结构健康监测在无损检测评估中的应用

结构健康监测在无损检测评估中的应用目录应用案例系统介绍总结12433原理介绍5问题讨论原理介绍感知器官信息处理信息处理

传感器系统处理原理介绍斯坦福大学宇航学院技术；Acellent公司开发和生产用于实时结构健康监测的传感器网络、硬件和智能诊断软件（SMART®系列产品）；结构健康监测（StructuralHealthMonitoring，简称SHM），利用现场的无损传感技术,通过信号分析,达到检测结构损伤的目的；该技术的核心是一个连续监测结构的传感器系统；目的是提供结构损坏或退化的早期预警。原理介绍原理介绍-主动模式接收传感器激励传感器•

传感器主动激励•

周围的传感器接收瞬态应力波主动式系统可以用于监测缺陷在金属和非金属工件中关键结构区域的损坏。可以自动控制传感器产生一个超声信号并由相邻传感器接收，可以判断缺陷的位置和尺寸。该系统可以很方便地用于任意类型、形状、尺寸的结构，传感器网络可以很轻松地安装在难以接近的区域。诊断成像工具可以帮助发现和跟踪缺陷扩展过程。典型应用包括：-裂纹出现和生长

-未粘和分层-撞击缺陷

-

腐蚀-

环境诱发的缺陷与声发射的区别原理上很像声发射，但与声发射有区别：(1)

因为声发射特性对材料甚为敏感，又易受到机电噪声的干扰。SHM是主动式激励，并特殊设计，信噪比上要优于声发射；(2)声发射检测一般需要适当的加载程序。多数情况下，可利用现成的加载条件，但有时，还需要特作准备；SHM不需要加载条件；(3)声发射检测目前只能给出声发射源的大概部位，SHM可以准确定位和定量，并进行成像。原理介绍-主动模式传感器缺陷缺陷134

2激励接收信号散射信号传感器成像9软件原理介绍-主动模式原理介绍-被动模式•

撞击激活系统并产生应力波•

传感器接收应力波接收传感器使用Acellent被动诊断硬件和软件以及SMART

Layer®传感器网络可以持续性监控大面积结构件，并实时识别外来的撞击事件，对外来情况严重的撞击事件进行监测并警告。系统提供如下信息：撞击事件发生；撞击的位置；撞击能量量级；撞击的严重程度评估；11COM口与RS232连接以太网线RJ45被监测结构撞击软件传感器连接线IMGenie设备USB接口WiFi802.11gWiFi802.11g前面板后面板开关原理介绍-被动模式原理介绍-被动模式撞击监测系统传感器信号撞击信息检测&维护原理介绍减少检测成本

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实时结构检测

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最小人力成本提高安全性

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监测撞击

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发现裂纹和损坏减少停产时间

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监测难以接近的区域

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延长结构寿命

实时描述结构的状况和完整性改善生命周期管理和维护过程协助状态检修结构健康监测采集、处理和分析数据智能结构

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整合传感器网络

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信息处理结构健康监测系统硬件软件

SMARTLayer®传感器网络压电传感器•

施加电压引起压电材料振动•

相反，材料变形也会产生电压压电传感器Acellent专利产品SMARTLayer®（斯坦福多激励接收传感器）是一个很薄的内置有分布式压电激励接收传感器网络的介质膜；可根据结构型面进行定制，很好地和结构贴合；也可以植入结构内部。•柔性，质量轻；

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可用于任意复杂型面结构；•灵活安装，位置准确；

•信号一致性好；•可结合其他类型的传感器；

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在各种恶劣环境下耐用可靠；•

电磁干扰防护。压电传感器标准的SMARTLayers®有以下几种：SL001

SMART

Layer

：单压电传感器SL005

SMART

Layer带：五个压电传感器SL008

SMART

Layer带：八个压电传感器压电传感器也可以根据用户特殊的应用需求来定制SMARTLayers®传感器，可以为任意尺寸和形状，甚至是多传感器的三维壳体。也可以和其他类型的传感器结合使用，例如应变、湿度传感器、光纤视觉传感器等。多线类型的SMARTLayer传感器带屏蔽的SMARTLayer传感器3-DSMARTLayer传感器压电传感器传感器：PZT（锆钛酸铅）

，厚度=0.254mm；压电系数：–d31=175

10-12m/V,

-g31=12.4

10-3m2/C；最大电压输入：50~70VAC,VDC~2

温度范围：连续工作状态下：-65

F（-53

C）到+250

F（121

C），最高可到+400

F（+204

C）和-320

F（-195

C）；应变范围：-0.8%到+0.11%；失效寿命：在106次载荷试验（最大应变

<0.1%,，激励电压50V）后，无明显损坏。传感器测试酸雾测试：满足MIL-STD-810Fsection509.4湿度测试MIL-STD-810Fsection507.4 温度测试机械载荷测试……传感器测试机械载荷测试酸雾测试传感器测试内置到石墨环氧复合材料中进行测试SMARTLayer与复合材料的分界面设备ScanGenie

能够与SMART

Layer

®压电传感器完美结合：*

发射接收模式*

发射部分

可编程的任意脉冲波形发生器；

最高支持到700Khz；

最大激励电压：+80V；*

接收部分

带宽10khz到5MHz；

可编程的接收信号幅值校准功能；

采样率最高到48MS/s，12bit分辨率；

多达四通道温度传感器采集；

可编程的接收信号滤波功能；

*

传感器自我诊断功能；

*

标准64通道；

*

USB

2.0

数据接口SCS4300是Acellent生产的超快型系统，该系统可以以300MHz的转换率产生任意波形，单通道采样率最高可到400MHz，双通道采样率最高可到200MHz：*

12bit分辨率；12bit波形产生分辨率。

设备PSS6400具有64通道，可以同时连接64个压电传感器，该系统主要用于被动撞击检测。包括如下组件：*无线被动式设备；*与SMARTLayers®连接的连接器；*电脑；

*AIM软件；

*尺寸：8"x4.25"x8.5"软件ACESS软件：基本版软件提供一个简单工具来帮助用户设置传感器位置并在监测过程中采集数据。该软件可以产生多种波型，例如三个峰值、五个峰值或十个峰值的toneburst窄带频率波形以及随机的或者用户定义的波形。基本功能如下： *诊断成像模块可以实时呈现结构变化； *友好的用户界面； *

内置数据处理程序； *

简便的数据管理工具。26Afeature-richgraphicaluserinterface(GUI)forcreatinganddisplayingsensorlayoutsMenu-drivenwindowsforsignalgenerationanddataacquisitionBuilt-inutilitiesforsignalprocessinganddatavisualizationEasy-tousedatamanagementtoolsFeasibleforplug-inapplicationmodulesDiagnosticimagingmoduleforreal-timevisualizationofstructuralchangesAcomprehensiveacousticultrasoundactuationsoftware:highvoltagetransducerdriver,datacollectionandsignalprocessingapplicationsACESS软件介绍27Workspace:containsrootinformationoftheprojectfiles;includingsensorlayout,DAQsettings,PathDefinitions,andnotesforthisproject.SensorLayout:definesthesensornetworkgeometry,positions,andchannelnumbersettings.DAQ(dataacquisition):definesthehardwareworkingparameters,samplingfrequency,datacollectionpoints,dataaveragenumber.Definition(SignalPath):definesthesignalpaths,actuator&sensorIDnumbers,voltage,frequency,gainnumberforsensornetworkBaseline:definesasabasedatatobecomparedwithcurrenteventthatmayresultindetectionofdamagespots,andprobablysizesofdamage.术语定义28III.SensorSignalAnalysis&DamageDetectionDamageDetectionI.WorkspaceManagementII.SensorDiagnosisCreate/OpenWorkspaceEditSensorLayoutStructureSensorsEditDAQ&PathDefinitionsSaveWorkspaceBaselineManagementTakeNewDataCreate/updateBaselineSpaceTakeNewDataDamageDetectionAutopathDefinitionsSignalAnalysisToolsWaveSpeedFFTZoomACESS软件操作流程29ACESS软件30DAQandSignalPathDefinitionWorkspaceSensorLayoutDAQSettingPathDefinitionNo.ofPoints1secTotal31PZTSignalPathNetwork32DirectPathImageSimulationPatchCompositePanel33ActiveSystem:ACESS34ActiveSystem:Workspace35DAQSettingSetup36DAQPathDefinition(1)Select37DAQPathDefinition(2)38DAQPathDefinition(3)1234567891011121314151639DAQPathDefinition(4)40DAQPathDefinition(5)123Saveworkspace!!4541WorkspaceMgrTakeNewData42ActiveSystem:DirectPathImageSimulationPatchCompositePanel43SignalAnalysis44SignalAnalysis45ActiveSystem:ExportData软件SmartComposite软件：

可用于检测撞击包括大型复合材料结构中的损坏或粘接分层。具体包括： *自动化软件，只需要用户极少的输入工作量； *友好的传感器排列界面；

*自动对结构中缺陷位置进行成像并进行缺陷定量； *环境补偿功能； *传感器自动诊断功能，自动诊断并对老化的传感器进行补偿。软件AIM软件：Acellent的撞击监测软件能够连续实时监测系统：*外部撞击事件发生；*撞击时间；

*撞击位置；

*撞击能量。48MainFeaturesofAIMWindowsplatformtocommunicatewithAcellentIMGenieLinuxsystemGUIpanelstosetupIMGenieproperties,workspaces,sensorlayouts,ethernetconfigurationdataGUIforimpactdataacquisitionandanalysistoolsAutomatedvisualizationofimpactlocationsandforcemagnitudes49IMGenieSystemBootUpLaunchTeraTermPro(Win)&BootIMGenie(Linux)LoadImpactScannerLoadScannerDataServiceRunAIMDefineIPAddressRunStartupScripts50WorkspaceManagementAIMOperationFlowchartOpenWorkspaceEditSensorsorStructureHardwareConnectionDiagnosticsSetupDAQRunIMGenieControlPingHWforechomsgImpactMonitoringRunOnceRunContinuouslyImpactLocationandMagnitude51核心技术，多元化市场传感器网络诊断软件军用航天诊断硬件汽车航空民用基础设施应用案例-缺陷检测SMARTLayers®可以安装在粘接维修表面来监控裂纹生长，可以用于老龄飞机维修监测。压电传感器网络裂纹扩展开裂金属结构的维修监测应用案例-缺陷检测充水的钢管管子厚度从8.6mm减薄到7.8mm管子厚度从8.6mm减薄到5.8mm腐蚀监测可以用于监测管子结构中难以接近区域的腐蚀。应用案例-缺陷检测应用案例-缺陷检测热源温度补偿之前模拟损坏温度补偿之后SMARTLayers®带可以在纤维缠绕瓶生产过程中置入结构内，结构内的冲击缺陷可以通过用户定制的软件判断。该应用可以扩展到固体火箭发动机和液体燃料结构检测中。基体；SMARTLayer缠绕；螺旋缠绕；(d)准备加热；(e)在烤箱里加热固化；(f)完成植入。植入过程：应用案例-缺陷检测应用案例-缺陷检测缺陷检测结果应用案例-缺陷检测液氮出口夹具液氮进口振动平台响应加速计温度传感器控制加速计SMART传感器带液氮输送管道应用案例-缺陷检测80001000012000130001350013800脱粘监测该技术可以用于跟踪和定量复合材料和粘接连接中未粘接和分层缺陷扩展情况，可以用于各种类型的复合材料结构。循环次数传感器Sensors应用案例-缺陷检测金属结构中铆接搭接连接情况检测机翼外壳修补区域

裂纹

应用案例-缺陷检测粘接维修监测传感器带复合材料维修预设未粘接Spec#1Spec#2应用案例-缺陷检测粘接维修监测2500500075001000012500循环次数传感器带应用案例-缺陷检测粘接维修区域裂纹生长过程监测应用案例-缺陷检测8个节点56个节点

1125ft4200ft500ft246ft把金门大桥分成若干节点，每个节点布置若干传感器，整个大桥共布置大约1200个传感器。完成对整个大桥的结构健康监测。应用案例-应力实时监控可以测量多个方向的应力变量；可在加载过程中动态监控应力；对于高频率加载过程，要比普通的应力测量仪灵敏度高；容易安装和校准；还可以进行缺陷损伤检测（选项功能）应用案例-撞击检测由于外来压力所导致的大面积缺陷引起的灾难性事件。结构健康监测系统可以监测复合材料和金属结构外在加载条件例所带来的损害，可以用于各种有人或者无人机、复合材料火箭发动机、火箭、空间飞行器外部的热保护结构监测。复合材料机身复合材料火箭发动机复合材料板撞击信息存储传感器带信号线发动机复合材料壳体火箭发动机复合材料壳体撞击监测

主机和分析软件应用案例-撞击检测应用案例-撞击检