[发明专利]基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器及其制备、监测方法

说明书

本发明公开了一种基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器及其制备、监测方法，该裂纹监测传感器是通过等离子体喷涂法将绝缘基底层、损伤传感元和封装保护层一体化集成在任意形状的目标监测结构表面的功能梯度镶嵌式膜结构，其形状与裂纹监测部位的形状相匹配。损伤传感元是多环传感元结构，其各环中心重叠、相邻两环的间距相等，每环均设有输出电压引线。等离子体喷涂的裂纹监测传感器喷涂在目标监测结构的裂纹面，通过损伤传感元的输出电压引线在裂纹面两端外接恒定电源，然后测量目标监测结构的裂纹面两端的电位差，通过目标监测结构的裂纹长度和该电位差之间的函数关系，确定目标监测结构的裂纹长度，实现了任意形状危险部位的裂纹监测。

技术领域

本发明属于裂纹监测传感器制备技术领域，特别是涉及一种基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器及其制备方法、裂纹监测方法。

背景技术

结构在变动的应力(应变)作用下发生的损伤破坏，称为疲劳破坏或疲劳失效，疲劳失效是装备与构件最常见的失效模式，大约占构件全部失效的50％～90％，其中结构疲劳失效通常是因为裂纹的萌生和发展，裂纹的萌生发展最终导致了结构的破坏，因此监测结构裂纹是了解结构安全状态的重要方法。传统的裂纹监测方法或者裂纹传感器制备方法均是对规则形状(如圆形孔形状等)的危险部位开展裂纹检测，但实际工程应用中，危险部位可能是表现出多种多样的几何形式，现有的裂纹检测技术无法应用于任意形状的危险部位，此外，现有监测方法或者传感器制备方法工艺比较复杂，不便于大规模批量生产实施。

PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)技术是指在特定条件(如真空、高温等)下，采用物理方法将金属传感器材料转化为分子、原子或离子态，直接沉积到基体表面的一种镀膜工艺，物理气相沉积技术中最为基本的两种方法是蒸发法和溅射法，PVD工艺虽然能将金属薄膜传感器与被检测基体结合形成一体化结构，但需要大型PVD设备进行镀膜，工艺十分复杂，成本较高。

光纤传感器检测是通过调制光纤中传输光的强度、相位、波长、偏振态并对这些变化进行监测，实现对温度、应变、压力、声震动、角速度等多种参量的测量，进而对结构健康状态进行监控。压电材料检测是利用压电材料在受压力作用时材料两端会出现电压，反之，对材料施加电压，就会产生机械应力(也称之为逆压电效应)这些物理效应。利用压电材料可实现机械振动(声波)和交流电的互相转换，进而实现对结构的损伤状态的监控。但光纤传感器检测和压电材料检测无法实现传感器和基体材料一体化，导致无法进行一体集成化加工。

电磁涡流检测就是利用电磁感应原理，检测导电结构表面和近表面缺陷的一种探伤方法。利用激励线圈作为导电体产生涡电流，借助探测线圈测定涡电流的变化量，从而获得缺陷的关键信息，实现对结构损伤状态的检测。但电磁涡流监测只能检测孔边是否有裂纹产生，无法检测其裂纹的长度，且检测信号较小，抗干扰能力较弱。

智能涂层是一种具有“随附损伤特性”的智能传感器监测技术，利用纳米技术，广泛应用于飞机结构的高性能防腐涂层材料改性，通常利用智能涂层随部件受损的特性，检测智能涂层某种性能指标以达到检测结构损伤的目的，但智能涂层监测无法对孔边结合部位及狭小连接部位进行加工生产，且容易受到外界腐蚀等环境的影响。

等离子喷涂技术是一种新型多用途的精密喷涂方法，是一种材料表面强化和表面改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐腐蚀、耐高温氧化、电绝缘等性能。等离子喷涂技术一般是采用直流电动驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。由于常压等离子体不需要真空设备，所以常压等离子体是等离子体发展和应用的趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于等离子体喷涂的裂纹监测传感器，以解决现有传感器与目标监测结构相互独立带来的耐久性差的问题和裂纹监测传感器只能对规则形状的危险部位开展裂纹检测而无法对任意形状的危险部位进行裂纹监测的问题。