压电、光栅混和结构健康监测诊断系统-模板
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压电、光栅混和结构健康监测诊断系统(译文)
XinlinQing,1AmritaKumar,1ChangZhang,2
IgnacioF.Gonzalez,2GuangpingGuo,2Fu-KuoChang
(1Acellent技术公司Sunnyvale,CA94089;2航空航天系,斯坦福大学,斯坦福,CA94305
摘要:针对快速无损评估和航空飞行器长期结构健康监测,开发了一种压电、光栅混和结构健康监测诊断系统。混合诊断系统采用压电驱动器向结构输入控制信号,由光纤传感器捕获结构的响应。该系统由三个主要部分构成:由压电元件网络与光栅网络构成的诊断层,用于将大型传感网络简单有效的集成到结构上;诊断硬件,由任意波形发生器、高速光栅调制单元以及高速采集卡构成,用来提供激励输入、数据采集与信号处理;诊断软件,用于测定结构的情况。本文主要介绍了有关压电、光栅混和结构健康监测诊断层以及高轻便诊断软件的开发。同时,介绍了该诊断系统的论证试验。
关键词:结构健康监测,无损检测(NDT),混合诊断系统,压电片,光栅,诊断层
1
HybridPiezoelectric/FiberOpticDiagnosticSystemforStructuralHealth
Monitoring
XinlinQing,AmritaKumar,ChangZhang
AcellentTechnologies,Inc.Sunnyvale,CA94089
IgnacioF.Gonzalez,GuangpingGuo,Fu-KuoChang
AeronauticsandAstronauticsDepartmentStanfordUniversity,Stanford,CA94305
Abstract:Ahybridpiezoelectric/fiberopticdiagnosticsystemhasbeendevelopedforquicknondestructiveevaluationandlong-termhealthmonitoringofaerospacevehiclesandstructures.Thehybriddiagnosticsystemusespiezoelectricactuatorstoinputacontrolledexcitationtothestructureandfiberopticsensorstocapturethecorrespondingstructuralresponse.Thesystemconsistsofthreemajorparts:adiagnosticlayerwithanetworkofpiezoelectricelementsandfibergratingstoofferasimpleandefficientwaytointegratealargenetworkoftransducersontoastructure;diagnostichardwareconsistingofanarbitrarywaveformgeneratorandahighspeedfibergratingdemodulationunittogetherwithahighspeeddataacquisitioncardtoprovideactuationinput,datacollectionandinformationprocessing;anddiagnosticsoftwaretodeterminetheconditionofthestructure.Thispaperpresentskeydevelopmentissuesrelatedtothemanufacturingofthehybridpiezoelectric/fiberopticdiagnosticlayerandintegrationofahighlyportablediagnostichardware.Validationandprooftestingofthisintegrateddiagnosticsystemisalsopresented.
Keyword:Structuralhealthmonitoring,Non-DestructiveTesting(NDT,Hybriddiagnosticsystem,Piezoelectric,Fibergrating,diagnosticlayer.
4]
1引言
在线结构的健康监测集成极大的关系到制造以及人工维护,目的是通过较低的监
-
测与维护费用显著提高安全性与可靠性[1
。由于只能对可接触到的区域进行检测,因此目前所使用的无损检测(NDT)技术存在着局限性,同时,在使用时需要大量的人力,从而导致了生命周期成本的增加。利用结构集成分布式传感器、精确的信号分析与实时数据处理可以大大减少检测的费用。
SMARTLayer技术基于嵌入式压电驱动器与传感器网络,是一种具有很高可行性与成
,
效的结构监测与在线结构损伤检测方法[56]
。另外,光纤布拉格光栅传感系统已经在
~
结构健康监测领域得到了许多应用[79],在许多应用领域光纤传感器提供新的有效测试方法的潜力正逐渐显现出来。此外,文献[10-11]
介绍了有关采用压电驱动器与光纤传感器进行全阻抗结构健康监测与振动控制的研究工作。本文介绍了基于智能夹层技术的压电光纤(HyPFO)混合航天飞行器结构健康监测系统。该混合系统可以用来实现快速无损评估和航空飞行器长期结构健康监测,如图1。该健康监测系统结合了集成在结构中的传感网络、信号处理仪器和数据分析软件,用来实时在线监测、及早发现和长期跟踪结构损伤[12]。通过该系统,结构健康监测这一概念将成为结构工程中可行的商业选择,并使新一代更稳定更低维护成本的安全结构成为可能。这一结构诊断系统可以进行定量评估,并且可以对在敌方环境中航
空结构发生的事件进行判断。以下是该混合
系统潜在使用领域的详细介绍:
在线材料特性评估材料与结构瑕疵检测
损伤检测,包括分层和腐蚀载荷环境评估(疲劳、过载)
该混合系统的一个主要的优点是它提供了最佳的驱动器与传感器之间的去耦(激励输入信号与传感器输出信号之间最小干扰),因为传感器采用了不同的信号传输机理:压电驱动器采用电信号而光纤传感器采用光学信号。由于他们采用了两种不同的信号传输机理,实际上它们之间没有干扰。采用压电和光纤传感器的另一个优点是可以用于多种测量。光纤传感器可以用来温度传感,压电传感器可以用来氢传感,同时使用两者可以用来监测声发射。考虑到这些潜在的应用,混合压电光纤监测系统的思想是非常诱人的。
2系统原理>>>>
压电、光栅混和结构健康监测诊断系统>>>>
中央处理单元>>>>
压电驱动器光纤传感器
图1混合压电光纤航空飞行器结构健康监测系统示意图>>>>
开关板
驱动>>>>>>>>放大器>>>>波形发生器>>>>
>>>>调制单元数据采集
处理器