[发明专利]用于结构健康监测的传感器和系统

说明书

技术领域

本发明涉及结构诊断学，特别是涉及用于结构健康状况监测的诊断网络补丁(DNP)系统。

相关申请

本申请享有美国临时申请号60/505,120的优先权，其名称为“用于结构健康监测的传感器和系统”，申请日为2003年9月22日，其内容全部包括在本发明中。

背景技术

所有的正在使用的结构都需要进行适当地检查和维护，需要对其完整性和健康状况进行检查，以延长它们的寿命，防止形成灾难性的故障。显然，结构健康监测已经成为当今的一个重要课题。人们采用了大量的方法来鉴别结构的缺陷或损坏，这些方法包括传统的目视检查和非破坏性技术，例如：超声波和涡流扫描、声发射以及X射线检查。这些传统的方法至少需要将正在服务的结构临时移开以便进行检测。虽然这些方法仍用于单独位置的检测，但是它们很费时而且费用很高。

随着传感器技术的发展，新的用于现场结构完整性监测的诊断技术有了很大的发展。典型的是，这些新技术利用设置在主体结构内的、带有合适的传感器和激励器的传感系统。但是，这些方法存在的缺点在于，在最小的人为操作的干涉下，不能提供有效的执行可靠的传感器网络系统的在线方法以及/或精确的能够进行诊断、分类和预测结构状况的监测方法。例如，在Wu等人的美国专利5,814,729中揭示了一种通过检测叠层复合材料中振动波的阻尼特性的变化来定位结构中的分层区的方法。压电装置作为激励器来产生振动波，具有不同光栅位置的光缆作为传感器来捕捉波信号。这一系统的缺点在于，不能提供大量的激励器阵列，因此，每个激励器和传感器都必须单独设置。由于这种损坏检测是基于沿着视线路径在激励器和传感器之间传播的振动波的变化，所以，这种方法不能对位于路径之外的、或者结构边界周围的损坏进行检测。

另一种用于损坏检测的方法见于Blazic等人的美国专利5,184,516，其中揭示了一种用于结构健康监测和评估的自含式保形电路。这种保形电路由多个叠层和应变传感器追迹(trace)组成，通过每个传感器测量其相应位置的应力的变化，从而确定保形结构的缺陷。保形电路是一个被动的系统，即，它没有用来产生信号的激励器。类似的被动传感器网络系统见于Mannur，J.等人的美国专利6,399,939。在Mannur的这一专利中，对于将planner纤维植入复合结构中的压电陶瓷-纤维传感器系统进行了说明。这些被动方法的缺点在于，它们不能监测传感器之间的内部分层和损坏。而且，这些方法只能在设置有电路和压电陶瓷纤维的区域内检测主体结构的状况。

在Chang等人的美国专利6,370,964中揭示了一种用于对结构的损坏进行检测的方法，其中揭示了一种被称作“斯坦福多激励器—接收器转换(SMART)层”(Stanford Multi-Actuator-Receiver Transduction(SMART)Layer)的传感器网络层。这种SMART层包括等距设置的压电陶瓷传感器/激励器，并与夹在压电陶瓷传感器/激励器(或者，简称为压电陶瓷)之间的挠性介质膜固化在一起。激励器产生声波，传感器接收声波并将其转化为电信号。为了将压电陶瓷连接到电子箱上，铠装的电线通过常规的挠性电路技术被腐蚀并层压在底层之间。因此，需要大量的挠性底层区来覆盖铠装电线区。另外，需要将SMART层和由复合结构层制成的主体结构进行处理。由于在处理过程中高温循环所引起的内部应力，SMART内的压电陶瓷会产生微小的裂纹。而且，SMART层的底层会很容易地与主体结构分离。另外，很难将SMART层插入或贴附在具有弯曲部的主体结构上，因此，施加在弯曲部的压负荷会很容易使铠装电线折叠。有裂痕的压电陶瓷和折叠的电线容易产生电磁干扰噪音并产生令人误解的电信号。在恶劣的环境中，例如热应力、场冲击和振动环境中，SMART层对于结构健康监测来说不是一种耐用和可靠的工具。

而且，对损坏和/或有缺陷的激励器/传感器进行更换会由于需要拆除主体结构而需要很多费用。

另一种用于对结构的损坏进行监测的方法见于Light等人的美国专利6,396,262。Light等人揭示了一种用于对结构的损坏进行检查的磁致伸缩的传感器，这种传感器包括铁磁条和一个与铁磁条近距离安装的线圈。这种系统的主要缺点在于不能形成传感器阵列，因此，不能对位于传感器之间的内部的损坏进行检测。

因此，需要一种在最小的人为操作的干扰下，能够快速地安装到现有的和/或新的结构中并能提供可以进行诊断、分类和结构状况预测的有效在线方法的有效、精确和可靠的系统。

发明内容