航空结构健康监测的压电夹层设计

传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogies) 2008年第27卷第7期设计与制造航空结构健康监测的压电夹层设计3王　强,袁慎芳(南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,江苏南京210016)摘　要:根据智能夹层思想和真实航空飞行器结构特点,研究了面向航空结构健康监测的压电夹层技术,并将该技术应用到了某无人机机翼盒段结构健康监测验证实验中。

实验结果表明:压电夹层工作性能稳定,寿命长,压电元件的一致性良好,抗干扰、串扰能力较好,该技术对于结构健康监测技术实用化具有推动作用。

关键词:结构健康监测;压电夹层;机翼盒段中图分类号:T B552;V214.8 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2008)07-0072-03 PZTs l ayer techn i que for aerocraft structurehea lth m on itor i n g3WANG Q iang,Y UAN Shen2fang(The Aeronauti c Key Labora tory for S martM a ter i a l and Structure,Nan ji n g Un i versity ofAeronauti c and A stronauti c,Nan ji n g210016,Ch i n a)Abstract:Based on the ideal of s mart layer and the structure characterastic of aviati on flyer,PZTs Layertechnique f or aer ocraft structure health monit oring(S HM)is studied and used in the SH M validati on experi m ent f ora testbox of an UAV wing.The experi m ent result p r oves that the PZTs layer works stably and has l ong service life,and the PZTs have good consistency,l ow interference.A ll of these indicate that the PZTs layer technique is hel pfulfor the p racticality of SHM.Key words:SH M;PZTs layer;wing testbox0　引　言自20世纪后期以来,由于世界各地发生的航空事故所引起的灾难性后果,使得来源于仿生原理的结构健康监测技术得以提出并迅速发展起来[1～4]。

该技术研究在结构中安装或集成传感器/激励器、控制器以及信号处理器等功能单元来实现对结构健康状态的在线监测。

在众多的传感器和激励器中,压电元件由于具有正逆压电效应,既可作为驱动器也可以作为传感器,因此,得到很多研究学者的关注并大量采用。

在安装时,传统的方法是将压电元件逐个粘贴与分别连线,这样的做法会引起各压电元件存在性能差异,且稳定性、电气特性以及使用寿命等方面难以控制。

为此,美国斯坦福大学率先进行了分布式传感器系统的研制,将这种分布式传感器系统叫做智能夹层(s mart layer)[5,6],国内南京航空航天大学是首先进行此方面研究的机构,在原理研究和应用等方面取得了一系列成果[7,8]。

然而,目前国内压电智能夹层的应用研究还都是以小型结构为主,工作环境也大多局限于实验室内,距离真实工程应用还存在一定差距。

本文以航空结构为应用对象,在国内外研究成果的基础上,研究了面向航空结构健康监测的实用化压电夹层技术,并在大型某无人机机翼盒段综合健康监测系统验证实验中得到了成功应用,取得了良好的效果。

1　压电夹层原理电夹层的设计思想是采用柔性印刷线路工艺将压电传感器/激励器网络设计制作成夹层的形式,其中,压电元件按照一定工艺封装在夹层中,并用印刷线路代替普通导线连线[7,8]。

通过这样的方法有效解决压电监测系统中常用的直接将压电元件粘贴在结构上所引起的胶层厚度不均、电绝缘问题、传感性能分散、串扰大的弊端。

2　设计方案将压电夹层集成到结构中实现航空飞行器健康监测时,需要根据结构的特点和使用环境来确定夹层设计、安装工艺等。

机翼盒段是航空飞行器中较为典型的结构部件,收稿日期:2008-03-253基金项目:国家自然科学基金国际合作重大计划资助项目(50420120133);航空科学基金资助项目(20060952);教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-04-0513);江苏省研究生科技创新计划资助项目(CX07B_076Z)27第7期 王　强,等:航空结构健康监测的压电夹层设计 也是结构健康监测中研究较为集中的一种结构[9,10],同时,由于碳纤维增强复合材料以其高模量、高强度和轻质等优点,在飞行器设计中得到了广泛应用。

因此,本文选择碳纤维增强复合材料机翼盒段为应用对象,根据其特点和使用环境设计符合实用化要求的压电夹层。

碳纤维复合材料机翼盒段的结构特征为中空矩形立方体,盒段内部肋和前后梁平行排列;结构对Lamb波能量的吸收能力较强;结构表面粗糙度较好,便于薄膜粘贴。

机翼盒段一般都密封在飞行器内部,使用环境较为稳定,电气特性以信号线之间的串扰为主。

据此,本文在设计时采用和遵循了以下设计要点:1)压电元件布局:压电元件采用直线排列的方式,3只压电元件为一个单元等间距集成到一张夹层中,多张夹层平行安装组成压电监测网络。

压电元件的尺寸和间距根据实际工程需要设定。

2)基材:基材选择较为轻薄坚固的聚酰亚胺薄膜,厚度达到了12.5μm,以保证在不影响结构特性的同时保证压电传感网络的使用寿命。

3)压电元件集成方式:为减少因胶层、基材等不同材料对能量的吸收,保证压电元件的灵敏度和信号的信噪比,压电元件采用嵌入的方式集成到夹层中。

此外,在布线、屏蔽设计和夹层安装等工艺中均制定了相关技术要点。

图1为根据上述要点设计出的压电夹层结构图。

夹层的长宽为400mm×50mm,选用的压电元件直径为8mm,厚度为0.48mm,相邻压电元件的间距为75mm 。

图1　压电夹层结构图F i g1　Structura l d i a gram of PZTs l ayer 图2(a)为传统方法安装的压电元件电气特性图,可以发现由于复杂的引线问题,信号存在很大的串扰,虽然通过屏蔽线连接可以缓解这一问题,但按照要求只能采用轻而细的屏蔽线,这样的屏蔽效果有限,且很难做到完全屏蔽,因此,并不能完全克服。

图2(b)是压电夹层的重复性实验和电气特性实验,首先,可以看到,由于采用了印刷电路布线技术,对串扰的问题解决得很好,而且,夹层测量的信号重复性很好,10次测量的结果几乎完全重叠。

3　应用与性能分析本文在国内首次将压电夹层应用到了真实航空结构的健康监测研究中。

该碳纤维复合材料机翼盒段尺寸为4000mm×1200mm×245mm,中间部分为复合材料盒段,图2　夹层重复性实验和电气特性实验对比F i g2　Cam par ison of electr i c character between trad iti ona lPZTs and PZTs l ayer一端为铝制的支持端,另一端为铝制的加载端。

复合材料盒段的上下蒙皮壁板为泡沫夹层板,盒段上下结构对称,只不过上下翼面与梁、肋连接方式不同:下翼面为前后梁突缘与蒙皮缝合成预成型件,5个肋突缘与蒙皮是抽钉连接,上翼面为紧固连接。

肋的间距为800mm,监测目标为盒段上壁板与肋之间的螺钉连接失效。

实验中,在盒段的上壁板内外表面总共布置了6片压电夹层,共计18只压电元件,对盒段中的两条肋与壁板的连接情况进行了监测。

其中, 4片压电夹层在盒段制作时预先用环氧胶平行布置在盒段内部待监测肋两侧的壁板内表面,另2片布置在上壁板上表面,夹层中压电元件到肋中心线的垂直距离均为75mm,布置完毕后统一由信号屏蔽线连接到固定在铝加载端的航空接头上。

图3为结构抽钉失效情况下,一组压电阵列监测到的典型波形。

其中,激励信号为调制后的5波峰窄带正弦波信号,从图中可以看出:信号中没有明显的噪声,且信号的某些参数在损伤前后发生了清晰的变化,最典型的是损伤信号相对于健康信号来说幅值变大了。

提取响应信号的5个特征参数:时域信号能量、时域信号峰值、时域信号峰值到达时间、中心频率处小波细节信号能量以及中心频率处小波细节峰值,这5个参数组成一组状态向量表征抽钉状态,由人工神经网络成功辨识了抽钉的松动和松动级别。

所有的实验情况证明所采用的压电夹层设计在传感器灵敏度、电气特性、稳定性以及寿命等方面性能良好。

37 传感器与微系统 第27卷图3　一组压电夹层阵列监测到的典型波形F i g3　Som e typ i ca l waveform m ea sured by PZT l ayer4　结　论本文对压电夹层的实用化技术进行了系统研究和验证,以飞行器机翼盒段为应用对象,设计了面向航空结构健康监测的压电夹层,并以某无人机复合材料机翼盒段为对象,在真实航空结构健康监测系统验证实验中得到了应用。

实验过程与数据表明:压电夹层工作状态良好,能经受起长距离的运输,安装和连线简单、整洁,安装后夹层中的压电元件一致性较好,信号中的电磁干扰和串扰很小,满足监测要求。

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