[发明专利]结构健康监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及结构的健康监测系统，例如用于结构例如飞机结构的无损评估的系统。

背景技术

结构健康监测系统吸引了越来越多的兴趣。其提供了评估结构完整性的无损方法。例如，结构健康监测系统在航天工业中的使用变得更广泛。

这是因为此类系统提供了评估飞机(或者其某些部件)的健康的无创方法，其通常比执行传统方法更快且成本更低。此外，结构健康监测系统的结合可以允许保养检查之间的更长间隔，并且可以允许延长飞机的使用寿命。

结构健康监测系统已经与金属(例如铝和铝合金)和复合结构一起使用。

包含监测弹性波穿过结构的传播的换能器(如压电换能器)阵列的结构健康监测系统是已知的。结构内部的异常处(anomaly)反射该弹性波，并且这些反射被换能器探测到。例如，树脂纤维复合材料结构的分层以及复合结构和金属结构两者中的裂痕引起可以探测的反射。

除了仅识别一个或更多个异常处和/或至少一个异常处的存在，还可以确定异常处的位置。例如，使用分布式换能器阵列是已知的。反射波到达换能器的时间差被转换为距每个换能器的等价距离，由此可以使用三角测量法确定该异常处的位置。

然而，由于必须提供并定位大量的分布式传感器，所以这些系统昂贵并且安装费时。此外，大量传感器导致飞机的超重处罚，并且也影响该结构的基本参数如其惯量分布和硬度。

分布式换能器阵列的替换选择是使用相控换能器阵列。在这种阵列中，换能器被定位成彼此接近。如在这些作为相控阵列天线的应用中更好理解的，使用相位在换能器之间变化的激励信号来激励换能器，由此影响波束控制。换能器收听反射信号，并且通过使用该反射的测量渡越时间(time of flight)和已知的传播方向来确定一个或更多个异常处和/或至少一个异常处的位置。

然而，这些相控阵列系统也存在缺点。依靠相控阵列的波束控制技术需要复杂的信号处理以提取方向信息。另外，这类系统受困于至阵列侧面例如栅瓣(grating lobe)的信号泄漏以及不同于期望转向角的角度处的强的二次信号。同时，波束形成和控制中的要求精度对换能器规格和安装有严格要求。

因此，分布式换能器阵列和相控换能器阵列的建立技术受困于复杂性和严格的制造及设计要求，这显著增加了制造和整合到结构内的开支。数据生成和处理的复杂性进一步增加了成本。

因此，存在对复杂性减少、成本降低且较易安装的结构健康监测系统的需求。

发明内容

在这一背景下并且从第一方面，本发明提供一种使用结构健康监测系统评估结构内部的损伤的方法。该结构健康监测系统包含可操作地与该结构接触布置的一个或更多个或者一组或者至少三个接收器，以及也可操作地与该结构接触布置的发射器。

该方法包含操作发射器以激励传播穿过该结构的弹性波。弹性波可以由至少三个或者一组三个接收器中的一个元件、其任何一个或其组合或者由单独的发射器产生。如果是单独的发射器，该发射器可以位于该组三个接收器附近。

该方法进一步包含从至少三个接收器收集监测信号，以便监测弹性波从该结构内部的任何异常处的反射。分析该监测信号以识别结构内部的一个或更多个异常处和/或至少一个异常处。

因此，本发明提供了用于结构健康监测的简单系统。该系统使用了无损方法，并且可以应用于各种形式的结构，例如可以是金属或者复合物的航天结构。采用一种有源系统，其使用发射器来产生弹性波，然后使用接收器探测弹性波的反射。

一个或更多个接收器、至少三个接收器或者少到三个接收器的简单阵列被用于识别结构内部的异常处。因此，当与已知的分布式换能器阵列和相控换能器阵列相比时，需要更少的换能器。与相控阵列所需要的复杂得多的计算相比，可以通过求解一组简单的线性方程来识别并得到异常处的位置。一个或更多个接收器阵列可以与渡越时间方法一起使用来定位异常处，或者两个或更多个接收器阵列可以被用于定位异常处，其中每个阵列被用于确定异常处的方向。

发射器和接收器可以从许多适合的选择中选定。例如，发射器可以是仅能够发射弹性波到结构的简单装置。接收换能器可以仅能够探测在结构中行进的弹性波。然而，用作发射器和接收器的换能器优选能够用于激励并探测在结构中行进的弹性波。为此，压电换能器是特别优选的，例如大型纤维复合材料压电换能器。发射器和接收器可以以任何适合的方式例如通过下面具体描述中所述的方法连接到结构。