[发明专利]一种高温嵌入式电阻抗成像系统及其使用方法

说明书

本发明公开了一种高温嵌入式电阻抗成像系统及其使用方法，属于复合材料无损检测技术领域，系统包括嵌入式控制器、电流激励模块、通道切换模块、电压信号采集模块、通信模块、高温电极阵列、电源和上位机系统，嵌入式控制器通过通信模块与上位机系统连接，电流激励模块分别与嵌入式控制器和通道切换模块连接，通道切换模块分别与电流激励模块和高温电极阵列连接，电压信号采集模块分别与电流激励模块、通道切换模块和嵌入式控制器信号连接。本发明通过嵌入式控制器可自动调节激励电流大小取得合适的被激励电压差值，搭配滤波算法，消除在高温、高变化载荷影响下的异常电压信号，通过高温电极制作方法与冷却方案实现在高温燃气环境中的电阻抗检测。

技术领域

本发明属于复合材料无损检测技术领域，特别涉及一种针对复合材料部件的耐高温、高精度、适配航空航天飞行器的高温嵌入式电阻抗成像系统及其使用方法。

背景技术

碳纤维、碳化硅纤维增强复合材料因其比强度比模量高、可设计性强等特点，在车辆、船舶和航空航天领域得到了越来越广泛的应用。但是纤维增强复合材料存在失效模式复杂、寿命预测不准等问题，在实际应用中必须对复合材料部件进行定期检测确保其安全。

电阻抗成像技术（Electrical Impedance Tomography，简称EIT）是近年来一种新兴的断层成像技术，因其无创无辐射，成本低廉，可连续成像的特点，受到了广泛关注。该技术最早应用于生物医学领域，对人体的健康状况进行监测诊断。后来，有研究发现碳纤维、碳化硅纤维增强复合材料自身具有较好的导电性，并且其损伤与电阻存在对应关系。因此利用EIT技术对这类复合材料部件进行实时无损的多维电阻率分布监测，就可通过电阻率数据进一步得到结构健康情况，避免定期检测对设备运行的干扰。

现有EIT成像系统的应用对象多为人体，因此作为一种医疗设备使用，设备体积和重量往往较大，工作环境也较为稳定。另外，为保证人体健康安全，设备激励电流也很小。刘近贞等提出了一种便携式电阻抗成像硬件系统，在体积上有大幅缩小，支持无线传输数据，采用交流激励。但该发明装置的激励电流大小未针对复合材料特点进行考虑，电压采样部分的设计与控制也未针对复合材料的电压响应大小进行考虑。工作环境为日常室温环境，未对高温环境例如航空发动机外附件区域进行针对性设计，也未对设备连接高温部件所需的高温电极进行设计（[1]刘近贞,李小彬,熊慧. 一种便携式电阻抗成像硬件采集系统[P]. CN113729679A,2021-12-03.）。如果将EIT技术应用到航空航天器的结构健康监测上，设备的体积和重量必须尽可能减小，并且需要充分考虑实际应用环境和可靠性的需求。航空航天器复合材料结构的应用环境往往十分恶劣，例如，陶瓷基复合材料作为航空发动机热端部件的关键材料，其工作温度通常在1000℃以上，对EIT成像系统的高温电极布置提出了特殊要求，同时设备如作为一种发动机附件布置在发动机外机匣处，还有环境温度变化范围大、振动强等特点。目前应用于生物医学领域的电阻抗设备如上文中描述，均无法满足应用到实际载具并针对复合材料进行健康监测的需求。

因此，亟需一种针对复合材料，并且测量速度快、测量精度高、耐高温、体积小、质量轻并且能实时成像的电阻抗成像系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种可以解决航空航天领域复合材料电阻抗成像需求，耐高温、体积小、质量轻的高温嵌入式电阻抗成像系统及其使用方法。本发明的装置采用嵌入式芯片作为核心控制芯片，控制通信、差分电压采集、通道切换和直流恒流输出等功能。设备具有多个测量通道，可采集更大量的电阻抗数据。在嵌入式系统中集成全部控制代码，运行在PC机或其他控制器中的上位机仅需发送简单的命令即可实现多种采集功能并获得结果，满足当前航空领域分布式控制的趋势。采用直流电流激励，激励范围明显扩大，可自动适应复合材料多样的电阻值范围。测量通道可外接难熔金属丝制作的高温电极与高温复合材料部件连接，并增加散热模块保护设备稳定运行。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：