[发明专利]一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器

说明书

本发明实施例公开了一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器，包括绝缘涂层、检测导电涂层、压电单元，所述绝缘涂层涂布于被测物的探测区域表面，所述压电单元与所述绝缘涂层相临涂布，所述检测导电涂层涂布于所述绝缘涂层表面，并使所述被测物与所述压电单元表面连接成一闭环电路，所述检测导电涂层与所述压电单元相接。采用本发明，具有实时快速高效，安装简便，成本低体积小，可用于不同材料表面和运动结构或部件的损伤探测等优点。

技术领域

本发明涉及结构损伤探测技术领域，尤其涉及一种无源无线压电驱动的复合涂层损伤探测传感器。

背景技术

传统结构损伤探测技术包括振动测试，超声波探伤，光学涂层，图像处理等方法。

其中振动测试是应用时间最长和使用最广泛的结构损伤探测方法，并与本发明的方案方法和出发点较接近，因此将做主要说明。振动测试探伤主要基于结构固有频率和振动响应频谱的变化看到损伤的产生与发展。材料损伤或结构松动会造成结构刚度的下降或者结构振动时的碰磨现象，这种现象将导致结构自由振动时的固有频率下降或者倍频，最常见的应用是利用敲击火车轮轨，根据声音频率检查部件损伤和松动。首先，基于结构固有频率和模态变化的探伤方法在过去几十年间已被全世界的学者普遍研究并应用到多种工程结构中。但是，结构局部的损伤(如裂纹和螺栓松动)往往只导致结构局部的刚度变化对整体结构的响应影响不大，比如悬臂梁上的一个裂纹或者凹槽可能仅仅改变3％甚至低于1％的梁固有频率，这就导致基于结构固有频率变化的振动测试方法的探伤灵敏性较低。为提高该方法的灵敏性，发明人及其研究组曾经提出了利用智能材料的主动控制方法，这也是现在较先进的固有频率振动测试方法。

其次，观察结构振动响应频谱变化的频域分析方法也是一种被广泛使用的探伤方法。例如，在振动测试行业内众所周知，闭合裂纹的产生与振动时造成的裂纹开合过程会导致振动频谱的倍频，结构松动时也会导致类似的现象发生。另外，由于材料损伤导致的局部材料非线性也会改变结构的振动频谱使其偏移。但是这种倍频和频谱偏移现象在小裂纹情况下(＜10％结构厚度)往往比较微弱，为提高基于频率变化的探伤的灵敏性，往往需要开发和引入先进的数据信号处理方法如小波从而放大损伤对频谱变化的影响。

再次，先进的时域振动信号分析方法也可用于结构损伤探测，例如，发明人及其团队开发了一种基于时域信号混乱度判定的探伤方法，这种方法对微小裂纹(＜5％结构厚度)的探测有着很高的灵敏度。时域信号混乱度与振动传感器信号比较的方法相结合可以探测＜3％结构厚度的微小裂纹并判定其扩展趋势。在实验中，振动传感器需要通过电线或者由单片机控制的无线模块与数据处理软件实时联系，这样虽然可以高效预判损伤的扩展，但是数据的传输、复杂的数据信号处理模块和能源的供给限制了其应用范围和方便性。而且，在多数探伤应用中，首要需求是判定损伤的产生并发出预警信号。如何开发一种集损伤传感器、无线预警发射器、能源供给模块于一身的小巧的振动损伤探测传感器成为了结构损伤探测领域的一个实际需求。这也是本发明所要解决的问题。

除最常用的振动分析方法之外，超声波探测是另外一种先进的探伤方法。这种方法通过发射并观察机械波在结构中的传播来判定可能出现的结构损伤。比如机械波在结构中存在裂纹或孔洞的位置会出现反射和衍射，通过探测这些反射波可以发现并标注损伤的出现和位置。但是如果结构设计本身存在多个孔洞或者不规则形状甚至材料属性的空间变化，机械波的传播将不可避免的受到干扰和阻碍，所以超声波对于不同复杂结构或者材料的探伤还在开发和探索中。虽然超声波探测理论上可以实现非接触式无损探伤，但是其探测要求距离被测物体较近，对于工作环境要求较高，而且其探测设备较精细昂贵。这些实用时的现实问题往往限制了超声波探伤在大型工程结构中的的应用。

光学涂层和图像处理的探伤方法都是基于图像分析的方式进行探伤。光学涂层的基本原理是通过涂层微细的颗粒渗透进结构可能的裂纹中凸显出裂纹。再通过图像处理让计算机自动识别裂纹的产生与位置。图像处理方法也可以通过探测结构螺栓松动产生的外观变化监测结构松动问题。这两种方法都需要直接接触或目测到结构损伤出现的位置，并对光照条件要求较高。