阶段用于监测应变的传感器主要有应变传感器监测和光纤传感器监测等。这些传感器虽然对结构的应变情况比较灵敏，但对裂纹识别不灵敏，尤其是裂纹长度比较小的时候。用于监测裂纹的传感器主要有智能涂层传感器、比较真空度传感器、PVD薄膜传感器和涡流传感器等。这些传感器对裂纹进行监测时比较灵敏，但是不能够监测结构的受力情况。对于一个结构，要监测其服役状态时，需要监测其剩余寿命。而预测寿命的一个关键点就在于实时监测结构的实际载荷，通过实际载荷采用线性损伤累加理论计算出结构的在一段时间内的损伤积累。根据结构的实际服役情况，就可以预测出结构的剩余寿命。但是，由于材料分散性的存在，采用这种方法计算出来的寿命与实际寿命之间的误差较大。为了提高预测的准确性还需要监测结构什么时候产生裂纹，对结构的剩余寿命预测模型进行修正。所以，结构的应变监测和裂纹监测就显得极其的重要。同时测量应变和裂纹需要两种不同功能的传感器进行组合，这样增加了整个测试系统的复杂性。所以，需要验证一种既能够监测结构应变，也能够监测结构是否有裂纹的一种传感器。

现阶段用于测量应变的传感器有应变传感器和光纤传感器等，应变传感器价格比较便宜，能够监测结构的应变状态，精度较高，但是应变传感器的耐久性比较差，易受电磁干扰，对微小裂纹的监测不是很灵敏。而光纤传感器可以实时监测结构的应变状态，不受电磁干扰的影响。但是，光纤传感器价格比价昂贵，该传感器难以发现微小裂纹。

用于裂纹监测的传感器主要有智能涂层传感器、比较真空度传感器、PVD薄膜传感器和涡流传感器等。其中智能涂层传感器一般由绝缘层、驱动层、感应层和保护层组成。当结构产生裂纹时，会使驱动层产生裂纹，进而带动感应层产生裂纹，导致感应层的电阻发生变化。通过对感应层的电阻进行实时测量来对判断结构是否产生疲劳裂纹，但是该传感器存在“虚警”率高的问题。比较真空度传感器具有裂纹识别灵敏度高的特点，能够定量监测裂纹的长度，当裂纹扩展时，会使得比较真空度传感器的真空管道产生可以测量的压力变化，进而可对裂纹进行监测。该传感器只能监测结构表面的裂纹，同时传感器的安装工艺比较复杂。PVD薄膜传感器和智能涂层传感器比较相似，该传感器主要由绝缘层、感应层和保护层组成。具有裂纹监测灵敏度高、可定量监测的优势，但是该传感器的制备工艺比价复杂。涡流传感器具有灵敏度高等优势，广泛应用于金属裂纹监测领域。公开号CN 101865883A的现有技术公开了一种脉冲涡流应力裂纹集成检测系统及方法，裂纹检测和应变检测是分别进行的，采用磁阻原件作为裂纹检测的感应单元，使得整个传感器的体积过大。

综合上述应变、裂纹监测传感器的优缺点可以看出，应变传感器和光纤传感器既可以监测结构应变，也可以监测结构是否有裂纹产生。但是对微小裂纹监测不是很灵敏。裂纹监测传感器只能监测是否有裂纹产生，而无法监测结构所受的应变状态。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器，同时监测结构所受应力和结构是否有裂纹以及裂纹的长度，体积小，精度高，降低了传感器网络的重量，解决了现有技术中存在的问题。

本发明的另一目的是，提供一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器的监测方法。

本发明所采用的技术方案是，一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器，包括多个基本单元，每个基本单元包括：

激励线条组，所述激励线条组通过恒压激励电源驱动，通过激励电流的变化判断激励线条组电阻的变化，进而根据激励线条组电阻的变化计算结构应变；

感应线圈，所述感应线圈等间距分布于激励线条组两侧，恒定的交流激励信号驱动激励线条组产生交变磁场，使得被测试件表面形成涡流，感应线圈在激励磁场和涡流产生磁场的作用下产生感应电压，通过各个感应线圈感应电压变化的先后顺序对裂纹进行定量监测。

进一步的，每个所述激励线条组为S形，拐弯处为直角。

进一步的，每个所述激励线条组包括的往返线条数为奇数，相邻往返线条的间距≤0.2mm。

进一步的，相邻所述激励线条组的间距≤2mm。

进一步的，相邻所述感应线圈的间距为0.5mm-2mm。

进一步的，所述感应线圈的线圈宽度小于等于0.1mm。

进一步的，多个所述感应线圈独立分布或串联起来形成一个感应线圈组。

进一步的，将多个相互独立的所述基本单元以不同角度叠层，实现不同方向应变和裂纹的监测。

一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器的监测方法，包括以下步骤：

S1，将多功能传感器贴在被测试件表面，试件结构的变形导致多功能传感器发生形变，结构的受力方向与激励线条组平行或垂直；

S2，通过恒压激励电源驱动激励线条组，通过激励电流的变化判断激励线条组电阻的变化，进而根据激励线条组电阻的变化计算结构应变；

S3，通过恒定的交流激励信号驱动激励线条组产生交变磁场，使得被测试件表面形成涡流，感应线圈在激励磁场和涡流产生磁场的作用下产生感应电压，通过各个感应线圈感应电压变化的先后顺序对裂纹进行定量监测。

进一步的，所述S2中，采样电阻与激励线条组串联，通过测量采样电阻两端的电压获取激励电流的变化；当结构发生应变时，激励线条组的电阻变化ΔR，忽略线圈的容抗和感抗时，激励电流变化I_e1为：

其中，激励线条组的驱动电压幅值为U，激励线条组未发生形变的电阻R；

采样电阻两端电压的变化ΔU为：

其中，r表示采样电阻的阻值，ε为结构的应变，ρ为激励线条组的电阻率，L_i表示变化前所有与结构受力方向平行的激励线条组的长度，S_i表示变化前所有与结构受力方向平行的激励线条组的横截面积。

本发明的有益效果是：

本发明将应变测量与裂纹监测功能集成于一体，通过测量激励线条组电阻的变化来判断结构所受应变的大小，通过感应线圈跨阻抗幅值的变化来监测是否有裂纹以及裂纹的长度。

本发明相比于原有的涡流传感器具有可监测结构应变的功能，而相比于应变传感器具有监测裂纹的功能，相当于把应变片和涡流传感器两者合二为一，简化了传感器的连接设备；减少了传感器的连接信号通道数，进而降低了传感器网络的重量。

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1a是本发明实施例中矩形的多功能传感器(独立分布式感应线圈)示意图。

图1b是本发明实施例中矩形的多功能传感器(串联式感应线圈)示意图。

图2是本发明实施例中多功能传感器结构在拉伸载荷作用下示意图。

图3是本发明实施例中多功能传感器裂纹监测原理。

图4a是本发明实施例中两个基本单元以45°的夹角层叠。

图4b是本发明实施例中两个基本单元以90°的夹角层叠。

图4c是本发明实施例中三个基本单元分别以45°和90°的夹角层叠。

图中，1.第一感应线圈，2.第二感应线圈，3.第三感应线圈，4.激励线圈输出端口，5.第三感应线圈输出端口，6.第二感应线圈输出端口，7.第一感应线圈输出端口，8.第一激励线条组，9.第二激励线条组，10.第三激励线条组，11.第四激励线条组，12.第一基本单元，13.第二基本单元，14第三基本单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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。

本发明的传感器综合了涡流传感器和应变传感器的特点。应变传感器是通过应变丝电阻的变化来对结构的应变状态进行监测，而涡流是由激励线条组和感应线圈组成的传感器。所以本发明就是采用涡流传感器的激励线条组作为感应丝。通过交流电驱动涡流传感器，既能通过应变传感器的监测原理来监测结构的应变状态，也可以通过涡流传感器的监测原理来监测结构是否产生疲劳裂纹。

为了对结构的应变和裂纹同时进行监测，往往需要采用两种传感器进行监测，这样势必导致测量系统的复杂化。

本发明实施例从简化测试系统的角度出发，设计了一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器，每个基本单元包括：

激励线条组，激励线条组通过恒压激励电源驱动，通过激励电流的变化判断激励线条组电阻的变化，进而根据激励线条组电阻的变化计算结构应变；

感应线圈，感应线圈等间距分布于激励线条组两侧，恒定的交流激励信号驱动激励线条组产生交变磁场，使得被测试件表面形成涡流，感应线圈在激励磁场和涡流产生磁场的作用下产生感应电压，通过各个感应线圈感应电压变化的先后顺序对裂纹进行定量监测。

如图1a所示，为矩形的独立分布式感应线圈，包括第一感应线圈1、第二感应线圈2、第三感应线圈3，分别连接第一感应线圈输出端口7、第二感应线圈输出端口6、第三感应线圈输出端口5，根据电阻的计算公式：

式中，R为电阻；ρ为电阻率，与材料参数相关；L为导线的长度；S为导线的横截面积。

为了简化感应线圈的通道数，也可以将多功能传感器的感应线圈串联起来形成一个感应线圈组，如图1b所示。

如图1a-1b，每个激励线条组为S形，拐弯处为直角，线条末端连接激励线圈输出端口4；比如第一激励线条组8的往返线条数为3，相邻往返线条的间距≤0.2mm；往返线条数可以为3、5、7、…，必须是奇数。

第一激励线条组8与第二激励线条组9之间的间距≤2mm，与裂纹监测精度相关，若相邻间距越小，裂纹监测的精度越高。在结构应变一定的条件下，激励线条组的电阻变化增大，进而提高了应变监测的灵敏度。

一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器的监测方法，包括以下步骤：

S1，将多功能传感器贴在被测试件表面，试件结构的变形导致多功能传感器发生形变，结构的受力方向与激励线条组平行或垂直；

如图2所示，结构在拉伸状态下时，多功能传感器沿着受力F方向的第一激励线条组8、第二激励线条组9、第三激励线条组10、第四激励线条组11会发生形变，设长度增加了ΔL(拉伸时，该值为正；压缩时，该值为负)，横截面积减小了ΔS(拉伸时，该值为正；压缩时，该值为负)，所以多功能传感器在结构拉伸载荷的作用下，多功能传感器的电阻值会发生变化，以第一激励线条组8为例，变化前后的电阻值分别为：

其中，R₁表示变化前的电阻值，L₁表示变化前导线的长度，S₁表示变化前导线的横截面积；R₁′表示变化后的电阻值，ΔL₁表示导线长度的增加量，ΔS₁表示导线面积的减少量。

设激励线条组的变形是在弹性变形范围内，所以第一激励线条组8在变形前后的电阻值之间的差ΔR₁为：

由于第一激励线条组8较长，在受力情况下，长度的变化相比于横截面积的变化较为明显，所以式(4)可简化为：

式(5)中，ε为结构的应变。所以，根据式(5)可以看出第一激励线条组8的电阻变化量与其长度变化量呈正比的关系。实施例中多功能传感器共有四个激励线条组，所以整个激励线条组电阻的变化量是四个激励线条组的电阻值变化量之和。由于激励线条组垂直于受力方向的激励线条组在结构拉伸载荷作用下不会发生形变，进而电阻不会发生变化。所以在研究多功能传感器电阻值变化时只考虑与受力方向相同的激励线条组的电阻值的变化量。由于多功能传感器的激励线条组的电阻值变化量与激励线条组的形变ΔL相关，而ΔL/L为激励线条组的应变，该应变与结构的应变一致。所以通过测量多功能传感器激励线条组的电阻值变化可以通过式(5)计算出结构所受应变的大小。

S2，通过恒压激励电源驱动激励线条组，通过激励电流的变化判断激励线条组电阻的变化，进而根据激励线条组电阻的变化计算结构应变；

S3，通过恒定的交流激励信号驱动激励线条组产生交变磁场，使得被测试件表面形成涡流，感应线圈在激励磁场和涡流产生磁场的作用下产生感应电压，通过各个感应线圈感应电压变化的先后顺序对裂纹进行定量监测。

当该多功能传感器用于监测结构裂纹时，与涡流传感器的监测原理一致。给激励线条组通入交流激励信号使激励线条组产生磁场，在交变磁场的作用下，被测试验件表面会形成涡流，而感应线圈在激励磁场和涡流产生磁场的作用下会产生感应电压。传感器在工作过程中，驱动激励线条组的激励电压为一个恒定的交流激励信号。

当被测结构产生裂纹时，如图3所示。此时裂纹尖端扩展至第一感应线圈1中，由于裂纹扩展穿过了第一激励线条组8下方区域，所以第一激励线条组8下方的涡流将沿着裂纹表面流动，形成一个扰动磁场。所以，在扰动磁场的作用下，第一感应线圈1的感应电压会发生变化。由于第一感应线圈1、第二感应线圈2、第三感应线圈3是等间距分布的，可以通过各个感应线圈感应电压变化的先后顺序对裂纹进行定量监测。

设激励线条组的激励电流为第i个感应线圈的感应电压为/>所以每个感应线圈的跨阻抗为：

式中，为第i个感应线圈的跨阻抗，A_Ri为第i个感应线圈的跨阻抗幅值，θ_i为第i个感应电压与激励电流之间的相位差，j表示虚数符号。

当多功能传感器的激励线条组通入交流电时，空间中磁场的大小与激励电流的大小相关，所以感应线圈的感应电压正比于激励电流的大小。在温度一定条件下，当传感器在工作时，不同激励电流大小下，感应线圈的跨阻抗幅值都是一个恒定值。所以，可以根据各个感应线圈跨阻抗幅值的变化(变化的影响因素包括温度、有无裂纹)对裂纹进行监测。裂纹扩展使得激励线条组下方涡流的流动发生变化，导致感应线圈的感应电压发生变化，进而感应线圈的跨阻抗幅值发生变化。

由于激励线条组和感应线圈的匝数比较少(1匝)，可以忽略线圈的容抗和感抗。因此，在驱动电压(激励电压)一定的条件下，被测结构在拉伸载荷作用下发生变形，导致激励线条组的电阻增大，所以激励电流将减少。采用一个采样电阻与激励线条组进行串联，对激励线条组的激励电流进行采样并进行线性放大，得到一个采样电压。该采样电压的变化量与激励线条组电阻值的变化量呈正比的关系，即采样电压与结构的应变呈现正比的关系。所以，可以根据采样电压的变化对结构的应变进行监测，根据材料的σ-ε(应力-应变)关系得到采样电压变化量与结构应力之间的关系。

当结构发生变形，多功能传感器的电阻会发生变化，而驱动电压保持不变，在驱动电压不变的情况下，激励电流将减小，但感应电压与激励电流的大小成正比，所以传感器各个感应线圈的跨阻抗幅值不会发生变化。

综上，多功能传感器在进行工作时，只需要测量采样电压的变化量以及各个感应线圈的跨阻抗幅值，就可以同时监测结构所受应力和结构是否有裂纹以及裂纹的长度。感应线圈是等间距分布的，裂纹尖端扩展至感应线圈的前一个激励线条组下方区域时，该感应线圈的感应电压就会发生变化，所以根据各个感应线圈的跨阻抗幅值变化的先后顺序和时间就可以对裂纹的长度进行定量。

本发明实施例的多功能传感器由四个激励线条组和三个感应线圈构成，在实际使用中也可以增加激励线条组和感应线圈的数量，激励线条组的数量：2-N，感应线圈的数量：1-N，N＝1,2,3,…,n；数量过少，裂纹监测范围较小；数量过大，传感器的负载增大，根据实际情况确定N的上限。

本发明实施例的多功能传感器只是一个基本单元，一体化集成程度高；可通过将多个相互独立的基本单元(第一基本单元12、第二基本单元13和第三基本单元14)在不同角度上(如45°和90°)进行叠层，实现不同角度方向应变和裂纹的监测，如图4a-4c所示。

本发明实施例的多功能传感器的激励线条组和感应线圈匝数为一匝，为了提高信号，可以适当增加其匝数，线圈的容抗和感抗忽略不计。本发明实施例线圈的匝数≤5，如果匝数过高，可以通过仿真的手段进行求解。

本发明将应变传感器和涡流传感器进行集成后，只有激励线条组和感应线圈。其中激励线条组的作用有两点：一是通过激励电流产生一个激励磁场，进而在被测结构上产生涡流，达到监测裂纹的目的；二是通过激励线条组电阻的变化对结构应变进行监测。裂纹检测和应变检测同时进行，简化电路设计，难点在于信号的同时处理。

I_e为激励线条组的激励电流幅值，设激励线条组的驱动电压幅值为U，由于不考虑激励线条组的容抗和感抗，只考虑激励线条组的电阻R。所以，当结构不发生应变时，激励线条组的电流为：

当结构发生应变时，激励线条组的电阻变化ΔR，所以激励电流变化为：

激励电流的采样电压是通过一个采样电阻r与激励线条组进行串联，通过测量采样电阻两端的电压进行采样的，所以在结构从初始状态(不发生变形)到发生变形的过程中，采样电阻两端电压的变化为：

结合式(5)可得：

式(10)中S₁表示激励线条组的截面积，L_i表示第i条激励线条组的长度。

感应线圈的间距影响裂纹的监测精度，感应线圈的尺寸影响应变的测量精度。感应线圈的间距过大，则裂纹监测精度增大(裂纹监测精度越小越好)，裂纹监测范围增大，应变监测精度降低(应变监测结果为该传感器粘贴区域的平均值)。感应线圈的间距过小，则裂纹监测精度减小(裂纹监测精度越小越好)，裂纹监测范围减小，应变监测精度增大。相邻感应线圈间距为0.5mm-2mm，线圈宽度小于等于0.1mm。

矩形的柔性涡流传感器是一种最简单的裂纹监测传感器，具有激励线条组规整的优势，可以用于应变监测，但是想要将其用于同时检测裂纹和应变，需较大改进难度。本发明实施例监测应变和裂纹时，不需要切换不同的驱动激励线条组的信号源，通过恒压激励电源驱动激励线条组，通过激励电流的变化来判断电阻的变化，建立激励电流的采样电压与结构应变之间的关系，通过采样电压的变化得到结构应变的变化，通过感应线圈跨阻抗的变化来监测结构的裂纹扩展情况。

在实际的结构监测中，裂纹监测和应变监测都是非常关键的，往往需要应变监测设备和应变监测设备两套不同的设备，会增加整个测试系统的复杂性。本发明实施例实现了裂纹检测和应变检测同时进行，将两种设备合二为一，极大的简化了监测系统，可以降低传感器网络的重量。

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)

1.一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器，包括多个基本单元，其特征在于，每个基本单元包括：

激励线条组，所述激励线条组通过恒压激励电源驱动，通过激励电流的变化判断激励线条组电阻的变化，进而根据激励线条组电阻的变化计算结构应变；

感应线圈，所述感应线圈等间距分布于激励线条组两侧，恒定的交流激励信号驱动激励线条组产生交变磁场，使得被测试件表面形成涡流，感应线圈在激励磁场和涡流产生磁场的作用下产生感应电压，通过各个感应线圈感应电压变化的先后顺序对裂纹进行定量监测。

2.根据权利要求1所述一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器，其特征在于，每个所述激励线条组为S形，拐弯处为直角。

3.根据权利要求2所述一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器，其特征在于，每个所述激励线条组包括的往返线条数为奇数，相邻往返线条的间距≤0.2mm。

4.根据权利要求2所述一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器，其特征在于，相邻所述激励线条组的间距≤2mm。

5.根据权利要求1所述一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器，其特征在于，相邻所述感应线圈的间距为0.5mm-2mm。

6.根据权利要求1所述一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器，其特征在于，所述感应线圈的线圈宽度小于等于0.1mm。

7.根据权利要求1所述一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器，其特征在于，多个所述感应线圈独立分布或串联起来形成一个感应线圈组。

8.根据权利要求1所述一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器，其特征在于，将多个相互独立的所述基本单元以不同角度叠层，实现不同方向应变和裂纹的监测。

9.如权利要求1所述一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将多功能传感器贴在被测试件表面，试件结构的变形导致多功能传感器发生形变，结构的受力方向与激励线条组平行或垂直；

S2，通过恒压激励电源驱动激励线条组，通过激励电流的变化判断激励线条组电阻的变化，进而根据激励线条组电阻的变化计算结构应变；

S3，通过恒定的交流激励信号驱动激励线条组产生交变磁场，使得被测试件表面形成涡流，感应线圈在激励磁场和涡流产生磁场的作用下产生感应电压，通过各个感应线圈感应电压变化的先后顺序对裂纹进行定量监测。

10.根据权利要求9所述一种集应变和裂纹监测功能于一体的多功能传感器的监测方法，其特征在于，所述S2中，采样电阻与激励线条组串联，通过测量采样电阻两端的电压获取激励电流的变化；当结构发生应变时，激励线条组的电阻变化ΔR，忽略线圈的容抗和感抗时，激励电流变化I_e1为：

其中，激励线条组的驱动电压幅值为U，激励线条组未发生形变的电阻R；

采样电阻两端电压的变化ΔU为：

其中，r表示采样电阻的阻值，ε为结构的应变，ρ为激励线条组的电阻率，L_i表示变化前所有与结构受力方向平行的激励线条组的长度，S_i表示变化前所有与结构受力方向平行的激励线条组的横截面积。