[发明专利]起重装备裂纹Lamb波在线监测系统与方法

说明书

本发明为起重装备提供了一种起重装备裂纹Lamb波在线监测的系统，该系统为起重装备裂纹在线监测提供了手段，使得损伤定量化结果更为准确，包括压电柔性传感模块化阵列、多路转换开关、硬件激励/采集模块和系统软件。该起重装备裂纹Lamb波在线监测系统具有传感器安装方便、布线简单、系统主机小巧轻便、功耗低等优点，适用范围更广，结构扫查速度更快，为起重设备的的安全运行提供技术支撑。本发明还公开了一种起重装备裂纹Lamb波在线监测的方法。

技术领域

本发明涉及一种压电柔性传感模块化阵列，用于实时监测机械结构疲劳裂纹演化。本发明还涉及一种包含上述压电柔性传感模块化阵列的起重装备裂纹Lamb波在线监测系统和基于所述起重装备裂纹Lamb波在线监测系统的在线监测方法。

背景技术

起重装备作为大型特种设备，广泛应用于装备制造、港口运输、冶金电力和建筑等国民经济至关重要的行业。起重装备在服役期间长期承受大载荷交变应力，在空气、雨水和海水腐蚀作用下，极易产生裂纹，且由裂纹缺陷导致的安全事故屡见不鲜。同时，现役的许多起重装备已进入设计使用寿命的后期，甚至一部分已经超龄服役，其金属结构上已存在微观或宏观裂纹，这些起重装备均存在潜在的安全风险。

工程中常规的无损检测方法，诸如：渗透检测、磁粉检测、射线检测、超声波检测、涡流检测、声发射检测等均可用于起重装备裂纹的检测和定位，但这些检测方法也均有其独特的应用领域和局限性。例如，磁粉检测受磁粉粒度的限制，只能检测具有一定开口宽度的表面裂纹；涡流检测方法只能检测表面和近表面裂纹，对深埋裂纹不敏感；X射线检测对象通常是体积型的损伤；超声回波检测需对结构进行扫查，检测效率低，且在检测闭合裂纹时可靠性不高。另外，传统无损检测手段在起重装备的裂纹检测应用中存在检测周期长,仪器设备安装不方便等问题，往往需要停产停工,花费大量人力财力。

Lamb波是一种在板类结构中传播的超声导波。当传播的Lamb波遇到损伤时，会发生反射、散射、模式变换以及能量吸收等效应，从而引起Lamb波传感信号的变化。Lamb波具有传播衰减小、检测范围广、对板类结构中的裂纹等小损伤敏感等优点。国内研究机构开发了基于Lamb波的集成主控结构健康监测系统，该系统具有激励信号的输出、传感信号的采集、多传感器通道轮询扫查、损伤监测等多种功能，可实现大尺度结构件的主动结构健康监测技术的研究和实验。

现有的基于Lamb波的结构健康监测系统具有体积大、重量较重、功耗大等缺点，适用于科研及实验研究，不适于在实际工况下对起重装备裂纹进行长期在线监测。

现有系统一般采用压电晶片作为传感器，采用多个压电传感器组成网络，实现对损伤的监测。安装时对多个压电晶片进行逐个粘贴、独立连线，这种方法在起重装备裂纹监测时存在以下问题：a)逐个粘贴的方式难以保证各个传感器性能的一致，其稳定性、电气特性以及使用寿命等方面难以控制；b)每个传感器需要2根引线，且传感器工作在高频状态下，必须使用屏蔽线。其结果是多个传感器的引线较多，重量较大；c)每个传感器单独粘贴，分别布线，压电传感器的布置效率低。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明利用Lamb波技术实现起重装备裂纹的实时在线监测，并开发起重装备裂纹Lamb波在线监测系统。

本发明提供一种压电柔性传感模块化阵列，包括压电柔性传感模块化阵列包括接插件、印制线路、压电晶片和聚酰亚胺薄膜，接插件焊接在所述聚酰亚胺薄膜印制电路板顶端的预留位置处，所述印制线路通过印刷电路板的方式印制在所述聚酰亚胺薄膜上；所述压电晶片通过高性能的导电胶，粘贴于所述聚酰亚胺薄膜的预留位置处，所述压电晶片依次排列，使所述压电晶片的正、负极和所述印制线路的一端连接；所述接插件与所述印制线路的另一端连接，考虑到起重装备现场环境的复杂性，分别在所述聚酰亚胺薄膜的上下两侧粘接用于防水和防腐蚀的轻薄柔性材料。

一种起重装备裂纹Lamb波在线监测的系统，包括前述的压电柔性传感模块化阵列、多路转换开关、硬件激励/采集模块和系统软件。