CN117907210A - 一种腐蚀状态与环境的监测装置 - Google Patents
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Abstract
本申请属于飞机结构健康监测领域，特别涉及一种腐蚀状态与环境的监测装置，传感模块，包括多个用于监测与腐蚀相关的环境参数的传感器、用于监测待监测部位涂层状态的涂层失效传感器、用于监测待监测部位腐蚀深度的腐蚀深度传感器；电源，为各元器件供电；主控模块，读取传感器模块中各环境参数以及待监测部位涂层状态，并计算得到待监测部位腐蚀状态值；显示储存模块：显示并存储所述腐蚀状态值，使用轻量化、集成化传感器模块实现飞机不同部位结构状态与环境进行监测，为精准评估结构损伤、量化飞机内部环境严酷度、实现不同结构部位的腐蚀防护修正、积累飞机微气候数据、建立更准确的腐蚀预测模型等打下基础。
Description
技术领域
本申请属于飞机结构健康监测领域，特别涉及一种腐蚀状态与环境的监测装置。
背景技术
腐蚀会对飞机结构的完整性造成影响。飞机防护涂层是保护飞机结构预防腐蚀的第一道防线，当防护涂层随着服役时间的增加逐渐失去其功能特性，飞机结构暴露于腐蚀性环境的威胁下，飞机结构发生腐蚀，需要监测其腐蚀状态从而对飞机结构进行及时的维修，保证飞机结构的完整性。而影响飞机结构腐蚀速率的腐蚀环境参数一般指温度、湿度、润湿时间和氯离子浓度等。监测飞机的结构腐蚀状态以获取机体结构的信息，进一步结合机体局部环境参数可以建立腐蚀预测模型，并利用监测得到的腐蚀状态与环境参数对腐蚀预测模型进行进一步修正。
针对飞机在复杂服役条件下结构面临的腐蚀环境威胁，需要对防护涂层、结构腐蚀状态以及腐蚀环境加以进一步研究。使用轻量化、集成化传感器模块实现飞机不同部位结构状态与环境进行监测，为精准评估结构损伤、量化飞机内部环境严酷度、实现不同结构部位的腐蚀防护修正、积累飞机微气候数据、建立更准确的腐蚀预测模型等打下基础，进而为腐蚀防护和腐蚀监测提供数据参考。
发明内容
为了解决上述问题，本申请提供了一种腐蚀状态与环境的监测装置，包括：
传感模块，包括多个用于监测与腐蚀相关的环境参数的传感器、用于监测待监测部位涂层状态的涂层失效传感器、用于监测待监测部位腐蚀深度的腐蚀深度传感器；
电源，为各元器件供电；
主控模块，读取传感器模块中各环境参数以及待监测部位涂层状态，并计算得到待监测部位腐蚀状态值；
显示储存模块：显示并存储所述腐蚀状态值。
优选的是，多个用于监测与腐蚀相关的环境参数的传感器包括：温湿度传感器(1)、润湿时间传感器(2)、涂层失效传感器(3)以及氯离子浓度传感器(4)。
优选的是，还包括，校正模块；
通过润湿时间传感器(2)获取空气进入润湿状态的开始时间点以及结束时间点；
通过温湿度传感器(1)获取待监测部位表面温度与空气湿度，计算空气进入润湿状态的开始时间点以及结束时间点；
将两者的开始时间点以及结束时间点进行比较校正。
优选的是，还包括，所述腐蚀状态值还包括待监测部位的腐蚀深度，将所述腐蚀状态值的腐蚀深度与腐蚀深度传感器监测的阶梯腐蚀深度进行拟合后显示于显示模块。
优选的是，腐蚀深度传感器包括：
多个厚度不同的金属薄片、外壳以及传感器；
外壳形成多个舱室，多个厚度不同的金属薄片将舱室封口形成多个封闭腔，封闭腔内具有气压低于大气压或者气压高于大气压的气体，封闭腔内安装压力传感器，传感器用于传递当金属薄片腐蚀后将封闭腔与大气连通产生的压力变化信号。
优选的是，涂层失效传感器(3)，包括：
监测模块，用于通过电化学阻抗法获取涂层的关键成分；
计算模块，用于通过关键成分与涂层屏障功能特征关系计算出涂层的寿命。
优选的是，氯离子浓度传感器(4)在使用时一天监测2～3次，施加8～12s的电流脉冲，定时主动采集传感器的响应信号，根据预先拟合的Sand方程将电位-时间曲线反推为对应的氯离子浓度。
优选的是，还包括报警模块，腐蚀深度达到0.1mm时发出警报。
本申请的优点包括：一种腐蚀状态与环境的监测模块，此装置需要实现对结构的腐蚀损伤状态与腐蚀环境参数的监测，包括涂层损伤、腐蚀深度、空气温湿度、表面温度、润湿时间以及氯离子浓度，具备长时间独立运行的能力，实现数据自主存储功能。使用轻量化、集成化传感器模块实现飞机不同部位结构状态与环境进行监测，为精准评估结构损伤、量化飞机内部环境严酷度、实现不同结构部位的腐蚀防护修正、积累飞机微气候数据、建立更准确的腐蚀预测模型等打下基础，进而为腐蚀防护和腐蚀监测提供数据参考，本专利腐蚀深度传感器不同于现有监测金属结构均匀腐蚀深度传感器通过测量腐蚀电流进行累积换算腐蚀深度，可以通过气压变化，迅速直观的反应局部腐蚀的深度，减少了测量换算的误差，提高了监测准确性。传感器安装方便，制造成本较低，监测精度满足工程实际应用要求。
附图说明
图1是本申请一优选实施方式腐蚀状态与环境的监测装置图。
具体实施方式
为使本申请的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本申请的部分实施例，其仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分，其他相关部分可参考通常设计，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。
此外，除非另有定义，本申请描述中所使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内一般技术人员所理解的通常含义。本申请描述中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等表示方位的词语仅用以表示相对的方向或者位置关系，而非暗示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，当被描述对象的绝对位置发生改变后，其相对位置关系也可能发生相应的改变，因此不能理解为对本申请的限制。本申请描述中所使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似用语，仅用于描述目的，用以区分不同的组成部分，而不能够将其理解为指示或暗示相对重要性。本申请描述中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语，不应理解为对数量的绝对限制，而应理解为存在至少一个。本申请描述中所使用的“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
此外，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本申请的描述中使用的“安装”、“相连”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，领域内技术人员可根据具体情况理解其在本申请中的具体含义。
本发明设计了一种腐蚀状态与环境的监测模块，整个模块包含多种传感器，分别监测涂层损伤、腐蚀深度、空气温湿度、表面温度、润湿时间以及氯离子浓度，安装在待测结构处，能够实现结构损伤与腐蚀环境的状态监测。本监测模块监测参数可以获取结构的涂层老化与结构腐蚀的状态，监测飞机内部环境的具体参数，通过显示模块直接将具体数值呈现给用户，并将历程数据储存在储存模块中，可以在预警损伤程度的同时积累腐蚀损伤历程数据，用于后续建立更加准确的腐蚀预测模型，保护结构完整性。
监测模块包括四个部分，即电源模块、传感模块、主控模块和显示储存模块。在电源模块的驱动下，传感模块监测涂层失效、腐蚀深度、温湿度、润湿时间等信息，将采集到的电信号传送至主控模块，主控模块通过自身自带的模拟转换器、数字接口等将信号传输至采集芯片，利用芯片内预先内置的算法进行运算，并将处理后的数据传送至显示存储模块，从而实现该监测模块安装于飞机结构内部独立运行数据存储的功能。
结合附图1，其具体包括：
传感模块，包括多个用于监测与腐蚀相关的环境参数的传感器，包括：温湿度传感器(1)、润湿时间传感器(2)、涂层失效传感器(3)以及氯离子浓度传感器(4)、用于监测待监测部位涂层状态的涂层失效传感器、用于监测待监测部位腐蚀深度的腐蚀深度传感器(6)；
电源，为各元器件供电；
主控模块，读取传感器模块中各环境参数以及待监测部位涂层状态，并计算得到待监测部位腐蚀状态值；
显示储存模块：显示并存储所述腐蚀状态值；
还包括外壳以及数据传输接口6、电源接口7、固定安装孔8。
优选的是，多个用于监测与腐蚀相关的环境参数的传感器包括：温湿度传感器(1)、润湿时间传感器(2)、涂层失效传感器(3)以及氯离子浓度传感器(4)，将所有传感器集成为腐蚀监测模块安装在待监测部位，与飞机关键部位的结构紧密贴合，可以实现关键部位的结构健康状态信息的重点采集，且保证了环境与损伤的信息的空间一致性，更好地关联环境变量与损伤程度，使所建立的健康状态诊断和寿命评估模型更加准确。另外，环境监测与损伤监测传感器的集成，可以减少原有同种传感器安装、布线的附加质量，实现传感器的轻量化设计。
空气温湿度、表面温度、润湿时间以及氯离子浓度传感器之间的数据具有一定关联性，通过关联性设计校正模块；
通过润湿时间传感器(2)获取空气进入润湿状态的开始时间点以及结束时间点；
通过温湿度传感器(1)获取待监测部位表面温度与空气湿度，计算空气进入润湿状态的开始时间点以及结束时间点；
将两者的开始时间点以及结束时间点进行比较校正，其中，湿度传感器(1)包括表面温度传感器、空气温湿度传感器，将表面温度传感器、空气温湿度传感器与润时间传感器空间位置上设计紧密，可以防止空间差异对润湿时间造成的误差影响两种方法的对比。
除商业温湿度时间传感器为数字输出外，余下传感器均为电信号模拟量输出，需要通过放大或缩小电路将信号转换为单片机中采集的标准电压范围。主控模块作为处理数据的核心，通过内置代码调控监测模块内每个传感器的电量使用，实现数据定时采集、转换、处理与储存。在主控模块内预先设计针对每种传感器的定时采样间隔，如，氯离子浓度传感器在使用时一天监测2～3次，施加8～12s的电流脉冲，可以定时主动采集传感器的响应信号，根据预先拟合的Sand方程将电位-时间曲线反推为对应的氯离子浓度。在数据转换处理后，利用主控芯片标记不同时间点的数据，并将标记好的数据按照设定的相应的文件格式存储在内存卡中。
显示储存模块是实现人机交互使用的重要窗口，主要负责存储与显示主控模块处理后的数据，实时显示空气温湿度、表面温度、氯离子浓度、涂层失效等变化曲线，当腐蚀深度达到0.1mm时发出警报，并利用内存卡储存历史数据。
优选的是，还包括，所述腐蚀状态值还包括待监测部位的腐蚀深度，将所述腐蚀状态值的腐蚀深度与腐蚀深度传感器监测的阶梯腐蚀深度进行拟合后显示于显示模块。
优选的是，腐蚀深度传感器包括：
多个厚度不同的金属薄片、外壳以及传感器；
外壳形成多个舱室，多个厚度不同的金属薄片将舱室封口形成多个封闭腔，封闭腔内具有气压低于大气压或者气压高于大气压的气体，封闭腔内安装压力传感器，传感器用于传递当金属薄片腐蚀后将封闭腔与大气连通产生的压力变化信号。
优选的是，涂层失效传感器(3)，包括：
监测模块，用于通过电化学阻抗法获取涂层的关键成分；
计算模块，用于通过关键成分与涂层屏障功能特征关系计算出涂层的寿命。
优选的是，氯离子浓度传感器(4)在使用时一天监测2～3次，施加8～12s的电流脉冲，定时主动采集传感器的响应信号，根据预先拟合的Sand方程将电位-时间曲线反推为对应的氯离子浓度。
优选的是，还包括报警模块，腐蚀深度达到0.1mm时发出警报。
本申请的优点包括：一种腐蚀状态与环境的监测模块，此装置需要实现对结构的腐蚀损伤状态与腐蚀环境参数的监测，包括涂层损伤、腐蚀深度、空气温湿度、表面温度、润湿时间以及氯离子浓度，具备长时间独立运行的能力，实现数据自主存储功能。使用轻量化、集成化传感器模块实现飞机不同部位结构状态与环境进行监测，为精准评估结构损伤、量化飞机内部环境严酷度、实现不同结构部位的腐蚀防护修正、积累飞机微气候数据、建立更准确的腐蚀预测模型等打下基础，进而为腐蚀防护和腐蚀监测提供数据参考，本专利腐蚀深度传感器不同于现有监测金属结构均匀腐蚀深度传感器通过测量腐蚀电流进行累积换算腐蚀深度，可以通过气压变化，迅速直观的反应局部腐蚀的深度，减少了测量换算的误差，提高了监测准确性。传感器安装方便，制造成本较低，监测精度满足工程实际应用要求。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种腐蚀状态与环境的监测装置，其特征在于，包括：
传感模块，包括多个用于监测与腐蚀相关的环境参数的传感器、用于监测待监测部位涂层状态的涂层失效传感器、用于监测待监测部位腐蚀深度的腐蚀深度传感器；
电源，为各元器件供电；
主控模块，读取传感器模块中各环境参数以及待监测部位涂层状态，并计算得到待监测部位腐蚀状态值；
显示储存模块：显示并存储所述腐蚀状态值。
2.如权利要求1所述的腐蚀状态与环境的监测装置，其特征在于，多个用于监测与腐蚀相关的环境参数的传感器包括：温湿度传感器(1)、润湿时间传感器(2)、涂层失效传感器(3)以及氯离子浓度传感器(4)。
3.如权利要求2所述的腐蚀状态与环境的监测装置，其特征在于，还包括，校正模块；
通过润湿时间传感器(2)获取空气进入润湿状态的开始时间点以及结束时间点；
通过温湿度传感器(1)获取待监测部位表面温度与空气湿度，计算空气进入润湿状态的开始时间点以及结束时间点；
将两者的开始时间点以及结束时间点进行比较校正。
4.如权利要求1所述的腐蚀状态与环境的监测装置，其特征在于，还包括，所述腐蚀状态值还包括待监测部位的腐蚀深度，将所述腐蚀状态值的腐蚀深度与腐蚀深度传感器监测的阶梯腐蚀深度进行拟合后显示于显示模块。
5.如权利要求1所述的腐蚀状态与环境的监测装置，其特征在于，腐蚀深度传感器包括：
多个厚度不同的金属薄片、外壳以及传感器；
外壳形成多个舱室，多个厚度不同的金属薄片将舱室封口形成多个封闭腔，封闭腔内具有气压低于大气压或者气压高于大气压的气体，封闭腔内安装压力传感器，传感器用于传递当金属薄片腐蚀后将封闭腔与大气连通产生的压力变化信号。
6.如权利要求1所述的腐蚀状态与环境的监测装置，其特征在于，涂层失效传感器(3)，包括：
监测模块，用于通过电化学阻抗法获取涂层的关键成分；
计算模块，用于通过关键成分与涂层屏障功能特征关系计算出涂层的寿命。
7.如权利要求1所述的腐蚀状态与环境的监测装置，其特征在于，氯离子浓度传感器(4)在使用时一天监测2～3次，施加8～12s的电流脉冲，定时主动采集传感器的响应信号，根据预先拟合的Sand方程将电位-时间曲线反推为对应的氯离子浓度。
8.如权利要求1所述的腐蚀状态与环境的监测装置，其特征在于，还包括报警模块，腐蚀深度达到0.1mm时发出警报。
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