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1、压电光栅混和结构健康监测诊断系统模板压电、光栅混和结构健康监测诊断系统 Xinlin Qing, 1Amrita Kumar, 1Chang Zhang, 2Ignacio F. Gonzalez, 2Guangping Guo, 2Fu-Kuo Chang (1Acellent技术公司 Sunnyvale, CA 94089; 2航空航天系，斯坦福大学，斯坦福, CA 94305) 摘要：针对快速无损评估和航空飞行器长期结构健康监测，开发了一种压电、光栅混和结构健康监测诊断系统。混合诊断系统采用压电驱动器向结构输入控制信号，由光纤传感器捕获结构的响应。该系统由三个主要部分构成：由压电元件网络
2、与光栅网络构成的诊断层，用于将大型传感网络简单有效的集成到结构上；诊断硬件，由任意波形发生器、高速光栅调制单元以及高速采集卡构成，用来提供激励输入、数据采集与信号处理；诊断软件，用于测定结构的情况。本文主要介绍了有关压电、光栅混和结构健康监测诊断层以及高轻便诊断软件的开发。同时，介绍了该诊断系统的论证试验。 关键词：结构健康监测，无损检测，混合诊断系统，压电片，光栅，诊断层 1Hybrid Piezoelectric/Fiber Optic Diagnostic System for Structural Health Monitoring Xinlin Qing, Amrita Kumar,
3、 Chang Zhang Acellent Technologies, Inc. Sunnyvale, CA 94089 Ignacio F. Gonzalez, Guangping Guo, Fu-Kuo Chang Aeronautics and Astronautics Department Stanford University, Stanford, CA 94305 Abstract：A hybrid piezoelectric/fiber optic diagnostic system has been developed for quick nondestructive eval
4、uation and long-term health monitoring of aerospace vehicles and structures. The hybrid diagnostic system uses piezoelectric actuators to input a controlled excitation to the structure and fiber optic sensors to capture the corresponding structural response. The system consists of three major parts:
5、 a diagnostic layer with a network of piezoelectric elements and fiber gratings to offer a simple and efficient way to integrate a large network of transducers onto a structure; diagnostic hardware consisting of an arbitrary waveform generator and a high speed fiber grating demodulation unit togethe
6、r with a high speed data acquisition card to provide actuation input, data collection and information processing; and diagnostic software to determine the condition of the structure. This paper presents key development issues related to the manufacturing of the hybrid piezoelectric/fiber optic diagn
7、ostic layer and integration of a highly portable diagnostic hardware. Validation and proof testing of this integrated diagnostic system is also presented. Key word: Structural health monitoring, Non-Destructive Testing (NDT), Hybrid diagnostic system, Piezoelectric, Fiber grating, diagnostic layer.
8、41 引言 在线结构的健康监测集成极大的关系到制造以及人工维护，目的是通过较低的监测与维护费用显著提高安全性与可靠性1。由于只能对可接触到的区域进行检测，因此目前所使用的无损检测技术存在着局限性，同时，在使用时需要大量的人力，从而导致了生命周期成本的增加。利用结构集成分布式传感器、精确的信号分析与实时数据处理可以大大减少检测的费用。SMART Layer技术基于嵌入式压电驱动器与传感器网络，是一种具有很高可行性与成，效的结构监测与在线结构损伤检测方法56。另外，光纤布拉格光栅传感系统已经在结构健康监测领域得到了许多应用79，在许多应用领域光纤传感器提供新的有效测试方法的潜力正逐渐显现出来。此外
9、，文献10-11介绍了有关采用压电驱动器与光纤传感器进行全阻抗结构健康监测与振动控制的研究工作。本文介绍了基于智能夹层技术的压电光纤混合航天飞行器结构健康监测系统。该混合系统可以用来实现快速无损评估和航空飞行器长期结构健康监测，如图1。该健康监测系统结合了集成在结构中的传感网络、信号处理仪器和数据分析软件，用来实时在线监测、及早发现和长期跟踪结构损伤12。通过该系统，结构健康监测这一概念将成为结构工程中可行的商业选择，并使新一代更稳定更低维护成本的安全结构成为可能。这一结构诊断系统可以进行定量评估，并且可以对在敌方环境中航空结构发生的事件进行判断。以下是该混合系统潜在使用领域的详细介绍： 在线
10、材料特性评估 材料与结构瑕疵检测 损伤检测，包括分层和腐蚀 载荷环境评估 该混合系统的一个主要的优点是它提供了最佳的驱动器与传感器之间的去耦，因为传感器采用了不同的信号传输机理：压电驱动器采用电信号而光纤传感器采用光学信号。由于他们采用了两种不同的信号传输机理，实际上它们之间没有干扰。采用压电和光纤传感器的另一个优点是可以用于多种测量。光纤传感器可以用来温度传感，压电传感器可以用来氢传感，同时使用两者可以用来监测声发射。考虑到这些潜在的应用，混合压电光纤监测系统的思想是非常诱人的。 2 系统原理 压电、光栅混和结构健康监测诊断系统 中央处理单元 压电驱动器 光纤传感器 图1 混合压电光纤航空飞
11、行器结构健康监测系统示意图 开关板 驱动 放大器 波形 发生器 调制 单元 数据 采集 处理器 图2 混合诊断层与信号处理设备的结构 光纤光栅阵列 ASE光源 参考源 信号 滤光器 图3 光栅阵列调制单元的光学构成 压电、光纤混合诊断系统采用压电驱动器向结构输入控制信号，由光纤传感器捕获结构的响应。图2是该系统的流程图。 诊断层与智能夹层类似13，是布置在一层柔性绝缘材料上的由压电元件与光纤传感器组成的网络，它为将大型传感网络集成到结构上提供了一个简单有效的方法，可将夹层植入结构内部或粘于结构表面。一旦安装成功，该结构集成传感网络就可在结构使用寿命内收集健康监测数据。 诊断硬件由任意波形发生器
12、、高速光栅调制单元、高速数据采集卡和Intel-P4处理器构成，用来提供激励输入、数据采集与信号处理。针对结构诊断，波形发生器用来产生一个特定的波形输入至压电元件，输出频率达到10MHz5。光栅调制单元基于标准滤光器，如图3所示，通过一组频率为2MHz的多波长光纤布拉格光栅捕获结构产生响应。集成ASE光源向一组光栅进行输入，它们的反射光分别得到过滤。从一个光栅到另一个光栅之间，滤光器使用04V信号进行调制。滤光器设置后会固定在一个常数，来自传感器的光信号会进行光谱过滤并转换成一个电压信号。当光纤传感器的应变增大，反射光波长会有一个向上的增量，更多的光将会通过滤光器，引起电压输出增大。一个独立的
13、无反射光滤光器的部分直接转换电压信号，用来向系统提供参考源。该系统滤光器的频谱为1.0nm宽，允许的应变范围为微应变。当滤光器对光栅阵列进行扫频时，最陡的斜坡提供了最高的灵敏度。 内置的高速压电、光纤混合主动式诊断系统的职能包括：首先，便携式诊断系统插接至混合诊断层，该诊断层集成到被监测的结构中；系统中的函数发生器板向结构上的压电驱动器发送诊断信号，压电驱动器转而激励结构；压电驱动器产生的应力波在结构中传播，并到达光栅传感器；传感器接收到包含了结构信息的应力波，然后诊断软件对该信号进行处理来判断结构的情况；最后结与压电片连接 胶 绝缘层 胶 铜箔 胶 绝缘层 盖层 PZT 入口 电路层 切面图
14、 电路图 带绝缘层的电路层 光纤传感器 光纤传感器 光纤 基层 开口 压电片 入口 切面图 胶 绝缘层 胶 光纤传感器粘附于结合层 压电片 开口 光纤传感器 基层 盖层 电路层 切面图 带有集成PZTs与光纤传感器的诊断层 图4 混合诊断层的示意图 构的情况存储在便携式诊断系统中，与先前健康状态的结构进行对比，从而完成对结构的长期监测。 3 压电、光纤传感器混合诊断层 研究了在同一层柔性绝缘层上使用压电驱动传感器、光纤传感器的可行性。设计了一种将光纤传感器整合到智能夹层中的方法。 以下是制作压电、光纤混合诊断层的程序： 如图4，首先涉及蚀刻一电路层，然后将一绝缘层与电路层层压在一起； 光纤传感
15、器采用机械工具放置在一层很薄的基层上，基层用来固定传感器，过程中需要加热加压，在达到层压温度后几分钟他们就固定在一起了，冷却后光纤就和粘结层集成在一起了，机械工具就可以移开了。基层光纤传感器位置上开口，而PZTs所在位置上打上通孔，如图4； 光纤传感器基层放置在带有覆盖层的电路层上，基层要进行定位，以保证PZT通孔与下方的PZT电路接触位置对齐。加温加压使二者层合在一起； PZT传感器通过覆盖层的通孔与电路层的接触部分相连，在PZT四周使用环氧胶至函数 发生器 光纤传感器 至光学 调制单元 图5 集成PZTs与光纤传感器的混合诊断层的原型样片 FBG PZT 铝板 图6 实验设备 图7 带窗的
16、五周期正弦激发输入信号 FBG PZT 粘贴片 图8 粘贴片用来模拟损伤 进行固定和机械保护。 图5是厚为0.15mm的混合诊断层的样片。通过使用混合诊断层，一个由压电陶瓷与光纤传感器组成的网络简单的安装在金属/复合材料的表面或复合结构的内部。 对于某些应用情况，光纤传感器并不需要植入诊断层，因此用来搭载光纤传感器的粘合层就可以用作电路层的覆盖层，这样带有光纤传感器的光纤就附在诊断层的表面，因此也就不需要为光纤传感器在基层上开口了。 4.1 实验设备 表1 实验中PZT的物理特性 压电常数-d31 17510-12m/V 压电常数-g31 12.410-3m2/C 频率常数 1980 HZ-m
17、 相对绝缘常数 1750 杨氏模量 Y11 6.31010N/m2 4 初步实验 集成压电、光纤传感器混合系统的研究用来评估前后使用压电陶瓷与光纤传感器的可行性。 典型实验是在铝平板上进行的。如图6所示，两个PZT与单个FBG传感器安装在薄铝板上表面。PZT驱动器厚0.25mm，直径6.35mm。PZT的物理特性见表1。光栅刻写为1550nm，PZT与FBG传感器之间的距离为10cm。 4.2 实验流程 实验中，带有任意波形发生器、高速光栅调制单元、高速数据采集卡和Intel-P4处理器的高输出便携式设备，用来提供激励输入、数据采集与信号处理。如图7所示，由于较好的传播特性和对结构裂纹的敏感性
18、，一个带窗的五周期正弦激发信号用来驱动PZT驱动器，5波峰信号的最大幅值是10V，信号的频率为400KHz。压电驱动器产生的应力波在结构中传播到达光纤布拉格光栅传感器。FBG传感器接收到的应力波信号包含了结构的信息。 由于传感器信号包含了结构的信息，通过对比损伤前传感器的信号检测到结构中的损伤。为了达到说明目的，一个40mm8mm的粘贴片用来模拟损伤，放置在PZT与光纤光栅传感器之间的区域，如图8。采用同样的激励输入，记录了铝板被粘贴之前和之后的传感器信号。 4.3 实验结果与讨论 图9显示了损伤前FBG传感器测得的输出，而图9显示了PZT与FBG传感器之间区域内有粘贴片之后FBG传感器输出。
19、当传播中的应力波遇到了几何上的或结构物理特性上的不连续点，波会发生反射或散射。从图10中可以清楚的看到，通过损伤位置附近的驱动传感路径的传感器信号发生了改变。 与文献14中的损伤检测方法类似，在混合诊断系统中，使用的方法是基于当前光纤传感器的响应与已记录的先前无损伤结构的基线传感器响应的对比，两列信号的差包含了任何存在的损伤或其他异常信息。对传感信号进行处理并进一步提取关键特征，这些特征随同基准信号一起用来诊断结构的健康情况。 很明显光纤传感器在与压电元件合用时，其响应能够很清楚的得到，且可以进一步检测出结构的变化。前文说明测试中光纤系统的响应频率达到了2MHz。光栅传感器能够有效的提取频率在
20、50KHz800KHz范围之间的应力波，而这一频段是智能夹层技术在损伤检测中通常使用的14。然而，对于高速光栅调制单元，最大的结果仅仅在微应变级别。因此，当PZT驱动器与光栅传感器不能放置的足够近的情况下，可能需要更厚的PZT驱动器以及更高的输入电压，以得到光栅传感器清晰的响应。 5 结论 研究了一种高速压电、光纤混合诊断系统在航空飞行器与结构快速损伤评估和长期健康检测中的应用。该混合诊断系统使用压电驱动器输入控制信号激励结构，光纤传感器捕获结构相应的响应。并通过实验论证了该混合诊断系统预期的用法。根据研究情况，可以得到以下结论： 1）. 通过使用多传感机理，混合诊断系统提供了无窜扰的信号，而
21、且可以应用于多种测量； 图9 光纤传感器响应损伤前，损伤后 损伤前信号 损伤后信号 图10 模拟损伤前后光纤传感器响应的对比 2）. 光纤传感器可以成功的与压电元件集成到同一柔性绝缘层。混合诊断层提供了一种简单有效的方法，将大型传感网络集成到结构上的，可以将夹层植入结构内部或粘贴于表面； 3）. 可以得到与压电元件关联的光栅传感器高速响应，并使用混合诊断系统检测结构的变化。另一方面，分析软件至关重要，需要进一步研究； 4）. 混合诊断系统有着广阔的应用前景与挑战，包括光栅调制单元中滤光器的解决方案。 参考文献 1 W.J. Staszewski, Geoffrey Tomlinson C. B
22、oller, Health Monitoring of Aerospace Structures: Smart Sensor Technologies and Signal Processing, John Wiley and Sons Ltd, December 2003. 2 L. Melvin, et al., Integrated Vehicle Health Monitoring (IVHM) for Aerospace Vehicles, Proc. of the 1st International Workshop on Structural Health Monitoring,
23、 Edited by F.-K. Chang, Stanford University, 1997, pp. 705-914. 3 F.-K. Chang, Ultra Reliable and Super Safe Structure for the New Century, Proc. of the 1st European Workshop on Structural Health Monitoring, Edited by Daniel L. Balageas, 2002, pp. 312. 4 B. Beral and H. Speckmann, Structural Health
24、Monitoring (SHM) for Aircraft Structures: A Challenge for System Developers and Aircraft Manufactures, Proc. of the 4th International Workshop on Structural Health Monitoring, Edited by F.-K. Chang, Stanford University, 2003, pp. 12-29. 5 M. Lin, X. Qing, A. Kumar, and S. Beard, 6 致谢 非常感谢NASA对Acelle
25、nt的财政支持以及国家自然科学基金对斯坦福大学相关研究的资助。NASA-马歇尔空间战斗中心的W.T. Powers先生是工程经理。同时感谢Acellent技术的Mark Lin博士和Shawn Beard博士，以及Blue Road Research的Sean Calvert先生在技术讨论上的帮助。 SMART Layer and SMART Suitcase for Structural Health Monitoring Applications, Proceedings of SPIE on Smart Structures and Material Systems, March 200
26、1 6 M. Lin, A. Kumar, X. Qing, S. J. Beard, S. S. Russell and J. L. Walker, Monitoring the integrity of filament wound structures using built-in sensor networks, Proceedings of SPIE on Smart Structures and Material Systems, March 2003 7 Perez, M. Ignacio, Cui, Hong-Liang, Udd, Eric, Acoustic emissio
27、n detection using fiber Bragg gratings, Proc. SPIE Vol. 4328, p. 209-215, Smart Structures and Materials 2001. 8 J. Dakin, et al., Distributed Optical Fibre Raman Temperature Sensing Using a Semiconductor Light Source and Detector, Electronic letters, Vol.21, 1985. 9 M. Froggatt, Distributed Measure
28、ment of the Complex Modulation of a Photoinduced Bragg Grating in an Optical Fiber, Applied Optics, 35, 1996. 10 D. J. Inman, M. Ahmadian and R. O. Claus, Simultaneous active damping and health monitoring 王 强 译 苗 苗 校 of aircraft panels, Journal if Intelligent Material Systems and Structures, Vol.12,
29、 No.11, 2001. 11 D. J. Inman and T. Hegewald, Simultaneous health monitoring and control of panels, Proc. of 11th International Conference on Adaptive Structures and Technologies, Nagoya, Japan, 2000. 12 M. Lin, W. T. Powers, X. Qing, A. Kumar, S. J. Beard, Hybrid Piezoelectric/Fiber Optic SMART Lay
30、ers for Structural Health Monitoring, Proceeding of First European Workshop on Structural Health Monitoring, July 2002. 13 M. Lin and F.-K. Chang, The manufacturing of composite structures with a built-in network of piezoceramics, Composite Science and Technology, 62, 2002, pp. 919-939. 14 Shawn Beard, Peter X. Qing, Michael Hamilton, David Zhang, Multifunctional Software Suite for Structural Health Monitoring Using SMART Technology, 2nd European Workshop on Structural Health Monitoring, Munich, Germany, July, 2004.
