[发明专利]基于DSP技术的智能结构健康监测系统

说明书

本申请为分案申请，原申请的申请日为：2009年5月8日；申请号为：200910031317.0；发明创造名称为：基于光修复技术的智能结构自愈伤方法与健康监测系统。

技术领域

本发明所述的一种新型的基于光修复技术的智能结构自愈伤方法与健康监测系统，结合光固化技术、光纤传感技术、复合材料结构力学和数字信号处理等技术，利用太阳光能实现了复合材料的自愈伤，并结合神经网络和数字信号处理技术实现了复合材料结构的健康监测，属于一种全新的智能结构自修复与自诊断。尤其本发明提出的以太阳光作为能量补给，光固化修复剂作为物质补给的材料自愈伤解决方案，为复合材料构件更安全广泛的使用提供了一种实用性强、成本低、环保节能的有效途径。

背景技术

广泛应用于航空航天领域的复合材料由于其组分的多样性和复杂性，在制造加工成型以及使用过程中，其表面和内部不可避免的会出现各类缺陷和损伤，尤其，微裂纹损伤的产生和扩展将引起材料整体性能的下降，导致构件失效，减短材料的使用寿命，严重时则会带来灾难性的后果。

20世纪80年代末，美国和日本科学家将仿生学融入复合材料的研究中，提出了智能结构的新概念。智能结构是指从仿生学的观点设计和制造复合材料，使材料具有感知和自修复的功能。目前，具有自诊断、自修复功能的智能自修复材料已成为新材料领域的研究重点之一，自修复的核心是能量补给和物质补给，其过程由生长活性因子来完成。模仿生物体损伤愈合的原理，使得复合材料对内部或者外部损伤能够进行自修复，从而消除隐患，增强材料的机械强度，延长使用寿命。

目前，国内外在复合材料健康监测与诊断方面已开展了大量的研究工作，并取得一些成果，方法主要是在材料内埋置传感器阵列，在线诊断结构在加工、固化、成形及由于外力、疲劳等产生的变形、裂纹损伤等。然而，对于智能复合材料损伤自修复方面的研究还处于起步阶段。目前，研究使用的方法主要有：热可逆交联反应法、液芯纤维法和微胶囊法。热可逆交联反应法主要通过加热的方式来实现损伤修复，这将损害材料的其他性能，例如引起晶粒长大等，并且修复速度慢，工艺复杂，不利于智能结构的应用和发展。液芯纤维法和微胶囊法是指在智能复合材料基体中埋入包含修复剂的纤维或微胶囊，在复合材料内部形成智能型仿生自修复网络，当复合材料出现裂纹时，部分液芯纤维或微胶囊破裂，修复剂流出并渗入裂缝，使受损区域愈合以实现自修复功能。现有的文献资料所使用的修复剂均为双组分胶粘剂，设计中将修复剂和催化剂分别置于纤维(或胶囊)和复合材料基体内，在纤维(或胶囊)破裂后，要保证修复剂能接触到催化剂，则催化剂在复合材料基体中的分散密度必须足够大。因此，催化剂的使用效率很低，且较大的催化剂浓度对智能复合材料的性能也有一定影响。因此，无论是修复方法还是修复材料，都有很大的研究发展空间，存在很多问题有待解决。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的问题，本发明的目的是研制一种具有快速自愈伤和实时在线健康监测功能的智能结构。所提出的利用太阳光实现复合材料自愈伤的光修复智能结构，分别采用单组份光固化粘结剂和修复强化纤维作为光固化修复剂和修复剂载体，改变了目前使用双组份粘结剂和微胶囊进行材料损伤修补的不足，使用双组分粘结剂实现材料自修复，必须依赖于组分之间的接触和反应，这样必然降低了修复的可靠性，同时也限制了损伤的可修复区域，采用单组份光固化粘结剂不仅解决了这一问题，而且还能充分显现光固化粘结剂固化速度快，可“适时固化”的特点，使所研制的智能结构的自愈伤过程独立于控制系统，具有“自发”和“本能”的类生物体特征。

本发明同时采用正交分布的方式将光纤粘附于智能结构表面形成传感网络，用于感应和传递结构的形变和损伤信息，通过光电转换和放大电路将光信号转换为电信号，再将电信号传输给数字信号处理器，最后将经过数字滤波的信号传输给监控主机，在监控主机内通过神经网络算法实现材料结构的健康状态监测。

1、技术问题

本发明要解决的第一个技术问题是基于光修复技术的智能结构自愈伤方法的研究和实现，其中主要包括：

(1)光固化修复剂的制备

本发明提出的智能结构光修复方法，是以太阳光作为能量补给，光固化修复剂作为物质补给，因此作为修复剂的光固化粘接剂，其性能对复合材料结构自愈伤效果将产生直接的影响。为满足智能结构自愈伤的光修复要求，需要研制一种固化速度快、粘度低、与复合材料具有良好粘接强度的光固化粘结剂，为材料自愈伤提供物质补给；

(2)修复强化纤维涂层的制备与埋置