基于傳感器的裂紋實時監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于傳感器的裂紋實時監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法，包括布拉格光柵傳感器硬件系統(tǒng)和智能涂層傳感器硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理平臺、數(shù)據(jù)存儲與預警系統(tǒng)；結(jié)合了布拉格光柵傳感器和智能涂層傳感器兩種裂紋監(jiān)測方法，對裂紋進行實時監(jiān)測，提高了監(jiān)測精度，減少了誤報的概率。
【專利說明】
基于傳感器的裂紋實時監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于傳感器的裂紋實時監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著各行業(yè)機械化的逐漸普及，結(jié)構(gòu)壽命及可靠性分析成為亟待解決的問題。其中，對于結(jié)構(gòu)裂紋的檢測成為結(jié)構(gòu)壽命評估的一個重要的方面。裂紋是結(jié)構(gòu)中典型的損傷類型之一。重要結(jié)構(gòu)在預計或額外使用期內(nèi)都會不可避免地產(chǎn)生裂紋，如果不能及時準確地監(jiān)測出這些裂紋的萌生及其擴展情況，可能會導致重大事故的發(fā)生，所以裂紋的實時監(jiān)測對于提高結(jié)構(gòu)安全是至關(guān)重要的。
[0003]結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)是一種智能的結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)中的集成，可在線實時獲取與結(jié)構(gòu)健康狀況相關(guān)的信息。因此，它能對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進行實時的診斷并及時發(fā)現(xiàn)裂紋。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)作為一門新興技術(shù)受到廣泛關(guān)注，處于迅速發(fā)展階段。目前，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域用于裂紋實時監(jiān)測的技術(shù)主要有:智能涂層技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、基于主動Lamb的壓電傳感技術(shù)、機電阻抗法、聲發(fā)射技術(shù)等。其中，智能涂層技術(shù)用于孔邊裂紋監(jiān)測相對可行，已在多個型號試用，但從飛機的試用情況來看，其存在虛警率較高的問題。從其監(jiān)測的物理機理來說，為了較為敏感的捕捉裂紋，智能涂層驅(qū)動層相對基體材料偏脆，這就降低了驅(qū)動層的基體隨附損傷特性。當基體發(fā)生較大變形卻尚未產(chǎn)生裂紋時，脆性較大的驅(qū)動層卻發(fā)生斷裂繼而報警，而該報警實際為虛警。當智能涂層布貼在不同基體上時，其驅(qū)動層與基體的脆性相差參差不齊，從而造成智能涂層不可能在所有材料上均具有良好的適用性。從造成智能圖層產(chǎn)生虛警的物理機理來看，這一問題是無法從根本上得到解決的。如何實現(xiàn)孔邊裂紋的有效監(jiān)測是急需解決的關(guān)鍵問題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于傳感器的裂紋實時監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，基于較為成熟的智能涂層技術(shù)，提出將光纖布拉格光柵傳感器與智能圖層傳感器相結(jié)合，開發(fā)一套裂紋綜合診斷系統(tǒng)，降低裂紋監(jiān)測的虛警率，提高裂紋監(jiān)控精度與可靠性。
[0005]具體的技術(shù)方案為:
[0006]基于傳感器的裂紋實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括布拉格光柵傳感器硬件系統(tǒng)和智能涂層傳感器硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理平臺、數(shù)據(jù)存儲與預警系統(tǒng)；
[0007]布拉格光柵傳感器硬件系統(tǒng)包括依次連接的寬帶光源、F-P腔、光分路器、梳狀濾波器、第一光電探測器，光分路器還分別與第二光點探測器、光柵連接，第一光電探測器、第二光點探測器分別與數(shù)據(jù)采集處理平臺的AD采集卡連接；
[0008]智能涂層傳感器硬件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集處理平臺的AD采集卡連接；
[0009]數(shù)據(jù)采集處理平臺還包括FPGA/ARM平臺，AD采集卡與FPGA/ARM平臺連接;FPGA/ARM平臺與數(shù)據(jù)存儲與預警系統(tǒng)連接；
[0010]所述的數(shù)據(jù)存儲與預警系統(tǒng)包括通信接口、數(shù)據(jù)存儲模塊和實時預警模塊。
[0011]基于傳感器的裂紋實時監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，包括以下過程，
[0012](I)將智能涂層傳感器和布拉格光柵傳感器布于需要檢測裂紋的結(jié)構(gòu)上；
[0013](2)數(shù)據(jù)采集處理平臺對采集的數(shù)據(jù)進行預處理，得到布拉格光柵的反射波波長偏移、波的展寬特征數(shù)據(jù)以及智能涂層的電阻、電壓特征數(shù)據(jù);然后通過模式識別的方法，建立裂紋產(chǎn)生情況與這些特征量的函數(shù)關(guān)系；
[0014]將布拉格光柵傳感器和智能涂層傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)進行預處理，得到特征量如布拉格光柵反射波長變化量、展寬以及智能涂層電阻，設(shè)為C^a2...αη，然后通過模式識別的方法建立模型;設(shè)β為又裂紋產(chǎn)生的概率，即求得:
[0015]β = Γ(αι,α2...αη)
[0016](3)在步驟(2)的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生裂紋進行分級，實現(xiàn)分級預警，合理處理；
[0017]當在a%以上概率產(chǎn)生裂紋時，為一級預警，需要發(fā)出一級警告，說明裂紋已經(jīng)產(chǎn)生；
[0018]當在13%至&%的概率產(chǎn)生裂紋時，為二級預警，需要發(fā)出二級警告，說明裂紋很可能已經(jīng)產(chǎn)生或?qū)⒁a(chǎn)生，需要盡快核實檢修；
[0019]當在b%以下概率產(chǎn)生裂紋時，無需警告，說明結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，無裂紋產(chǎn)生；
[0020]其中1O > a > b > O，根據(jù)實際需要確定分級預警的閾值。
[0021]本發(fā)明提供的基于傳感器的裂紋實時監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法，結(jié)合了布拉格光柵傳感器和智能涂層傳感器兩種裂紋監(jiān)測方法，將兩種方法融合在一起，設(shè)計數(shù)據(jù)處理和多級預警機制，揚長避短，很大程度上克服了如今單獨種類傳感器普遍存在的虛警、漏警現(xiàn)象。使用這種方法對裂紋進行實時監(jiān)測，提高了監(jiān)測精度，減少了誤報的概率，從而實現(xiàn)了一加一大于二的效果，在工程上具有更為廣闊的應(yīng)用前景。布拉格光柵傳感器具有抗腐蝕、輕便、不受電磁干擾、絕緣等優(yōu)良特性。另一方面，智能涂層傳感器也具有抗腐蝕、自修復、自清潔、抗菌等優(yōu)勢。這兩種傳感器的結(jié)合更是拓寬了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。另外，鑒于單獨布拉格光柵傳感器監(jiān)測裂紋和智能涂層傳感器監(jiān)測裂紋技術(shù)均較為成熟，使本發(fā)明有更好的穩(wěn)定性和可靠性。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)不意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明流程示意圖。
【具體實施方式】
[0024]結(jié)合【附圖說明】本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0025]具體過程如圖2所示:
[0026]第一步，將智能涂層傳感器和布拉格光柵傳感器合理布于需要檢測裂紋的結(jié)構(gòu)上；
[0027]對待測結(jié)構(gòu)進行受力分析，模擬結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)下各部分受力情況，在易產(chǎn)生裂紋的區(qū)域合理布置布拉格光柵傳感器和智能涂層傳感器。
[0028]第二步，在上述基礎(chǔ)上分別搭建與布拉格光柵傳感器和智能涂層傳感器相應(yīng)的硬件系統(tǒng)，并將硬件系統(tǒng)結(jié)合起來；
[0029]布拉格光柵傳感器硬件系統(tǒng)包括寬帶光源、F-P腔等光學器件組成的光路，智能涂層傳感器硬件系統(tǒng)為一系列電路系統(tǒng)。將兩個硬件系統(tǒng)經(jīng)過合理的整合，成為互不干擾，互不影響的一個系統(tǒng)。該系統(tǒng)在之前兩個獨立系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了供電統(tǒng)一、數(shù)據(jù)采集、預處理和存儲的統(tǒng)一等?；趥鞲衅鞯牧鸭y實時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0030]第三步，對采集的數(shù)據(jù)進行預處理，得到布拉格光柵的反射波波長偏移、波的展寬等特征數(shù)據(jù)以及智能涂層的電阻、電壓等特征數(shù)據(jù)。然后通過模式識別的方法，建立裂紋產(chǎn)生情況與這些特征量的函數(shù)關(guān)系；
[0031]將布拉格光柵傳感器和智能涂層傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)進行預處理，得到特征量如布拉格光柵反射波長變化量、展寬以及智能涂層電阻等。設(shè)為C^a2...αη，然后通過模式識別的方法建立模型。設(shè)β為又裂紋產(chǎn)生的概率，即求得:
[0032]β = Γ(αι,α2...an)
[0033]第四步，在第三步的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生裂紋進行分級，實現(xiàn)分級預警，合理處理；
[0034]在求得β的基礎(chǔ)上，需要合理的處理判斷是否真正產(chǎn)生裂紋，然后判斷是否需要報警。可以根據(jù)β的大小進行分級預警。即分為兩級預警:
[0035]當在a%以上概率產(chǎn)生裂紋時，為一級預警，需要發(fā)出一級警告，說明裂紋已經(jīng)產(chǎn)生。
[0036]當在13%至&%的概率產(chǎn)生裂紋時，為二級預警，需要發(fā)出二級警告，說明裂紋很可能已經(jīng)產(chǎn)生或?qū)⒁a(chǎn)生，需要盡快核實檢修。
[0037]當在b%以下概率產(chǎn)生裂紋時，無需警告，說明結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，無裂紋產(chǎn)生。
[0038]其中100>a>b>0，可根據(jù)實際需要確定分級預警的閾值。
[0039]在結(jié)構(gòu)正常工作過程中，通過實時采集布拉格光柵和智能涂層的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理得到各特征量，然后建立模型和預警機制，便可以實現(xiàn)系統(tǒng)的實時預警功能。
【主權(quán)項】
1.基于傳感器的裂紋實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括布拉格光柵傳感器硬件系統(tǒng)和智能涂層傳感器硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理平臺、數(shù)據(jù)存儲與預警系統(tǒng)； 布拉格光柵傳感器硬件系統(tǒng)包括依次連接的寬帶光源、F-P腔、光分路器、梳狀濾波器、第一光電探測器，光分路器還分別與第二光點探測器、光柵連接，第一光電探測器、第二光點探測器分別與數(shù)據(jù)采集處理平臺的AD采集卡連接； 智能涂層傳感器硬件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集處理平臺的AD采集卡連接； 數(shù)據(jù)采集處理平臺還包括FPGA/ARM平臺，AD采集卡與FPGA/ARM平臺連接;FPGA/ARM平臺與數(shù)據(jù)存儲與預警系統(tǒng)連接； 所述的數(shù)據(jù)存儲與預警系統(tǒng)包括通信接口、數(shù)據(jù)存儲模塊和實時預警模塊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傳感器的裂紋實時監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于，包括以下過程， (1)將智能涂層傳感器和布拉格光柵傳感器布于需要檢測裂紋的結(jié)構(gòu)上； (2)數(shù)據(jù)采集處理平臺對采集的數(shù)據(jù)進行預處理，得到布拉格光柵的反射波波長偏移、波的展寬特征數(shù)據(jù)以及智能涂層的電阻、電壓特征數(shù)據(jù);然后通過模式識別的方法，建立裂紋產(chǎn)生情況與這些特征量的函數(shù)關(guān)系； 將布拉格光柵傳感器和智能涂層傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)進行預處理，得到特征量如布拉格光柵反射波長變化量、展寬以及智能涂層電阻，設(shè)為C^a2...αη，然后通過模式識別的方法建立模型;設(shè)β為又裂紋產(chǎn)生的概率，即求得:β = ?(αι,α2...αη) (3)在步驟(2)的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生裂紋進行分級，實現(xiàn)分級預警，合理處理； 當在a%以上概率產(chǎn)生裂紋時，為一級預警，需要發(fā)出一級警告，說明裂紋已經(jīng)產(chǎn)生； 當在13%至8%的概率產(chǎn)生裂紋時，為二級預警，需要發(fā)出二級警告，說明裂紋很可能已經(jīng)產(chǎn)生或?qū)⒁a(chǎn)生，需要盡快核實檢修； 當在b%以下概率產(chǎn)生裂紋時，無需警告，說明結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，無裂紋產(chǎn)生； 其中100>a>b>0，根據(jù)實際需要確定分級預警的閾值。
【文檔編號】G01N27/04GK105954294SQ201610320257
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】李英武, 張衛(wèi)方, 金博, 任飛飛, 張萌, 王鄧江, 劉曉鵬
【申請人】北京航空航天大學