專利名稱：一種高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)微裂紋監(jiān)測領(lǐng)域，特別是涉及一種高靈敏度的復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料在許多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并有代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料的明顯趨勢。安全性是復(fù)合 材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用中所注重的首要問題。但是，在材料結(jié)構(gòu)的使用過程中，因受到溫度、沖擊、電 磁等因素的影響，易出現(xiàn)微裂紋、應(yīng)變過大或溫度過高等一系列安全隱患，這些可能會帶來 災(zāi)難性后果。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)可以彌補(bǔ)目前基于視覺檢查和后續(xù)測試監(jiān)測系 統(tǒng)的不足，其一旦部署成功，在理論上可時刻維護(hù)結(jié)構(gòu)安全。其中，微裂紋、應(yīng)變和溫度是復(fù) 合材料結(jié)構(gòu)的重要健康狀態(tài)參量。國內(nèi)外研究人員已提出了多種相關(guān)的傳感技術(shù)用于測量復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康狀 態(tài)參量。如基于材料構(gòu)件中預(yù)置功能元件的智能夾層傳感技術(shù)、基于多個楔形壓電傳感陣 元的CLoVER傳感技術(shù)、時間反轉(zhuǎn)聚集成像技術(shù)、智能無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)、電阻應(yīng)變片傳感 技術(shù)及光纖傳感技術(shù)等。例如，埋入聚合物復(fù)合材料的光纖布喇格光柵可測量復(fù)合材料結(jié) 構(gòu)的應(yīng)變分布及其疲勞損壞規(guī)律和裂紋位置等。但在國內(nèi)外報道的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 技術(shù)中，能夠?qū)?fù)合材料結(jié)構(gòu)中微裂紋的擴(kuò)展過程監(jiān)測的技術(shù)不多。本申請?zhí)岢隽艘环N基 于中空纖維管壓強(qiáng)測量的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)微裂紋監(jiān)測系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)， 補(bǔ)足現(xiàn)有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)微裂紋探測系統(tǒng)難以實現(xiàn)實時、動態(tài)監(jiān)測的不足之處，特別是能夠 監(jiān)測微裂紋的萌芽階段和擴(kuò)展過程。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu) 健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括氣體濃度傳感器、真空泵、計算機(jī)和兩根中空纖維管，所述的兩根中空 纖維管交替平行，并間隔排列，其中，一根中空纖維管與所述的真空泵連接，其內(nèi)部被所述 的真空泵抽成真空，作為真空纖維管；另一根中空纖維管內(nèi)通入特殊氣體，維持一定的氣壓 值，作為特殊氣體纖維管；所述的氣體濃度傳感器與所述的真空纖維管相連，用于檢測所述 的真空纖維管的氣體濃度；所述的計算機(jī)中設(shè)有數(shù)據(jù)采集卡，用于采集所述的氣體濃度傳 感器檢測到的數(shù)據(jù)；所述的真空纖維管和特殊氣體纖維管埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣品中實現(xiàn)內(nèi) 部埋入式測量，或植入聚合物薄片中形成含有中空纖維管的敏感片，所述的敏感片貼于復(fù) 合材料結(jié)構(gòu)樣品上實現(xiàn)表面粘結(jié)式測量。所述的高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的真空纖維管和特殊氣體纖維管 均由環(huán)氧樹脂制成，直接埋入固化前的聚合物薄片中形成敏感片。所述的真空纖維管和特殊氣體纖維管為利用光刻技術(shù)在聚合物薄片一側(cè)平面上 刻出的細(xì)槽，并把包含細(xì)槽的一面貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣品形成敏感片。
所述的高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的敏感片貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣品 上受力集中的位置，如鉚釘附近。所述的高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡為24位單端IOV輸 入的高分辨率和高速采集卡，其隨機(jī)噪聲、偏移誤差和增益誤差均小于800 μ V。
所述的高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的計算機(jī)中還設(shè)有分析和顯示軟 件，用于對所述的數(shù)據(jù)采集卡的采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和實時顯示。所述的高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中通入的特殊氣體為一氧化碳。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效 果本發(fā)明只要將含有兩根中空纖維管的敏感片粘貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的待測位置即可對復(fù) 合材料微裂縫實現(xiàn)無損測量，避免了測量系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)的影響，在進(jìn)行監(jiān)測時，只需要根據(jù)氣 體濃度傳感器測得真空纖維管內(nèi)氣體濃度值就可以推算復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的微裂紋大??；根據(jù) 氣體濃度傳感器測得真空纖維管內(nèi)氣體濃度的變化速度就可推算復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的微裂紋 的擴(kuò)展速度，監(jiān)測簡單方便。本發(fā)明只需在復(fù)合材料固化前將中空纖維管直接埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，就可 實現(xiàn)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部微裂紋的監(jiān)測。本發(fā)明既可以對復(fù)合材料實行表面粘結(jié)式的測 量，又可以對復(fù)合材料實現(xiàn)內(nèi)部埋入式的測量，實現(xiàn)方式相當(dāng)靈活多樣。本發(fā)明的中空纖維管及敏感片易于制備，且高靈敏度的氣體濃度傳感器市場成 熟，性價比高，整個測量系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)中其他元器件的工藝水平都已經(jīng)非常成熟，制 作方便可行，適于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測，可以廣泛用于各種領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；圖3是本發(fā)明中敏感片安裝位置示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。本發(fā)明的實施方式涉及一種高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1和圖 2所示，包括氣體濃度傳感器3、真空泵2、計算機(jī)5和兩根中空纖維管，所述的兩根中空纖 維管交替平行，并間隔排列，其中，一根中空纖維管與所述的真空泵2連接，其內(nèi)部被所述 的真空泵2抽成真空，作為真空纖維管7 ；另一根中空纖維管沖入特殊氣體(例如一氧化 碳)，維持一定的氣壓值，作為特殊氣體纖維管6 ；所述的氣體濃度傳感器3與所述的真空纖 維管7相連，用于檢測所述的真空纖維管7內(nèi)的氣體濃度；所述的計算機(jī)5中設(shè)有數(shù)據(jù)采集 卡4，用于采集所述的氣體濃度傳感器3檢測到的數(shù)據(jù)。當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣品1沒有微裂 紋8時，特殊氣體纖維管6內(nèi)維持一定的氣壓值，真空纖維管7內(nèi)維持真空狀態(tài)，故兩者壓差保持不變。當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣品1有微裂紋8時，微裂紋8使得特殊氣體纖維管6和真 空纖維管7的中間形成一個通路，導(dǎo)致氣體在壓差驅(qū)動下流動，使得真空纖維管7被沖入一 些特殊氣體，從而使得真空纖維管7內(nèi)的氣體濃度產(chǎn)生變化，利用氣體濃度傳感器3的敏感 頭監(jiān)測到變化情況，由此可探測微裂紋8的情況，即可通過監(jiān)測真空纖維管7內(nèi)特殊氣體濃 度的大小可推算出微裂紋8的大小。當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣品1上的微裂紋8開始萌生時，會 有極少量的特殊氣體分子從特殊氣體纖維管6進(jìn)入真空纖維管7內(nèi)，利用氣體濃度傳感器 3的敏感頭探測到真空纖維管7內(nèi)的氣體濃度有微小變化，可知微裂紋8正處于萌芽過程。 此時只需通過改變復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境、使用條件和載荷狀態(tài)而控制或減小裂紋的進(jìn) 一步擴(kuò)展，從而使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)易于修復(fù)。當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣品1的微裂紋8擴(kuò)展時，使 得真空纖維管7內(nèi)的特殊氣體濃度隨時間而改變，因此可根據(jù)真空纖維管7內(nèi)特殊氣體濃 度的改變速度，推算出微裂紋8的擴(kuò)展速度，通過監(jiān)測真空纖維管7內(nèi)特殊氣體濃度變化的 過程，達(dá)到監(jiān)測微裂紋8的擴(kuò)展過程的目的。
真空纖維管7內(nèi)特殊氣體濃度隨時間和微裂紋8尺寸的關(guān)系可按以下模型進(jìn)行估 算。設(shè)微裂紋8的尺寸(即橫截面面積)為s，真空纖維管7的橫截面積和長度分別為A和 1，特殊氣體纖維管6中特殊氣體到真空纖維管7的流速為v，該流速隨時間改變，特殊氣體 的密度和分子量分別為P和M。在忽略氣體的黏性力和切向力時，并且溫度為T時，則真空 纖維管7的絕對真空度為P(隨微裂紋擴(kuò)展時間t而改變)與微裂紋8尺寸的關(guān)系可由式
(1)進(jìn)行估算 其中，
其中，d是與真空纖維管7初始真空度有關(guān)的常量，需進(jìn)行初始測量和標(biāo)定。氣體 濃度傳感器測得的氣體濃度的測量值y與氣體壓強(qiáng)之間的關(guān)系可由式(3)進(jìn)行估算
PAl273 1λ6, 、
「00251 V =--χ-Γχ10 (ppm),、
L 0」，(237+ Γ) 1.01 χIO5 Fy ‘(3)由此可見，只需結(jié)合式(1)和式(2)便可得到真空纖維管7內(nèi)氣體濃度測量值和 微裂紋8尺寸的關(guān)系，以此推算出微裂紋8的擴(kuò)展速度。本發(fā)明中真空纖維管7和特殊氣體纖維管6可以在復(fù)合材料固化前直接埋入復(fù)合 材料結(jié)構(gòu)樣品1中實現(xiàn)內(nèi)部埋入式測量，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的微裂紋8進(jìn)行監(jiān)測。真空 纖維管7和特殊氣體纖維管6還可以植入聚合物薄片中形成敏感片9，并將敏感片9貼于復(fù) 合材料結(jié)構(gòu)樣品1上受力集中的位置(如圖3所示的鉚釘10附近)實現(xiàn)表面粘結(jié)式測量， 從而對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面的微裂紋8進(jìn)行監(jiān)測，實現(xiàn)方式相當(dāng)靈活。本發(fā)明中含有中空纖維管的敏感片9可采用以下兩種方法進(jìn)行制備。方法一以 玻璃毛細(xì)管或聚四氟乙烯等塑料細(xì)管為外模具，注入液體環(huán)氧樹脂后，在外模具的軸心穿 入一根以負(fù)熱膨脹系數(shù)材料做成的纖維作為內(nèi)模具，然后進(jìn)行升溫固化，在升溫時，作為內(nèi) 模具的纖維將收縮。將固化后的環(huán)氧樹脂細(xì)棒從外摸具中抽出，并抽出細(xì)棒中作為內(nèi)模具 的纖維，如此可制備出環(huán)氧樹脂中空纖維管。在制備過程中，只要改變作為外模具的細(xì)管內(nèi)徑和作為內(nèi)模具的纖維直徑就可以改變中空纖維管的外直徑和其中空芯的直徑。含有中空纖維管的敏感片9可采用以下兩種方法進(jìn)行制備，將中空纖維管埋入固化前的聚合物薄片 中，待聚合物薄片固化后將其貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣品1上受力集中的位置，即可形成含有 中空纖維管的用于微裂紋探測的敏感片9。方法二 利用光刻技術(shù)在聚合物薄片的一側(cè)平 面上刻出細(xì)槽，把聚合物薄片刻有細(xì)槽的一面貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣品1的關(guān)鍵部位，細(xì)槽 便形成了中空纖維管，即形成可用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)微裂紋探測的含有中空纖維管的敏感片 9。本發(fā)明中所使用的氣體濃度傳感器3具有快速響應(yīng)特性、較高的測量靈敏度，并含有數(shù) 據(jù)輸出接口，可將測量到的數(shù)據(jù)輸送給數(shù)據(jù)采集卡4。數(shù)據(jù)采集卡4可采用24位單端IOV 輸入的高分辨率和高速采集卡，其隨機(jī)噪聲、偏移誤差和增益誤差均小于800 μ V。本發(fā)明 的中空纖維管(即真空纖維管7和特殊氣體纖維管6)和敏感片9易于制備，且高靈敏度的 氣體濃度傳感器3市場成熟，性價比高，整個監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)中其他元器件的工藝 水平都已經(jīng)非常成熟，制作方便可行，適于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測，可以廣泛用于飛 機(jī)、列車、輕軌、輪船、橋梁、核設(shè)備、大型機(jī)械、燃油管灌、化工設(shè)備、危險品容器等復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。在本發(fā)明的計算機(jī)5中還設(shè)有分析和顯示軟件，能夠?qū)?shù)據(jù)采集卡4的采集到的 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和實時顯示，以實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)微裂紋的實時顯示，從而對復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)微裂紋實現(xiàn)實時、動態(tài)的監(jiān)測。不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明只要將含有兩根中空纖維管的敏感片粘貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的待 測位置即可對復(fù)合材料微裂縫實現(xiàn)無損測量，避免了測量系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)的影響，在進(jìn)行監(jiān)測 時，只需要根據(jù)氣體濃度傳感器測得真空纖維管內(nèi)氣體濃度值就可以推算復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的 微裂紋大??；根據(jù)氣體濃度傳感器測得真空纖維管內(nèi)氣體濃度的變化速度就可推算復(fù)合材 料結(jié)構(gòu)的微裂紋的擴(kuò)展速度，監(jiān)測簡單方便。
權(quán)利要求
一種高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括氣體濃度傳感器(3)、真空泵(2)、計算機(jī)(5)和兩根中空纖維管，其特征在于，所述的兩根中空纖維管交替平行，并間隔排列，其中，一根中空纖維管與所述的真空泵(2)連接，其內(nèi)部被所述的真空泵(2)抽成真空，作為真空纖維管(7)；另一根中空纖維管內(nèi)通入特殊氣體，維持一定的氣壓值，作為特殊氣體纖維管(6)；所述的氣體濃度傳感器(3)與所述的真空纖維管(7)相連，用于檢測所述的真空纖維管(7)的氣體濃度；所述的計算機(jī)(5)中設(shè)有數(shù)據(jù)采集卡(4)，用于采集所述的氣體濃度傳感器(3)檢測到的數(shù)據(jù)；所述的真空纖維管(7)和特殊氣體纖維管(6)埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣品(1)中實現(xiàn)內(nèi)部埋入式測量，或植入聚合物薄片中形成含有中空纖維管的敏感片(9)，所述的敏感片(9)貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣品(1)上實現(xiàn)表面粘結(jié)式測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述 的真空纖維管(7)和特殊氣體纖維管(6)均由環(huán)氧樹脂制成，直接埋入固化前的聚合物薄 片中形成敏感片(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述 的真空纖維管(7)和特殊氣體纖維管(6)為利用光刻技術(shù)在聚合物薄片一側(cè)平面上刻出的 細(xì)槽，并把包含細(xì)槽的一面貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣品(1)形成敏感片(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述 的敏感片(9)貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣品(1)上受力集中的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述 的數(shù)據(jù)采集卡(4)為24位單端IOV輸入的高分辨率和高速采集卡，其隨機(jī)噪聲、偏移誤差 和增益誤差均小于800 μ V。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述 的計算機(jī)(5)中還設(shè)有分析和顯示軟件，用于對所述的數(shù)據(jù)采集卡(4)的采集到的數(shù)據(jù)進(jìn) 行分析、處理和實時顯示。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述 的特殊氣體為一氧化碳。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高靈敏度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括真空泵、氣體濃度傳感器、計算機(jī)和交替平行且間隔排列的兩根中空纖維管。其中，一根中空纖維管沖入特殊氣體，另一根中空纖維管被真空泵抽成真空。沒有裂紋時，特殊氣體纖維管維持一定的氣壓值，真空纖維管維持真空，兩者壓差保持不變。出現(xiàn)微裂紋時，裂紋使得兩者形成一個通路，導(dǎo)致特殊氣體在壓差驅(qū)動下流動，使真空纖維管內(nèi)的氣體濃度發(fā)生變化。通過氣體濃度傳感器測得真空纖維管內(nèi)的氣體濃度變化的大小，再由計算機(jī)推算出微裂紋的大小，本發(fā)明還可通過監(jiān)測真空纖維管的氣體濃度變化過程來監(jiān)測微裂紋的萌生和擴(kuò)展過程。本發(fā)明具有實時、簡捷、實用及可靠性高的優(yōu)點。
文檔編號G01B13/00GK101865906SQ20101019135
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者余木火, 李爽, 詹亞歌, 謝丹 申請人:東華大學(xué)