[发明专利]用于带有频率同步的结构健康监视的方法和系统

说明书

结构健康监视(“SHM”)方法、设备和技术涉及基于由光纤布拉格光栅传感器进行应变测量的网络来建立监视下的结构部件的表面上的形变场映射图(激励相关的振幅和相位)。

技术领域

本发明的技术涉及结构健康监视(“SHM”)领域，并且更具体地涉及用于对复合材料、金属或其他结构的结构健康监视的方法和系统，该方法和系统基于通过扫描频率范围并且评估近共振的不同传感器的振幅(或者RMS值或峰-峰值)来测量处于测试下的表面上的形变场并且与(无缺陷)结构的初始值或以其他方式已知的标记进行比较。还更特别地，由本发明的示例性非限制实施例所提供的结构健康监视方法、设备和技术包括或涉及基于由光纤布拉格光栅传感器进行应变测量的网络来建立监视下的结构部件的表面上的形变场映射图(激励相关的振幅和相位)。

背景技术

所有使用中的结构都可能需要适当的检查与维护，因此应当针对结构的完整性和健康状况而对它们进行监视以延长其使用寿命或者防止灾变性故障。人们已采用若干种技术来识别结构的故障或损伤。这类技术包括常规的目视检查以及无损的自动化技术，包括超声与涡流扫描、声发射和X射线检查。这类常规技术经常需要至少暂时性地从服役中取出结构以便检查。尽管仍广泛使用隔离位置的检查，但这种检查通常耗时且昂贵并且本身可能不适于在设备处于服役中的同时检查该设备，诸如飞行器。

这类途径还具有其他缺陷并且可能不提供实施可靠的传感网络系统的有效在线方法来和/或在操作人员干预最小的情况下便能诊断、分类和/或预测结构状况的精确监视方法。

随着传感器技术的进步，用于现场结构完整性监视的新诊断技术已经取得巨大的进展。典型地，这些新技术利用在主结构中内置适当传感器和致动器的传感系统。

某些SHM系统使用“被动式”应变跟踪或者声发射监视技术。然而，在许多应用中，为了有效地检测损伤，被动式应变跟踪以及被动式声发射监视技术可能都需要连续监视。因此，如果发生电源故障或电源切断，则SHM系统可能被停用，这会变成劣势。此外，被动式应变跟踪以及被动式声发射监视可能都不会如预期那样敏感，由此可能不够精确和/或不够可靠。声发射监视技术的精确性和可靠性还可能受损于普遍的车辆噪声环境或其他环境。声发射监视技术的另一可能劣势在于，可能需要大量的数据存储。为了量化和定位损伤，应变跟踪技术可能需要有限元应变分布模型，利用该模型来比较所测量的整个结构上的应变分布，这就有可能提高开发成本。

其他的SHM系统可以视为“主动式”系统，因为它们使用换能器来主动地激励和感测结构的振动特性。能够将这些振动特性与正常未损结构的已知或基线(并且因此预定的)振动特性进行比较；并且将差异用于确定结构的健康。具体地，在某些SHM系统中，能够通过计算每个致动器与传感器之间的传递函数来定义振动特性。然后，能够将传递函数与表示结构的正常“健康”状态的基线基准进行比较。该基线可以通过采集结构健康时的几组致动器/传感器数据并且计算诸如数据集的平均值和均方差的统计值来生成。然而，结构的温度变化有时可能导致这些主动式SHM系统错误地检测损伤。具体地，结构中的温度变化可能导致所测量的振动特性中的变化，这种变化会延续到从中计算出的传递函数。

已知的技术通常遵循两种途径之一：一方面是信号激励与处理，另一方面是工作信号与结果。

例如，已知的方法有：检测层压复合结构中的振动波的衰减特性的变化，以定位结构中的脱层区域。压电陶瓷装置能够用作致动器来生成振动波，并且具有不同光栅位置的光纤缆线能够用作传感器来捕捉或感测传播的波信号。这种类型系统的可能缺陷在于，其无法容纳大量的致动器阵列，因此致动器和传感器中的每一个均须单独放置。由于损伤检测基于沿着致动器与传感器之间的视线路径传播的振动波的变化，这样的方法可能无法检测到位于路径之外和/或结构边界周围的损伤。