文摘
混合结构健康监测系统(SHM)组成的压电传感器和光纤传感器(FOS)提交生成和监控兰姆波,研究确定其潜在的损伤检测和定位综合航空航天结构。作为这项研究的一部分,该混合单孔位微吹气扰动系统,连同一个内部开发的算法,是评估检测和定位两种破坏类型:全厚度损失(直径2毫米的孔)和表面损伤(2毫米直径钻孔深度为0.65毫米)位于板的背面。实验使用飞机执行代表复合板皮肤,由碳纤维增强聚合物(CFRP)。
1。介绍
按照目前的规定和要求,保证了飞机的结构完整性使用标准的无损评价(NDE)技术,如涡流,液体渗透,超声学等等1]。不幸的是,这些濒死经历技术的应用往往需要从飞机服务,大量的时间,导致相当大的成本(停机时间成本和维护成本)算子。降低成本,原始设备制造商(OEM),运营商,维护人员和研究人员一直在想象系统可以集成到结构使濒死经历的一个组成部分的结构。这种方法将为经营者提供的功能检查每个航班飞机之前或之后,或在飞行本身。飞机只需要采取的服务当损伤实际上是发现和需要维护/维修行动,而不是在某个既定的一段时间,或航班的数量。研究领域,旨在开发这样的系统和数据采集和分析的方法来评估的健康结构被称为结构健康监测(SHM) [2,3]。
领域内的SHM几个技术,传感器和系统设计,开发,测试和演示/,可以用来评估一个结构的状况。其中一个提出技术利用光纤传感器(FOS)提交损伤诊断基于超声波引导(GUW) [4- - - - - -7]。超声波引导,如羔羊所述8),有许多有利的属性,如他们的长距离小振幅衰减4,5]。光纤已经相当大的发展,被广泛用于数据通信,表现出优秀的疲劳特征(9]。此外,安全系数是轻量级和尺寸小,不受电磁干扰,具有良好的耐化学品和环境。此外,他们已经成功地集成,附着在表面或嵌入到复合层板(2,10]。
为应用程序的安全系数在单孔位微吹气扰动光源和光检测系统需要照亮和询问传感器(s),分别。提出了多个审讯系统来测量压力;然而,在兰姆波和相关压力的情况下,所需的频率数据采集引入了严格的需求关于审讯系统和限制的传感器的数量可以集成到这样的审讯系统。可以使用的基于安全系数的系统是基于点传感干涉技术(例如,基于光纤布喇格光栅(FBG)的,或基于法布里-珀罗(FP) (11])。法布里-珀罗干涉技术,然而,增加了困难的传感器复用在同一光纤与光纤光栅相比。
光纤的缺点是,他们只能作为传感器,或涉及高功率激光器的驱动系统,导致复杂的领域的应用。因此,总需要一些简单的驱动机制生成兰姆波,可以有效地实现了使用压电陶瓷换能器。幸运的是,压电陶瓷传感器扫描兰姆波,既可以作为传感器和致动器,是廉价和可用在小尺寸使他们的理想融入结构(12]。不幸的是,压电陶瓷传感器及相关电力电线和/或数据采集可以影响和/或电磁干扰的来源,影响其他飞机航电系统的性能。这些不良的影响压电陶瓷换能器需要考虑和评估之前在职应用程序中使用它们。邱et al。13),证明适当的屏蔽这些压电陶瓷换能器可以减少这些不良的影响。
武田et al。14)提出了一个混合单孔位微吹气扰动系统基于兰姆波检测损伤的复合结构。提出的混合单孔位微吹气扰动系统用压电陶瓷换能器产生兰姆波和光纤光栅检测它们。在这种审讯架构,宽带光源(BBS)被用来照亮整个光纤光栅传感器光谱在一个排列波导光栅(AWG)检测系统。当光纤光栅光谱转移由于海浪的应变场,光功率输出敏感AWG的渠道也多种多样。每个通道的光输出转换为电子信号(电压)使用光电探测器,由高采样频率捕获数据采集系统传感兰姆波传播。这个信号包括压电陶瓷换能器产生的兴奋波传播和产生伤害反射干扰造成的伤害与原来的驱动和兰姆波场传播。这些反射是通过信号的比较发现从相同的传感器对不同条件下获得的结构被检查,也就是说,未损坏的基线信号和受损状态信号。有光纤光栅传感器具有不同方向和不同位置的结构使损伤的检测和定位通过使用飞行时间(ToF)和波的传播速度和计算距离三角测量算法的应用程序和/或通过考虑方向敏感的光纤光栅。这些传感器敏感株应用其长度,因此,不同的光纤光栅具有不同方向能够传播波和输出不同的信号振幅。这些振幅的比较使波的入射方向的决心。
关于光纤光栅传感器的选择,武田et al。14]报道的理想长度的光纤光栅传感器波检测源的波长的1/7。这个关系反映了所需的点之间的妥协传感(相对于平均压力传感器)和光纤光栅的反射率(与光栅长度),这是必须达到足够高信号噪声比(信噪比),除了避免应变传感的非线性效应。
武田et al。14评估他们使用人为引入分层单孔位微吹气扰动系统在小复合板(240×240×1毫米)之间相隔50 mm的压电陶瓷传感器和光纤光栅。此外,他们报道的阈值可检测分层尺寸10毫米宽。检测是基于新一波(加速模式)之间的检测和波,在未损坏的板的原始信号。加速模式被认为是由分离引起的波为两个传播路径和转换的原始波到一个和波沿着不同的路径(14]。
津田(15和林等。16)提出了一个审讯架构基于第二个光纤光栅滤波器级联光纤光栅传感器。此体系结构使用BBS的两个光纤光栅。第一个光纤光栅反射谱的相移引起的,这与第二光纤光栅传感器的光谱。然而,这种架构所需光纤光栅的中心波长的近距离内互相操作成功。类似于前面提到的审讯架构、光电探测器和数据采集系统也使用。津田(15)发现,使用级联光纤光栅审讯架构,损伤面积65毫米长度和15毫米宽。林等人的研究。16]报道发现分层20毫米的宽度之间相隔100毫米的压电陶瓷传感器和光纤光栅在复合梁(440×25×2毫米)。
吴et al。17]成功地检测和局部损伤在复合层压板(305 * 152毫米)使用混合pitch-catch SHM系统。的伤害,重复的影响用锤子,位于面积由67毫米(102)由两个压电陶瓷换能器封闭和三个光纤光栅。损伤指数(DI)代表之间的散射能量的比值,损坏国家和选定的时间窗内的基线,定义预测损伤位置。诊断图像获得的吴et al。17]预测脱胶面积30 30 mm;这个结果验证了复合材料层压板的x射线成像。
最近,谭et al。18]报道损伤检测和定位在一个铝板(300×300×2毫米)基于类似SHM架构作为贝茨et al。4]。的伤害,然而,是位于传感器和光纤光栅之间的封闭区域,定位算法是基于ToF来自四个不同的光纤光栅。可检测损伤尺寸上的改进阈值实现:6毫米直径12毫米相比报道贝茨et al。4]。
本文中描述的研究集中在代表损伤的检测和定位在飞机结构使用一个椭圆三角算法(18,19]。组合板的近似尺寸1000 * 400 5.5毫米是用来评估混合单孔位微吹气扰动系统的功能检测和定位两种类型的损伤。第一个损害是通过孔直径2毫米厚度;第二次是表面损伤的表示,模拟由钻孔直径2毫米深度为0.65毫米。重要的是要注意,表面损伤位于板的背面对传感器的表面粘合。这个场景中模拟检测损伤的外表面(例如,复合飞机蒙皮)的外表面,这是暴露在环境中,使用传感器保税内表面,这将保护环境。作者所知,混合单孔位微吹气扰动系统能够检测损伤小至2毫米直径在复合面板和相同大小的外表面损伤位于相反的脸对传感器的一个保税不是在文献中提出的。此外,在前面引用的文献,提出了损伤诊断相对高密度的传感器相比,使用一个相对较小的扫描区域。此外,损害了传感器包围的区域,或在两个或两个以上的传感器的直接路径。在这项研究中,介绍了赔偿累计在里面,而且外面包围的区域使用的传感器,而不是在任何传感器的直接路径的组合。 This reflects a real life scenario where small damage can occur in relatively large areas, outside the areas enclosed by applied transducers and while trying to maintain a low transducer density for simplicity, enabling a realistic future in-service application.
在这个评估只追究损害可调谐激光器审讯系统检测和定位的目的。罗查et al。20.)评估三个审讯者架构前面描述的能力兰姆波检测,准确和反复,报道,可调谐激光审讯系统提供了最好的结果。
2。实验装置
实验进行了使用一个现实的,飞机代表复合板的皮肤。准各向同性碳纤维增强聚合物(CFRP)皮肤的上篮由16层Hexcel HexPly F593环氧树脂F3T584碳织物pre-preg。复合材料板上篮后设计指南讨论Kassapoglou [21];例如,45°层被放置在外面板改善(影响)的抗性复合板的属性。复合板的尺寸大约1000到400年的5.5毫米是设计和制造为单孔位微吹气扰动平台作为替代皮肤2 (22发达的加拿大国家研究理事会(NRC)。
提出的混合审讯系统评估其能力来检测材料声波。最初,准各向同性的性质计算碳纤维增强塑料层压板和兰姆波的色散行为复合皮肤估计。在这项研究中,损伤检测系统是基于基本对称的越快(,群速度4800米/秒的实验也验证了使用皮肤)模式,因为这种模式不受干扰的兴奋波的慢波传播的基本反对称(2800 m / s)模式。为模式,基于估计的色散行为,50到400千赫之间的频率范围被选为了避免生成比基本的高阶模式,和,从而简化了对传感器信号的分析。所选频率范围确信的传播速度和模式显著不同;因此兴奋波这些模式之间的干扰最小化。的传播速度模式在整个频率范围是相当恒定,导致相似的阶段和群速度,随后降低了频谱的影响蔓延在兰姆波的生成。
基于兰姆波的混合单孔位微吹气扰动系统在本文描述由多个光纤光栅传感器和压电陶瓷光盘驱动器的直径6.35毫米,保税中心的复合镀层。考虑到估计和实验验证(分散),波长和频率关系和致动器的直径,调优的检测技术波导致的选择325 kHz的频率。的传播速度波频率为4800 m / s,导致波长大约15毫米,如图1(一)和1 (b),分别。调优的系统波是通过选择一个波长大约致动器直径的两倍,在试图与致动器直径的倍数波长具有相同的频率。
(一)
(b)
一个损害视窗化five-peak正弦信号与所选325 kHz的频率被用来减少散射频谱的兴奋波,减少波的传播速度是不一样的。一个物理声学公司1410任意波形信号发生器,使压电陶瓷换能器的驱动的最大电压35 V,以每秒100 megasamples (MS / s)。生成的信号被用来触发一个美国泰克TDS 5104示波器。输出数据是400年在125 MS / s的间隔μ年代,使复合镀层的完整的扫描。
光纤光栅传感器的选择是基于前面提到的工作由武田et al。14),发现一个光纤光栅传感器的理想长度兰姆波检测波长的1/7。为选定的频率(随后选定的波长),光纤光栅传感器的长度确定是2.15毫米。然而,由于可用的传感器5毫米长光纤光栅。三双光纤光栅写在单模光纤(SMF-28)连着复合镀层的表面,下面描述的过程(23]。位置和方向()的传感器是描绘在图2;相应的波长()和位置对板的左下角展示在表1。
提出的询问机配置已经完成(见图3使用安捷伦81640 b)细线宽可调谐激光器,最大输出功率为3.2兆瓦,和Thorlabs PDA10CS光电探测器连接到示波器。在每个驱动之前,调到所需的激光输出波长的光纤光栅传感器的光谱,正如前面所解释的那样,这是所有光纤光栅在一个重复扫描。这种审讯架构,兰姆波传播都能够检测的传感器有足够的信噪比。减少噪音的影响在传感器数据和地址的小信噪比检测兰姆波的相应的应变场传感器信号,多个扫描,也就是说,测序驱动,在短时间内反复执行,对于一个近似恒定的条件下(健康)的结构检查。这些多个测试的数据进行后期处理和浓缩,通过一个信号带的形成与离群值。
3所示。方法和结果
开发的一种损伤检测和定位算法和评估检测和定位的两种不同类型的损伤。在本节中介绍了损伤检测和定位算法,首先阐述了。然后,这个算法的评价提出了两个场景:首先通过厚度损失,然后表面损伤,模拟钻孔,位于板的背面对传感器的表面粘合。
3.1。损伤检测和定位算法
原始板,基线信号获得了所有的光纤光栅传感器。减少噪音的影响在每个扫描,5为每个光纤光栅信号被收购了,对应五驱动信号顺序,因此申请大约同等条件下的盘子。损伤检测和定位算法过滤所有原始信号巴特沃斯带通滤波器。这个过滤器允许300 kHz和400 kHz的频率之间的信号传递,而这个范围以外的信号被封锁。过滤器是应用信号归一化后的振幅发生在400年的最高水平μ采集时间。图4显示的一个原始信号及其相应的信号带通滤波器后和规范化的过程。
(一)
(b)
介绍后,或扩大每个模拟损伤,扫描过程类似于一个用于获得基线信号实施;,被应用于多个驱动/扫描序列,与每一个光纤光栅信号为每个驱动被收购,过滤和规范化。
过滤和规范化的基线信号和受损状态后得到相应的信号,signal-bands形成对于每一个光纤光栅和板的每个条件,考虑到每一次获得的最大和最小值的信号。每个光纤光栅的signal-bands获得损坏和基线条件进行比较。signal-band新获得的值,损坏国家相应signal-band signal-band过滤器内都获得基线条件,被设置为0,而其余signal-bands和用于损伤定位算法。这是重复的每个条件板测试,为每一个传感器和扫描。这确保反射由于损伤不断收购,而信号出现在美国,例如,原来驱动相应传播波信号,和噪音,被丢弃的,或者他们的影响最小化。此外,获得了在这个过程中,所有可能的差异之间的基线和损伤状态对应的signal-bands,被认为是损害的定位算法。密度可能积极的损伤检测和定位然后获得每个点板损坏的概率成正比,或损伤指数。为应用程序本地化算法数字板的网状5毫米的间距在两个平面的方向。带通滤波器的应用算法的效果如图5,显示了一个光纤光栅信号带通滤波前后应用。没有损坏,所有新获得的信号的值都设置为零,以及损伤定位的算法停止。
(一)
(b)
损伤定位算法是基于ToF(到达时间对最高的峰值信号的驱动信号)后signal-band过滤应用。从实验确定色散曲线(见图1(一)),一系列的传播速度波被选中。4500 - 4800 m / s,范围是基于波速在325 kHz的频率。ToF和传播速度,旅行距离计算。每个距离对应于旅行距离的兴奋波致动器和损害之间,加上距离伤害反射,损伤和光纤光栅之间,如图6(一)。总旅行距离,距离之和解释之前,对于速度是恒定的,可以与椭圆的特点(任何点之间的距离之和在椭圆及其两个焦点是常数)。因此,对于每一对actuator-sensor,所有可能的损伤位置是由椭圆焦点在执行器和传感器位置(18,19),如图6 (b)。当椭圆建设的过程都是重复的速度,“环”代表所有可能的损伤位置获得对于每一对actuator-sensor来说,如图6 (c)。在这背后的数学过程 在哪里和是- - -椭圆的中心坐标,之间的角度吗设在和椭圆的主轴;这三个变量计算使用传感器的位置,如表所示1。的参数多种多样的来。唯一的未知变量仍然是短轴的长度,如图2 b6 (d)。计算短轴的长度,采用三角形ABC,行交流等于一半的主轴,和AB等于传感器之间的距离的一半。公元前线,等于一半的短轴,计算使用毕达哥拉斯定理。这个过程被重复所有的actuator-sensor双;板上的可能的损伤位置将与大多数环交叉的地方。
(一)
(b)
(c)
(d)
需要指出,损伤定位算法只调查100信号μ年代后驱动。这有限的面积可以检查传感器配置用于这项研究。获得最大的区域可以使用这种传感器配置检查,每个光纤光栅的到达时间被设置为100μ年代,波传播速度被认为是保守的低。这些设置产生的极端位置损伤可能是礼物。然而,算法分析一直到最大时间间隔;这意味着获得的极端位置形成区域的外边界可以检查。将极端位置联系在一起形成了检查部位如图7。检验区域代表所有可能的损伤位置,当信号高达100μ年代持续时间进行了分析;这个区域等于复合板的总面积的20.8%。
发达算法被认为是简单的,因为它只使用标准的信号处理技术和定位技术,它是基于椭圆三角。算法的有效性进行了测试使用现实的模拟损伤,无论是在类型和尺寸。首先,通过厚度2毫米直径孔是评估,后跟一个钻孔直径2毫米深度为0.65毫米。每个引入损伤后,提到扫描,数据采集,并进行了后处理。
3.2。通过厚度洞
介绍了通过厚度2毫米孔板以外的地区由传感器有界;构造椭圆和预测之间的比较实际损伤和损伤位置引入损伤图所示8。两者之间的区域从每个压电陶瓷换能器/光纤光栅对椭圆,戒指,被分配的大小,和其他领域都设置为0。所有的戒指绘制时,环形交叉口的最多是存储并与实际损伤位置验证损伤检测和定位算法。在图8 (b)实际伤害的位置,可以看到标有一个十字架,在预测损伤区域获得的算法。仔细检查区域显示实际的损害是位于5毫米左边的预测损伤区域。
(一)
(b)
椭圆是构造使用两个固定速度;然而,可以获得更好的结果,如果使用光纤光栅的实际速度方向而不是一个固定的范围。损伤定位算法是基于最大的回波到达时间;更新的算法应该设计,这样它可以到达时间的回声考虑获得更好的预测损伤区域。
3.3。表面损伤:钻孔
2毫米的受损状态signal-band洞被用作第二种类型的基线引入损伤。介绍了第二种类型的损伤板来模拟一个表面损伤;这种损坏是位于板的对面对传感器的表面粘合。这个模拟的一个现实的情况可能发生在一个飞机,损害的将位于外层的皮肤,而传感器将保税内一侧,从外部环境的保护。表面损伤是由一个2毫米模拟钻孔深度为0.65毫米。相同的实验过程第一损坏是重复的和获得的信号的情况下表面破坏如图9。相应的等高线图和定位图像如图10。估计损伤位置是25毫米远离实际的损伤位置。在这种情况下,多个山峰从比较获得的基线和损伤状态对应signal-bands被认为,而不仅仅是以前的最高峰。
(一)
(b)
(一)
(b)
4所示。结论
提出了光纤光栅审讯架构评估的兰姆波检测由压电陶瓷换能器兴奋,碳纤维增强塑料飞机蒙皮的代表。系统的功能和适用性,SHM的飞机。来检测损伤,两个signal-bands是必需的,一个基线signal-band和一个signal-band受损状态。Signal-bands被认为是减少噪声的传感器信号的影响,大大提高信噪比,使小伤害反射波振幅的反复检测相应的信号。比较两个signal-bands检索异常值;一个包含生成的回声信号损伤。回波信号被用来定位损伤复合镀层。损伤定位算法是基于到达时间最大的回声。到达时间是乘以两个固定的速度,这代表的范围波速度。计算距离被用来构造椭圆的压电陶瓷传感器和光纤光栅是焦点。大部分椭圆交叉的位置用来预测破坏的地区。
算法进行了实验,评估两种不同类型的伤害:(i)的全厚度孔直径2毫米,(ii)组成的表面损伤2毫米直径钻孔深度为0.65毫米位于板背面的表面安装传感器在哪里。损伤检测和定位算法产生一个图像显示预测的损伤区域,这是比实际位置的损伤。通过厚度洞,预测损伤区域5毫米的实际损伤位置。表面的损伤,实际的损伤位置位于25毫米的预测损伤区域。提出的混合单孔位微吹气扰动系统能够检测引入损伤和损伤区域预测精度的合理的水平。在现实生活中应用程序,这样的检测和定位能力将有助于降低整体濒死经历的努力和专注濒死经历技术一个较小的区域,从而减少检查和维护的时间,精力和成本。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
支持加拿大国家研究委员会(NRC)的这项研究。作者想请谢谢郭博士红磊,乔治•肖博士和Nezih Mrad硬件和实验室设备的使用这个研究项目所必需的。作者还要感谢学院航空航天工程在代尔夫特理工大学(荷兰代尔夫特科技)为他们的财政支持。此外,作者想表达他们的感谢教授Ir。Rinze赞美诗和Ir。1月假日的技术指导。