[发明专利]一种基于PVD的金属结构疲劳损伤监测传感元及其应用

说明书

技术领域

本发明属于监测传感领域，涉及一种传感元，具体涉及一种基于PVD(物理气相沉积)的金属结构疲劳损伤监测传感元及其应用。

背景技术

金属结构疲劳损伤监测一直是现代结构健康监控的重点与难点。一方面，金属是最为常见的主承力件，因金属结构疲劳损伤引发的灾难性事故(特别是飞行事故)不胜枚举；另一方面，金属结构的制造环境(高温)、工作环境(高承载、高应力、振动、磨损、腐蚀、电磁环境、温差等)均比较严酷，现有的损伤传感器与金属结构的一体化集成程度比较低，环境适应性亟待提高。

结构疲劳损伤监测传感器是实现结构疲劳损伤监测的核心功能器件，目前主要有以下几类：

(1)应变片

应变片技术历史悠久，它的基本原理是利用应变片因变形而产生的微小电阻变化来测量应变，目前仍是国外飞机结构损伤监控的主流。在F-18,F-22,F-35等飞机结构关键部位上都布置了应变片，其中F-22使用飞机上共有1400个部位布置了应变片，其主要目的是获得疲劳关键部位上的局部应力—应变谱，进而通过疲劳计算给出飞机监控部位的损伤累计情况，以此达到对损伤监控的目的。

应变监控问题在于应变片对应力场的感受具有较强的方向性，在结构件受力复杂情况下，预先粘贴应变片很难准确定位，同时应变片自身的寿命短(国内一般为两年)，难以与飞机结构的翻修间隔同寿，而且还容易损坏，不易修复。

(2)超声传感器

超声传感器是利用声波从物体结构外部穿入结构内部,不破坏地检测结构内部状态的无损检测技术。它是通过对接收到的穿过物体的声波进行分析，从而探测出物体结构内有无损伤或缺陷。目前该方法被大量地应用于静止结构构件的安全性检测,如板梁、罐、桶等的疲劳裂纹检测。

超声传感器通常难以对旋转机械结构进行损伤检测,也不易实施在线自动监测。

(3)光纤传感器

光纤传感器的基本原理是将光源的光输入光纤，并经光纤传输至调制区，在调制区内，外界的被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位等发生变化而形成被调制的信号光，再经光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

将光纤传感器应用于实际金属结构健康监测,还有许多问题有待进一步研究,例如：光纤传感同被监测结构的集成问题；光纤传感器的优化布置问题；对于寿命较长的金属结构而言,光纤传感器的可靠性问题。

(4)压电传感器

压电智能夹层(PZT SMART Layer)是利用改进的柔性印刷电路技术，把一个分布式压电传感器/驱动器网络预先复合到一片绝缘载体膜上形成薄层,把智能夹层嵌入到结构内部，即可对结构工作时进行实时、在线的监测。目前压电自诊断系统用于结构的健康监测已成为智能材料与结构研究的一个重要方向。

压电传感器存在的问题是脆性较大且极限应变小,不宜大面积使用。

(5)声发射传感器

声发射是一种常见的物理现象，绝大多数金属和非金属材料变形和断裂等过程都有声发射发生，因此，声发射诊断几乎可以不受材料的限制,对裂纹的萌生和扩展进行动态监测。

声发射传感器只能在结构受载和动态情况下进行检测,并需要专门的声发射检测仪。此外，声发射传感器输出的信号十分微弱,环境、连接点处的反射、发射源的性质、弹性波在材料内部及边界的传播、结构尺寸、变送器(传感器)的特性以及检测仪器的性能都会对检测结果产生影响，而且如何使声发射监测系统所用到的传感器在恶劣工况下可靠、耐久地工作同样是一个有待解决的难题。

(6)涡流传感器

涡流传感器的基本原理是涡流与被检件的相互关系。具有检测速度快、可不与试件直接接触、无需耦合剂等优点。涡流检测按激励方式和检测原理的不同可以分为单频涡流、多频涡流、脉冲涡流、远场涡流等。

涡流传感器存在的问题是：由于提离效应等因素，监测信息容易受到干扰，从而产生虚警信息。

(7)其它新兴监测传感器

近年来，人们通过将多种损伤监测技术融合或是引入其它学科的相关技术(特别是表面工程技术)，又发展了一些新的疲劳损伤监测传感器。

澳大利亚结构监测系统(SMS)公司开发了相对真空传感器(CVM-Comparative Vacuum Monitoring sensor),已用在空客A380和巴基斯坦空军的FT-5教练机、幻影Ⅲ战斗机和C-130运输机上，该传感器的主要问题是不能承载。