基于声发射技术的机械结构健康监测

寂静回声

Davide Crivelli博士是意大利米兰理工大学（Politecnico di Milano）机械工程系的机械工程师；他在Guagliano教授领导的小作里工作，所研究的课题是先进的基于信号处理技术的结构健康监测技术。众所周知，碳纤维和玻璃纤维等复合材料广泛应用于工业结构中。例如，它们在飞机上的使用，是因为它们具有非常有益的特性——如良好的刚度重量比以及良好的强度重量比。但它们损坏也是更令人担心的；我们对不同的损伤模式进行研究，但目前我们还没有那么好模型来描述它们。比如飞机，在飞机结构的维护中，以现在我们进行的所谓检查间隔为例，比方说在这里我们主要有两个缺陷尺寸需要处理（假定结构中存在着缺陷）：其中有一个小缺陷，该缺陷小到您的技术无法检测到；而另一个缺陷，根据所能参考的缺陷尺寸，会大到影响安全。然后，您会根据这两种尺寸来制定维护计划。所以你不希望有一个检测不到的缺陷，在两个维护间隔之间发生变化成为临界缺陷。

对于金属材料，已经有了非常可靠的模型，它可以很好地预测基于载荷的裂纹增长。但对于复合材料，这就变得非常不确定。以飞机为例，如果发生了外皮的轻微受损，例如发生了一只鸟或碎片的冲撞，通常从表面看不到任何问题；但内部材料可能已经发生严重损坏，会影响飞机的安全性。因此，有两种方式处理这种类型的问题：您可以增加最小可检测尺寸以使维护窗口更宽，通过使用更精确的检查技术来实现这一目标，而这些技术的成本很高；或者您可以通过使用更多的材料或更昂贵的材料来增加临界缺陷的尺寸——但是使用更多的材料会失去使用复合材料的初始好处，因为您正在添加要减少的重量。

此外，在大多数结构中，由于维护而导致的停机时间已经构成了运行中的最高成本之一，您不使用该结构，但又必须为维护支付费用。因此，我们的想法是，除了基于检查间隔的维护之外，可以根据需要进行维护——只需在需要时才检查结构。要做到这一点，需要一个系统，能够告诉您是否正在发生损害；这个损害关键与否。举例来说，在发动机振动监测中，您可以使用加速度计来告知振动水平是否已经超过某一阈值。然后，您可以告诉维护团队停止并检查该特定组件。但是，这种方法目前并不存在于材料结构中，例如飞机的皮肤和内部结构。

一个理想的结构健康监测系统将能够告诉你损伤的严重程度及其位置，以便维护团队知道检查哪里。此外，还可以提前订购备件，为结构提供更多的时间。回到飞在工程结构中，通常可能需要监测应力或应变，因此可能的选择是使用应变仪或更先进的应变传感器，如光纤棒光栅或基于光纤的传感器。这样就可以获得有关应力密封的实时信息，并且可以将未损坏的应力密封与损坏的应力密封进行比较。机示例，系统将可以向机组人员提供实时报警，如果你在起飞或飞行过程中发生了鸟类撞击，报警会告诉机组人员他们不能继续安全飞行。
然而，这种方法的一个问题是，在结构的每个时间点都需要精确的负载测量，或者您需要一个非常强大的物理模型，因为您必须处理各种可能的外部负载、噪声、损伤位置和损坏类型的组合。

最近，在复合材料中，已经提出了基于电导率以及其它电性质或磁场变化的测量的一些技术，因为这些量可以由于缺陷的存在而改变。但在目前，他们仍处于初步研究阶段，在工业环境中，你不能总是驱动电或磁场进入结构。

用于检测复合材料中的损伤的另一组方法是基于超声波的技术。它们可以是主动的或是被动的，并且它们工作得非常好，因为在实时测试中，它们具有在机械和噪声振动带之外的一系列检查。正如我所说，使用超声波信号的实时监测有主动和被动技术。其中之一是所谓的声-超声技术或称导波：您有两个传感器，一个用在结构上作为发送信号的执行器，发送的这些信号由另一个传感器负责记录。如果在对结构进行维修时执行此操作，它会提供一个基准信号，如果结构受到了损坏，那么所发出的信号将受到损伤的影响，因此可以在两个传感器上检测损坏情况。或者你可以使用被动技术，其中最常用的是声发射，耐心等待聆听来自材料发出的噪音。
声发射是基于断裂的材料。当它们受到压力时，会释放能量，并且这种能量以几种形式释放。一种形式是热，其可以通过热成像法检测；另一种形式是弹性振动，这种振动以弹性波的形式穿过材料。当这些波到达材料的表面时，您可以使用表面上的传感器记录下来。它们就像是来自缺陷的小地震。如果你知道材料的平均波速，并且通过使用更多的传感器，就可以像地震一样定位信号。用于声发射的采集系统非常简单：一个带有压电传感器的多通道采集系统，且没有其他软件。这种技术的灵敏度通常仅受衰减的限制，衰减是材料的性能所致；而对于复合材料，我们发现传感器的设置一米左右的范围是合适的；尽管必须考虑传感器和结构之间的结合，以及声发射事件可以到达传感器的路径。所以必须要考虑到整个路径或传输路径等。
声发射可用于任何材料。它不仅在使用钢铁上而且可以使用在复合材料中，前提有机会接触到表面。一个有趣的特征是，研究已经表明，正在发生的损伤类型会产生明显的影响特征，例如形状波。因此，在实践中，声发射可以告诉你有多少不同的伤害类型、哪些伤害模式是活跃的，这样就可以分别跟踪它们。所以，通过跟踪矩阵开裂或分层的演变，可以得到非常有用的系统是否健康的信息。此外，我谈到了位置。如果材料是各向同性的，则能够提供相当好的位置灵敏度，其对于钢和铝的工作效果很好，因为波速不受传播路径的影响。但在复合材料中，若想得到很高的方向性，你必须使用更先进的技术；Cardiff University已经做了很多工作，开发先进的算法来映射声发射位置。
我们一直致力于改进我们的声发射技术分类算法，我们目前正在研究一种新的有源系统的信号处理技术类别。不是声发射，而是声-超声技术，能够提供基线信号，以及当材料被损坏时根据信号变化之间的差异进行定量测量。在声发射的工业应用方面，我认为可以期望它很快在工业环境中使用，至少在测试中。目前，当运行大规模测试或认证测试时，需要停止装载和批处理，并且必须检查整个结构以搜索损坏。但是如果你有一个连续的监测系统，例如一个声发射传感器，你可以让过程运行，等待系统触发报警，然后你只需要检查系统告诉你应该检查的区域。这样，你就可以实现经费和时间的节省。■

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