專利名稱：一種構件表面失效的預警監(jiān)測和條件構建方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于表面裂痕檢查技術領域，涉及一種構件表面失效的預警監(jiān)測方法和條件構 建方法及其裝置，具體涉及一種構件表面的破壞型形變和斷裂型裂紋的預警監(jiān)測方法和條 件構建方法及其裝置。
背景技術：
隨著人類社會的不斷發(fā)展，人們對機械設備性能的要求也越來越高，由于設備構件本 身性質的局限性，使得它們在應對高性能需求時往往會發(fā)生失效，產(chǎn)生不可估量的后果。 例如，飛機機身飛行時的高頻震動會導致某些關鍵部位的螺栓松動，甚至脫落，以至釀成 機毀人亡的慘劇。這些大禍實際上最初都是基于構件表面的破壞型形變和斷裂型裂紋才產(chǎn) 生的
在現(xiàn)有技術中，表面裂紋檢測方法有許多種，通常有利用X線、放射線的，利用螢光、 染色的，利用磁力手段的，利用超聲波探傷的，利用聲發(fā)射手段的以及利用應變片檢測方 法的等等。上述這些方法雖然檢測的準確度都比較高，但是共同的缺點是設備成本太高， 檢測條件苛刻，技術操作復雜，設備維護困難，方法通用性較差且必須要有熟練的技能， 而且不能實施在線的隨時隨機檢測。利用測定電阻來檢測表面裂紋的方法是近年來出現(xiàn)的 一種簡便快捷、成本低廉的表面裂紋檢測技術而受到各方面的關注。在本發(fā)明以前的同類 現(xiàn)有技術中，US2986928號專利文獻公開了一種方法，該方法應用一排平行配置的電阻帶， 將其末端連在一起并與測量電路相接，然后把敏感元件貼在零件表面，當裂紋擴展時，電 阻帶也隨之斷裂，通過測量電阻變化即可決定表面裂紋的參量。這種檢測方法的缺點是精 確度較低，難以準確確定裂紋的具體位置。CN1049056號專利申請文獻公開了一種方法， 該方法是將敏感元件蒸鍍在介質襯底上的所有可能擴展的部位，并將蒸鍍上敏感元件的介 質襯底與測量儀器通過電聯(lián)接來完成裂紋檢測，該方法可以擴大裂紋的測量范圍，精度也 有一定程度的提高，但是蒸鍍工藝需要較為復雜的專用設備，造價較高，且不利于現(xiàn)場操 作，工藝過程難于掌握和控制
發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術存在的缺陷，克服現(xiàn)有表面失效監(jiān)測技術存在的不足，本發(fā)明的目 的在于提供一種可以準確定位失效部位、方法簡單、操作簡便、成本適中、通用性強而又 對工人技術要求不高的構件表面破壞型形變和斷裂型裂紋的預警監(jiān)測和條件構建方法及 其裝置。
現(xiàn)將本發(fā)明構思及技術解決方案敘述如下
本發(fā)明方法基本構思是，在任何基本構件、大型構件(例如飛機的應力連接部位、大 型鋼架的承重梁)的關鍵部位的表面涂覆一層檢測層，當這些部位發(fā)生宏觀失效時，使檢 測層隨之發(fā)生異變，通過構件表面的電橋層的通斷情況來監(jiān)測構件表面檢測層的電信號的 變化，然后通過外接傳感器把這些變化信號進行釆集并處理，最后把失效部位和結果直觀 地反映在操作時很難觀測到的操作人員面前， 一旦發(fā)現(xiàn)失效，預警系統(tǒng)會發(fā)出報警并指示 出具體的失效位置，以便操作人員及時反映，預防事故的發(fā)生。
按照上述發(fā)明構思，本發(fā)明方法包括兩方面的內(nèi)容即構件表面失效的預警監(jiān)測方法 和雙層網(wǎng)絡電橋層的制備方法。
本發(fā)明構件表面失效的預警監(jiān)測方法，包括信號采集和信號處理過程，其特征在于 所述的信號采集過程是通過雙層網(wǎng)絡電橋層來實現(xiàn)，信號處理過程是用可編程控制器 (PLC)來實現(xiàn)；具體包括如下步驟
歩驟1:信號采集傳感器將所感受到的構件表面破壞型形變和斷裂型裂紋產(chǎn)生的電信 號，通過網(wǎng)絡電橋層的柵狀金屬片的所有柵欄腳上連接的導線與信號傳輸轉接電路板連 接，形成一個脈沖回路，并由此產(chǎn)生一個脈沖回路的通斷信號；所述的信號采集傳感器是 根據(jù)被測構件的具體情況而隨即制作的、由驅動層、正交網(wǎng)絡電橋層、絕緣涂料保護層構 成的傳感器；所述的驅動層是用來提高構件基體材料與網(wǎng)絡電橋材料之間匹配性能的介 質；所述的正交網(wǎng)絡電橋層是產(chǎn)生基體表面破壞型形變和斷裂型裂紋信號的構件；所述的 絕緣涂料保護層是用來隔絕外界影響的介質。
步驟2:信號傳輸轉接電路板的接口電路將脈沖回路的通斷信號輸入到可編程控制器 (PLC);輸入的通斷信號經(jīng)過可編程控制器(PLC)處理成圖象和文字信號以后，利用觸 摸屏進行顯示和輸出。
本發(fā)明構件表面失效的預警監(jiān)測的條件構建方法，其特征在于包括驅動層的制備、 網(wǎng)絡電橋層的制備、信號采集傳感器的制備、信號傳輸轉接電路的制作，信息處理系統(tǒng)回 路的制作，具體方法步驟如下 步驟l制備驅動層對需要監(jiān)測的構件表面進行除灰、除油處理，然后將驅動層材料以一定的工藝手段均 勻涂覆在處理過的構件表面上；涂覆的工藝手段可為靜電噴涂、手工涂覆；驅動層材料由 環(huán)氧樹脂或聚酯樹脂、固化劑、顏料、填料和助劑組成；驅動層的厚度在20 200"m之間； 步驟2制備網(wǎng)絡電橋層
將事先準備好的金屬薄片，用整體扎壓的方法，制成柵狀金屬片，然后將 兩片柵狀金屬片正交重疊，片與片之間用絕緣膠體粘連；其中金屬薄片的厚度為20 50nm; 扎壓成的柵狀金屬片的柵欄和柵格均為1.0 2.0rnm;用于連接兩金屬片的絕緣膠體為環(huán)氧 樹脂或聚酯樹脂或酚醛樹脂，膠體厚度在保證絕緣的情況下不超過50iim;
步驟3制備信號采集傳感器
將制備好的正交網(wǎng)絡電橋層貼于有粘性的驅動層表面，然后在電橋層的上表面涂覆一 層絕緣涂料作為保護層，絕緣涂料可用構件表面漆替代；完成這些步驟后，在柵狀金屬片 的所有柵欄腳上都連接一根導線并按下列規(guī)定編上號；行腳上從上到下依次編為H,、 H,、 H2、 H2'、…Hn、 H ';列腳上從左到右依次編為U L'、 L2、 L2'、 …L、 L ';
步驟4制作信號傳輸轉接電路
按照步驟3上柵欄腳的編號，讓原號和帶撇號的導線與電路板連接，形成一個脈沖回
路；例如H,和H/ 一組，L2和U' 一組； 步驟5制作信息處理系統(tǒng)回路
將步驟4中所述的轉接電路與PLC的1/0接口直接連接；轉接電路傳來的信號經(jīng)過可
編程控制器(PLC)的處理以后，利用觸摸屏進行顯示和輸出。
本發(fā)明構件表面失效的預警監(jiān)測裝置，其特征在于包括信號采集傳感器和信息處理 系統(tǒng)；所述的信號采集傳感器包括驅動層、網(wǎng)絡電橋層、保護層；驅動層作為一種粘性 涂層與被測構件相粘合，網(wǎng)絡電橋層與驅動層相粘合，保護層涂敷在網(wǎng)絡電橋層上；信息 處理系統(tǒng)包括轉接電路、可編程控制器(PLC)、監(jiān)測結果輸出裝置，其中信號傳輸轉接電 路板的接口電路與PLC的1/0接口直接連接，將采集來的通斷模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號； 可編程控制器與監(jiān)測輸出裝置通過RS485適配器連接，數(shù)字信號經(jīng)過可編程控制器處理后 以文字和圖象的形式顯示和輸出。
本發(fā)明同現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點-
1、 能實現(xiàn)構件表面關鍵部位的實時狀態(tài)監(jiān)測。
2、 制備工藝簡單，原料廉價，操作規(guī)程簡單，具有很好的可操作性。
3、 使用了正交的網(wǎng)絡電橋層，能夠將裂紋發(fā)生部位更準確定位。
4、利用了比較先進的信號處理和輸出手段，能夠更及時準確和直觀地反映出監(jiān)測部
位某點位的失效變化，有利于操作人員迅速作出判斷，避免重大事故的發(fā)生。
圖l:本發(fā)明裂紋檢測裝置結構示意圖
其中1、信號采集傳感器2、信號處理系統(tǒng)3、保護層4、網(wǎng)絡電橋層5、驅
動層6、基體材料7、轉接電路8、可編程控制器9、監(jiān)測結果輸出裝置
圖2:網(wǎng)格電橋層示意圖
圖3:圖2的A-A向、B-B向視圖
圖4:轉接電路板示意圖
具體實施例方式
實施例本發(fā)明構件表面失效的預警監(jiān)測的條件構建方法 步驟l制備驅動層
選取厚度為4mm的45#鋼板作為基材，通過剪切打磨，使其成為長100mm、寬50mm、 厚3.5mm的標準試樣。對試樣進行除油除銹，表面活化，磷化，清洗等一系列前處理，然 后采用靜電粉末噴涂技術在試樣表面噴涂一層環(huán)氧樹脂作為驅動層，層厚約20y m。
步驟2制備網(wǎng)絡電橋層
將30um厚的銅箔，裁成試樣大小，用整體扎壓的方法，制成柵狀金屬銅 片，其中柵欄和柵格均為1.5國。然后將兩片柵狀金屬片正交重疊，片與片之間用環(huán)氧樹 脂粘連，其中環(huán)氧樹脂膠層厚度為20um。
步驟3制備信號采集傳感器
將制備好的正交網(wǎng)絡電橋層貼于有粘性的驅動層表面，然后在電橋層的上表面涂覆一 層環(huán)氧樹脂并固化作為保護層，該保護層厚度為50um。完成這些步驟后，在柵狀銅箔的 所有柵欄腳上都連接一根導線并按下列規(guī)定編上號。行腳上從上到下依次編為H,、 HZ、 H2、 H2'、 H:,、 H3'…Hs、 H8';列腳上從左到右依次編為L,、 L,'、 L2、 L2'、 L3、 L3'…U、 L16'。然后按照柵欄腳的編號，分別讓配對號的兩條導線與電路板相連接，形成24個脈沖 回路。
步驟4制作信號傳輸轉接電路
將接口電路與PLC的I/0接口直接連接，然后將PLC與觸摸屏用RS485連接起來，本 實例中PLC采用三菱的FX2N-80MR，觸摸屏采用三菱的F940G0T-LWD-C。 步驟5制作信息處理系統(tǒng)回路待信息處理系統(tǒng)調試完好后，對試樣進行加載。在實驗過程中，密切注意觀察觸摸屏 的變化，當疲勞裂紋產(chǎn)生時，裂紋信息迅速傳到信息處理系統(tǒng)，并顯示出來。從觸摸屏畫 面上可以觀察到裂紋的大致區(qū)域和大小，當裂紋擴展時也可以發(fā)現(xiàn)顯示屏上裂紋的沿伸方 向。通過對比觸摸屏顯示結果與試樣表面裂紋的實際情況，兩者結果一致。
權利要求
1、一種構件表面失效的預警監(jiān)測方法，包括信號采集和信號處理過程，其特征在于包括如下步驟步驟1信號采集傳感器將所感受到的構件表面破壞型形變和斷裂型裂紋產(chǎn)生的電信號，通過網(wǎng)絡電橋層的柵狀金屬片的所有柵欄腳上連接的導線與信號傳輸轉接電路板連接，形成一個脈沖回路，并由此產(chǎn)生一個脈沖回路的通斷信號；步驟2信號傳輸轉接電路板的接口電路將脈沖回路的通斷信號輸入到可編程控制器；輸入的通斷信號經(jīng)過可編程控制器的處理成圖象和文字信號以后，利用觸摸屏進行顯示和輸出。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種構件表面失效的預警監(jiān)測方法，其特征在于所述的 信號采集傳感器，是根據(jù)被測構件的具體情況而隨即制作的、由驅動層、正交網(wǎng)絡電橋層、 絕緣涂料保護層構成的傳感器；所述的驅動層是用來提高基體材料與網(wǎng)絡電橋材料之間匹 配性能的介質；所述的正交網(wǎng)絡電橋層是產(chǎn)生基體表面破壞型形變和斷裂型裂紋信號的構 件；所述的絕緣涂料保護層是用來隔絕外界影響的介質。
3、 一種構件表面失效的預警監(jiān)測的條件構建方法，其特征在于包括驅動層的制備、 網(wǎng)絡電橋層的制備、信號采集傳感器的制備、信號傳輸轉接電路的制作，信息處理系統(tǒng)回 路的制作，具體方法步驟如下步驟l制備驅動層對需要監(jiān)測的構件表面進行除灰、除油處理，然后將驅動層材料以一定的工藝手段均 勻涂覆在處理過的構件表面上； 步驟2制備網(wǎng)絡電橋層將事先準備好的金屬薄片，用整體扎壓的方法，制成"uiium"柵狀金屬片，然后將 兩片柵狀金屬片正交重疊，片與片之間用絕緣膠體粘連； 步驟3制備信號采集傳感器將制備好的正交網(wǎng)絡電橋層貼于有粘性的驅動層表面，然后在電橋層的上表面涂覆一 層絕緣涂料作為保護層，絕緣涂料可用構件表面漆替代；完成這些步驟后，在柵狀金屬片 的所有柵欄腳上都連接一根導線并按下列規(guī)定編上號；行腳上從上到下依次編為H,、 H「、 H2、 H2'、 ...H 、 H"列腳上從左到右依次編為L,、 L, 、 U U'、 ...L 、 L:;步驟4 制作信號傳輸轉接電路按照步驟3上柵欄腳的編號，讓原號和帶撇號的導線與電路板連接以H,和H,' —組， U和W形式連接；步驟5 制作信息處理系統(tǒng)回路將步驟4中所述的轉接電路與可編程控制器的1/0接口直接連接，以使轉接電路傳來 的信號經(jīng)過可編程控制器的處理以后，可利用觸摸屏進行顯示和輸出。
4、 根據(jù)權利要求3所述的一種構件表面失效的預警監(jiān)測的條件構建方法，其特征在 于制備驅動層的涂覆的工藝手段可為靜電噴涂、手工涂覆；驅動層材料由環(huán)氧樹脂或聚 酯樹脂、固化劑、顏料、填料和助劑組成；驅動層的厚度在20 200um之間。
5、 根據(jù)權利要求3所述的一種構件表面失效的預警監(jiān)測的條件構建方法，其特征在 于制備網(wǎng)絡電橋層的金屬薄片的厚度為20 50nm;扎壓成的柵狀金屬片的柵欄和柵格均 為1.0 2.0mm;用于連接兩金屬片的絕緣膠體為環(huán)氧樹脂或聚酯樹脂或酚醛樹脂，膠體厚 度在保證絕緣的情況下不超過50 u m。
6、 根據(jù)權利要求1和3所述的一種構件表面失效的預警監(jiān)測和條件構建方法而設計 的裝置，包括信號采集傳感器和信息處理系統(tǒng)；其特征在于所述的信號采集傳感器由驅 動層、網(wǎng)絡電橋層、保護層構成；驅動層作為一種粘性涂層與被測構件相粘合，網(wǎng)絡電橋 層與驅動層相粘合，保護層涂敷在網(wǎng)絡電橋層上；信號采集傳感器通過柵狀金屬片連接的 導線，即行腳H,、 H/…H、 Hn'，列腳L,、 L/…L。、 U'與信息處理系統(tǒng)的轉接電路板連接； 信息處理系統(tǒng)由轉接電路、可編程控制器、監(jiān)測結果輸出裝置構成；轉接電路板的接口電 路與可編程控制器的I/O接口直接連接；可編程控制器與監(jiān)測輸出裝置通過RS485適配器 連接，數(shù)字信號經(jīng)過可編程控制器處理后以文字和圖象的形式顯示和輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于構件表面的破壞型形變和斷裂型裂紋的預警監(jiān)測方法、條件構建方法及其裝置。特征是預警監(jiān)測方法包括失效信號采集和信號處理；條件構建方法包括驅動層的制備、網(wǎng)絡電橋層的制備、信號采集傳感器的制備、信號傳輸轉接電路的制作，信息處理系統(tǒng)回路的制作；根據(jù)上述方法研制的裝置包括驅動層、網(wǎng)絡電橋層、保護層；信號采集傳感器通過柵狀金屬片連接的導線，與信息處理系統(tǒng)的轉接電路板連接；信息處理系統(tǒng)的轉接電路與可編程控制器的I/O連接；可編程控制器與監(jiān)測輸出裝置通過適配器連接。其優(yōu)點在于能實現(xiàn)構件表面關鍵部位的實時狀態(tài)監(jiān)測，方法簡單，原料廉價，定位準確，有利于操作人員迅速判斷，避免重大事故的發(fā)生。
文檔編號G01N27/20GK101320008SQ20081015021
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月1日 優(yōu)先權日2008年7月1日
發(fā)明者侯根良, 劉小勇, 武俐明, 松 畢, 蘇勛家 申請人:中國人民解放軍第二炮兵工程學院