[发明专利]基于含金属芯压电纤维的结构损伤定位装置

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种用于工程结构健康监测的装置，尤其涉及一种可以进行结构损伤定位的装置。

二、背景技术

结构健康监测技术是一门利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息，对结构中存在的不安全因素在早期就加以控制和消除的新型交叉学科。目前，结构健康监测技术主要分为主动监测和被动监测技术。被动监测技术通过传感器测量结构的响应，感知外界的温度、机械、电学或化学变化，这些机械和非机械的信号产生后通过传感器来确定。在被动监测技术里，传感元件始终处于被动接受状态，只有结构状态发生变化，产生相应的物理量时，传感元件才起作用。而主动监测技术则首先需要对监测结构施加激励信号，使用传感器接受结构的响应信号，通过比较结构损伤前后传感器响应信号的异同来监测结构的健康状况。在主动结构健康监测技术中，基于超声Lamb波的结构健康监测技术是一种典型的，也是目前研究较为热门的主动监测技术。这种方法一般是针对航空、建筑等板结构的健康监测，在板结构的一个位置粘贴超声换能器对结构进行激励，激励信号就在结构中产生Lamb波，通过在结构另一位置粘贴传感器接受Lamb波信号，当传感器接受的信号偏离了结构在正常健康状态下的参考信号时，就表明结构发生了异常情况。

在基于Lamb波的主动结构健康监测中，一般采用压电元件作为Lamb波驱动器和传感器的。然而，传统的压电功能器件以块状和片状居多，非常容易损坏，不适合粘贴在曲面结构表面；而且由于体积较大，不易与基体结构集成，当埋入基体结构时，对结构的强度和可靠性有很大的影响。因此开发轻质、结构细小、易与基体结构集成的薄膜或纤维状压电功能元件是一个必然的发展趋势。含金属芯压电纤维(MPF)是一种新型压电功能器件，其中心为一根金属芯，中间层为压电陶瓷，外层为溅射的一层金属层。因此，中心的金属芯和外层金属层可以作为两个电极，所以单根MPF就可以作为驱动器和传感器。其结构细小(直径300μm左右)，非常易于与基体结构集成或者粘贴在基体结构表面。而且其一个很大的优点在于传感Lamb波具有很强的方向性。因此，MPF作为超声Lamb波传感器用于结构健康监测装置中受到了很大关注。

传统的基于Lamb波的结构损伤定位技术一般都是采用三角测量Lamb波传播的时差来定位的。这种测量Lamb波传播时差的定位技术一个前提就是必须知道Lamb波在结构中的传播速度，然而，对于一些复杂板结构如航空壁板、壳体结构、复合材料结构等，很难获得Lamb波在其中的传播速度，而且各向异性材料结构中各方向波速还不相同。所以在这些复杂结构中，基于测量Lamb波传播时差的主动监测定位装置将很难应用。

三、发明内容

1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种应用于复杂板结构的结构损伤定位的装置，该装置中的传感元件为含有金属芯的压电纤维。

2、技术方案：

为了解决上述技术问题，本发明的包括信号发生器、贴设在待进行健康监测的结构表面的Lamb波激励元件、布置于待进行健康监测的结构表面的第一、第二含金属芯压电纤维单元、数据采集卡、功率放大器和电荷放大器，所述的含金属芯压电纤维单元由三根等长的第一、第二、第三含金属芯压电纤维组成，第一含金属芯压电纤维、第二含金属芯压电纤维和第三含金属芯压电纤维互成60度角布置，即这三根等长的含金属芯压电纤维呈等边三角形的形状，但相互不连接，并且各自在两端引出电极供电路连接时使用，一般地，可以将这种呈这种结构设置的含金属芯压电纤维单元称为MPF花形结构，MPF即为含金属芯压电纤维的简称；信号发生器产生的信号经过功率放大器放大后施加给Lamb波激励元件，Lamb波激励元件在结构中产生Lamb波；第一、第二含金属芯压电纤维单元传感Lamb波产生的电压信号经过电荷放大器传递给数据采集卡，至此，完成对Lamb波信号的采集；数据采集卡可与工控监测显示单元连接，这样可以通过观察波形来判断损伤的位置，从而完成结构损伤的定位。