CN107655937A - 一种结构损伤实时监测与定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构损伤实时监测与定位方法，包括导电薄膜结构损伤诊断传感器的制作和利用它进行结构损伤监测的测试方法，将导电薄膜贴覆到被测结构件上，并将电极贴在导电薄膜上，对导电薄膜通电；采用红外热像仪监测薄膜温度场，温度越高的区域应变越大，温度集中区域就输损伤发生的区域，由此实现对结构损伤的监测和定位。本发明实现了结构损伤实时监测和定位问题，制作用材方便易得、成本低廉，制作工艺简单易懂、操作灵活，针对结构损伤位置和损伤程度实现了实时、远程、精确和有效的检测和诊断。

Description

一种结构损伤实时监测与定位方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种利用碳纳米管薄膜作为结构损伤诊断传感器与红外热像仪结合实时监测结构温度场的测试方法。

背景技术

结构设计的一个主要任务就是避免结构在工作期间出现损坏。然而，由于诸如：外部负载、工作环境、制造工艺等众多不可预测的外部因素，很难准确地知道结构损坏发生的时间和方式。由于以上这些原因，结构健康监测一直受到民用航空、汽车工业和高压容器等众多领域的重视(见Beomseok Kim,Yijiang Lu and Taemin Kim,et al.Carbon NanotubeCoated Paper Sensor for Damage Diagnosis[J].A-CS NANO,2014,8(12):12092-12097.)。应变仪和压电换能器这样的传统传感器已经在测量局部应变方面取得了许多成功。然而，这些传统传感器由于需要复杂的应变场检测布线工艺，因此导致重量的增加(见中国专利CN103900826A《实时监测汽车底盘结构疲劳损伤的方法》)，且对工作环境要求苛刻，在强电磁环境、高噪声等条件下，测试精度下降严重，误差明显(见中国专利CN101995435A《基于瞬时相位变化度的损伤检测方法》)。测试成本高昂同时对操作人员的专业素养要求较高。

而最近基于碳纳米管薄膜研发的传感器则克服了这些缺点。由于它的高应变系数：GF＝(ΔR/R)/ε，碳纳米管薄膜复合材料成为应变检测领域最具潜力的材料，是损伤监测的关键因素。Wu and Chou等人开发了一种利用导电碳纳米管薄膜来检测玻璃纤维/乙烯基酯复合材料的基体开裂和分层的方法(见A.S.WU,W.-J.Na and W.-R.Yu,et al.CarbonNanotube film interlayer for strain and damage sensing i-n composites duringdynamic compre-ssive loading[J].APPLED PH-YSICS LETTERS,2012,101(22):221909(1)-221909(5).)；Gao and C-hou等人研究表明：环氧树脂/普通玻璃纤维复合材料的损伤演化可以通过CNT网络的电阻变化来识别；Abot等人则利用碳纳米管线的电阻变化来检测复合材料的分层；Thostenson和Chou表明，碳纳米管网络可用于检测机械固定的复合接头的损伤，这是难以通过其他无损检测方法实现的(见Erik T.Thostenson,Tsu-Wei.Chou.Ca-rbon nanotube-based health monito ring of mechanicallyfastenedcom-posite joints[J].Composites Science and Technology,2008,68:2557-2561.)。

但是，上述所有工作只能检测何时发生损坏，属于一级结构健康监测(见BeomseokKi m,Yijiang Lu and Taemin Kim,et al.Carbon Nanotube Coated Paper Sensor forDamage Dia-gnosis[J].ACS NANO,2014,8(12):12092-12097.)。第二类结构健康监测技术则可以检测损害发生的地方，这对当今的技术是一个挑战。最近开发的电阻抗断层成像(EIT)技术虽然可以定位损伤(见T.N.Tallman,S.Gungor and K.W.Wang,et al.Tactileimaging and dist-ributed strain sensing in highly flexible carbon nanofiber/polyureth-ane nanocomposites[J].Carbon,2015,95:485-493.)，但该方法需要许多电极，布线繁复，而且在中心区域分辨率有限。

因此有必要提供一种低成本、结构简单易操作的第二类结构健康监测方法，针对损伤位置和损伤程度实现及时、精确和有效的检测和诊断。

发明内容

本发明的目的是为实现对结构的损伤位置和损伤状况进行无损的精确定位和分析，进而提供了一种以导电薄膜结构诊断传感器作为应变-温度传感器的结构损伤实时监测方法。

本发明提供的技术方案是：

一种结构损伤实时监测与定位方法，包括导电薄膜结构损伤诊断传感器的制作和利用它进行结构损伤监测的测试方法，所述导电薄膜传感器的制作是将导电薄膜贴覆到被测结构件上，对导电薄膜通电，采用红外热像仪监测薄膜温度场，实现对结构损伤的监测和定位。

所述导电薄膜厚度小于30μm，保证导电薄膜的自身应变能和被测结构件的应变保持一致。

所述导电薄膜具有高的应变灵敏系数，能够将自身的应变变化以电阻变化的形式反应出来。

所述结构损伤监测的测试方法包括如下步骤：

1)将导电薄膜贴覆到被测结构件上，并将电极贴在导电薄膜上；

2)对导电薄膜通电；

3)采用红外热像仪监测薄膜温度场；

4)温度越高的区域应变越大，温度集中区域就输损伤发生的区域，由此实现对结构损伤的监测和定位。

优选的，本发明所述导电薄膜为碳纳米管导电薄膜。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.本发明实现了结构损伤实时监测和定位问题。

2.本发明中的主体由导电薄膜组成，由于它有极好的柔韧性，因此可以贴附于弯曲材料表面进行监测。同时可以根据结构的具体需要将薄膜裁剪成任意形状、任意大小，适用性广泛。

3.本发明中的导电薄膜结构损伤诊断传感器制作用材方便易得、成本低廉，制作工艺简单易懂、操作灵活。

4.本发明与现有技术相比，由于导电薄膜传感器结构简单，因此免去了繁杂的辅助设备和布线工艺，可靠易行、实施方便。且对操作人员的专业素养要求不高，稍加训练便可迅速上手。

5.本发明与现有技术相比，在第二类结构健康监测方法中，针对结构损伤位置和损伤程度实现了实时、远程、精确和有效的检测和诊断。简明易懂、适用广泛，有着良好的监测精度和准度。

附图说明

图1本发明碳纳米管薄膜结构损伤诊断传感器整体示意图。

图2本发明测试方案整体示意图。

图3本发明碳纳米管传感器的测试原理示意图。

图4本发明碳纳米管传感器监测裂纹发生示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种结构损伤实时监测与定位方法，包括导电薄膜结构损伤诊断传感器的制作和利用它进行结构损伤监测的测试方法，具体包括以下步骤：

(1)将碳纳米管导电薄膜贴覆到被测树脂拉伸试件上，并将电极贴在碳纳米管导电薄膜上，传感器如图1所示；

(2)所述碳纳米管导电薄膜厚度小于30μm，保证导电薄膜的自身应变能和被测结构件的应变保持一致；

(3)所述导电薄膜的应变灵敏系数为6.79，能够将自身的应变变化以电阻变化的形式反应出来；

(4)对导电薄膜通电，采用红外热像仪监测薄膜温度场，测试示意图如图2所示；

(5)拉伸试验件，试验件变形，温度越高的区域应变越大，温度集中区域就是损伤发生的区域，工作原理如图3所示。

(6)假定被测件中部产生了裂纹，则中间区域集中高温，如图4所示。实验表明该区域就是最终断裂区域，由此实现对结构损伤的监测和定位。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种结构损伤实时监测与定位方法，其特征在于：包括导电薄膜结构损伤诊断传感器的制作和利用它进行结构损伤监测的测试方法，所述导电薄膜传感器的制作是将导电薄膜贴覆到被测结构件上，对导电薄膜通电，采用红外热像仪监测薄膜温度场，实现对结构损伤的监测和定位。

2.根据权利要求1所述的结构损伤实时监测与定位方法，其特征在于：所述导电薄膜厚度小于30μm，保证导电薄膜的自身应变能和被测结构件的应变保持一致。

3.根据权利要求1所述的结构损伤实时监测与定位方法，其特征在于：所述导电薄膜具有高的应变灵敏系数，能够将自身的应变变化以电阻变化的形式反应出来。

4.根据权利要求1所述的结构损伤实时监测与定位方法，其特征在于：所述结构损伤监测的测试方法包括如下步骤：

1)将导电薄膜贴覆到被测结构件上，并将电极贴在导电薄膜上；

2)对导电薄膜通电；

3)采用红外热像仪监测薄膜温度场；

4)温度越高的区域应变越大，温度集中区域就输损伤发生的区域，由此实现对结构损伤的监测和定位。

5.根据权利要求1所述的结构损伤实时监测与定位方法，其特征在于：所述导电薄膜为碳纳米管导电薄膜。