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基于FBG传感器的飞行器结构健康监测系统研究

2019/1/29        作者:顾钧元  徐廷学  余仁波  陈海建      
关键字:结构健康监测  传感器  光纤光栅  
介绍了结构健康监测技术的发展及其应用状况, 在此基础上建立了飞行器结构健康监测系统的开放式体系结构, 研究了 FBG 传感器应用于飞行器结构健康监测系统的相关问题, 最后分析了结构健康监测技术未来的发展趋势。

1 结构健康监测的发展及研究概况

    结构健康监测技术起源于1954年,最初目的是进行结构的载荷监测。随着结构设计日益向大型化、复杂化和智能化发展,结构健康监测技术的内容逐渐丰富起来,不再是单纯的载荷监测,而是向结构损伤检测、损伤定位、结构剩余寿命监测,乃至结构损伤的自动修复等方面发展。

    1979年,NASA启动了一项智能蒙皮计划,弗吉尼亚理工学院及州立大学的Claus等人首次将光纤传感器埋入在碳纤维增强复合材料蒙皮中,使材料具有感知应力和判断损伤的能力,这是世界上第一次关于结构健康监测系统的初步尝试,当时称这种材料系统为光纤机敏结构与蒙皮。1995年,白宫科技政策办公室和美国国家关键技术评审组将智能材料与结构技术列入“国家关键技术报告”中。1997年,智能结构被列为“基础研究计划”的6项战略研究任务之一。

    在航空领域,美国军方和政府部门的多项研究计划中都采用了结构健康监测技术。例如,在USAF的资助下,美国针对F-18、F-22、JSF等飞行器,进行了结构健康监测技术的应用基础研究。美国诺斯罗普·格鲁门公司利用压电传感器及光纤传感器,监测具有隔断的F-18机翼结构的损伤及应变;欧洲联合研制的Eurofight2000新型战机也采用了先进的结构健康监测技术进行了飞行载荷的监测。在民用航空领域,波音公司计划在新型飞机波音7E7上探索采用结构健康监测技术探测结构裂纹,此前他们已经在Delta767飞机上进行了湿度监测研究。空客公司也积极开展这一领域的研究,以探索结构健康监测新技术在新机型,如A380飞机上的应用。

    在航天领域,洛克希德·马丁公司将Bragg光纤光栅传感网络用于X-33箱体结构件的应力和温度准分布监测。此外,DALTAⅡ火箭的复合材料火箭发动机箱采用了基于光纤传感器网络的结构健康监测系统。德国宇航研究院是欧洲从事这一研究的主要机构,目前正从事植入光纤的自诊断智能结构,用于可重复使用运载器的损伤探测和评估。

    在舰艇方面,美国海军的光纤传感器健康监测主要研究了一套光纤传感器系统,用于监测美国海军舰艇推进系统中装配的水润滑轴承中疲劳裂纹及船体的结构应变。美国马里兰大学也参加了该项目的研究,传感器主要采用Bragg光纤光栅传感器,他们为此项目研制了高速解调设备,可以3kHz的频率同时监测160个光栅传感器。

    在土木工程领域,美国20世纪80年代中后期就开始在多座桥梁上布设监测传感器,监测环境荷载、结构振动和局部应力状态,用以验证设计假定、监视施工质量和实时评定服役安全状态。1989年,美国Brown大学的Mendez等人首先提出把光纤传感器用于混凝土结构的健康监测。此后,结构健康监测技术在土木工程结构中的应用就成为一个研究的热点。应用的对象包括桥梁、水坝、高层建筑、公路等。美国仅1995年,就投资1.44亿美元,在90座大坝上配备了安全监测设备。由于结构健康监测系统的成本较高,结构健康监测技术在土木工程中主要应用于大型桥梁,但在一些经济发达地区,如美国、加拿大、日本、德国等,结构健康监测的应用已经扩展到高层建筑、大型复杂结构、重要历史建筑的监测。

    结构健康监测在我国,目前主要在一些重要的大跨桥梁上使用,如香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥,上海徐浦大桥以及江阴长江大桥。此外,在大坝安全综合评判与决策的研究和应用方面,国内学者提出并开发了建立在“一机四库”(推理机、数据库、知识库、方法库和图库)基础上的大坝安全综合评价专家系统,应用模式识别和模糊评判,通过综合推理机,对四库进行综合调用,将定量分析和定性分析结合起来,实现对大坝安全状态的在线实时分析和综合评价。此系统已应用于丹江口、古田溪三级大坝和龙羊峡大坝的安全分析。

2 结构健康监测的系统框架设计

    由美国波音公司牵头,来自工业制造、军事、商业制造、传感器技术以及科研院所等其它10多个组织机构制定了开放式基于状态的维修(The Open System Architecture for Condition Based Maintenance, OSA-CBM),OSA-CBM 涵盖了SHM系统的设计思想及应用方法。因此,本文借鉴OSA-CBM的体系结构,设计了SHM系统的通用框架体系,如图1所示。

飞行器结构健康监测框架体系结构

图 1 飞行器结构健康监测框架体系结构

    由图1可看出,结构健康监测系统由数据采集与传输、信号处理、系统识别、损伤识别、状态评估、预测、决策推理及接口8个子系统组成。

    1 )数据采集与传输子系统:利用各种无源和智能传感器采集结构的相关参数信息,作为SHM系统的数据基础。该部分主要包括各类数据的采集、存储和传送的硬件系统。

    2 )数据信号处理子系统:接收来自传感器的信号和数据,并将数据处理成后继工作所需的格式,输出为经过过滤和压缩简化后的传感器数据、频谱数据以及其他特征数据。该部分主要包括各类数字信号的处理,如A/D转换及数字滤波去噪等,以便为系统识别和损伤识别准备充分的数字信息。

    3 )系统识别子系统:通过计算机模拟仿真计算,结合有限元模态分析,识别出结构系统的静动力特性参数,即系统特征识别。

    4 )损伤识别子系统:通过一定的分析技术,对已获得的数据进行处理,与结构系统特征联合,应用各种有效的手段识别结构损伤,完成损伤预警、损伤定位及损伤定量分析。

    5 )结构健康状态评估子系统:接收来自前面模块的数据,把损伤结果与专家经验相结合,评估被监测系统(也可以是分系统、部件等)的健康状态(如是否有退化现象等),分析结构的强度储备,评估结构的可靠度。

    6 )预测子系统:综合利用前面各部分的数据信息,对被监测系统进行状态评估并预测未来的健康状态,包括剩余寿命预测等。

    7 )决策推理子系统:接受来自状态评估和预测子系统的数据,主要作用是给出所建议的活动和可选方案。

    8 )接口:主要包括人-机接口和机-机接口。人-机接口包括状态监测模块的警告信息显示以及健康评估、预测等模块的数据信息的表示等;机-机接口使得上述各模块之间以及SHM系统同其他系统之间的数据信息可以进行传递。整个结构健康监测系统就像一个医生,对飞行器结构健康状态进行诊断。首先对系统输入荷载能量,激励结构体系产生响应,并通过各种传感器对结构响应进行监测;得到测试数据后,先完成数据处理,再结合数值模拟的先验知识对结构进行诊断,分析结构可能发生的损伤;最后对结构的健康状态进行评估,确定维修保养策略。

3 FBG传感器在飞行器结构健康监测系统中的应用

    从目前的发展来看,用于结构健康监测的硬件设施越来越先进,高性能的智能传感器元件和信号采集设备越来越多地在工程中得到应用。光纤传感器具有重量轻、可在同一根光纤上实现多点测量、抗电磁干扰、耐腐蚀、易于埋入结构等优点,逐渐成为飞行器结构健康监测系统优先选用的传感器。

    3.1 FBG传感器简介

    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内,外界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。

    光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器采用波长调制方式,抗干扰能力强;集传感与传输于一体,复用能力强,易于构成传感网络。测量信号不受光纤弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和测量仪器老化等因素的影响,避免了干涉型光纤传感器的相位测量模糊不清等问题,而且能实现长期绝对测量,动态范围大,线性度好,比普通的光纤传感器更具优势。这些优势使光纤光栅传感器被认为是飞行器结构健康监测中最有前途的传感器之一。

    3.2 FBG传感器在飞行器结构中的集成方法

    根据对象与系统设计要求的不同,FBG传感器在结构中的集成通常有两种形式:表面粘贴式和埋入式。对于金属结构,通常的方法是将传感器粘贴在结构表面。对于复合材料结构,可以在生产制造过程中将传感器埋入飞行器结构中。传感器与结构材料集成后,由于传感器材料同结构材料的性能差异,包括力学性能、机械性能、电学性能、热性能等多种性能差异,常常会对结构性能或传感器性能造成相互影响,这是进行结构集成时所必须考虑的问题。一般单模光纤的纤芯/包层直径为9/125μm,多模光纤为50/125μm,加上外部的涂覆保护层,光纤的总直径为250μm。而复合材料中典型的增强纤维,如碳纤维、玻璃纤维等直径为10μm。因此,相对而言,光纤显得太粗,埋入复合材料后会在光纤周围形成树脂富集区,复合材料受到外力作用时,在树脂富集区将发生应力集中,应力值可能比均匀复合区高出一个数量级,容易造成复合材料强度下降。

    除光纤直径外,光纤在复合材料中相对于增强纤维的走向以及埋入深度,对复合材料强度及监测灵敏度有明显影响。这种影响同时又与光纤直径、涂覆层材料、复合材料基体和被测参数等多种因素有关。

    3.3 FBG传感器在结构中优化布置

    FBG传感器的优化布置决定了能否获得飞行器结构的整体信息和局部信息,也决定了测试数据对结构损伤变化的敏感性。如何安排有限数量的传感器实现对结构状态改变信息的最优采集,是飞行器结构健康监测的关键技术之一。较早研究传感器的最优布置问题是在航天领域和大型机械结构的动态控制和系统识别中。最为人熟知的方法是Kammar提出的有效独立法,即EI法,它是基于每个传感器布点对所监测模态的线性无关的贡献,通过迭代使得初始测点迅速减少到可行的数目。Guyan模型缩减法也是一种常用的测点选择方法,通过刚度或质量子矩阵构成的转换矩阵,可以把那些对模态反应起主要作用的自由度保留下来作为测点的位置。Udwadia基于Fisher信息阵提出了一种适合线性和非线性系统的传感器最优布置的快速算法。还有一些基于遗传算法和退火算法的优化测点方法等。

4 结构健康监测的发展趋势

    结构健康监测技术的研究经历了几十年的发展,已取得了长足的发展,尤其在监测方面,今后的发展趋势主要有以下几个方面。

    1 )高精度、宽频带、无线化、低功耗、小尺寸的智能传感元件。

    2 )鲁棒性强、实时性高、灵敏度高的结构状态特征参数提取技术。

    3 )新的损伤控制方法的研究。

    4 )进一步加快针对典型工程结构中的应用研究。

    随着研究的深入,一些新的研究方向也是今后的发展趋势。

    分布式结构健康监测的实现技术是需要着重强调的一个重要方向。目前针对智能材料的研究,基本都在尺寸较小的试件上,在实验室进行,研究中所采用的器件数量大都较少,需要决策的目标相对简单,所需信号信息处理的运算量不大,需要传输的信息也较少,一些管理和协调的功能基本还不需要。作为一些原理性研究,这些方法是可行的。但对于实际航空航天飞行器结构,由于其具有大型化、可靠性要求高的特点,加之可能工作在高速、高温等复杂环境下,结构健康监测技术在应用时的情况就要复杂、困难得多。特别是结构的大型化使得结构监测所需要的传感器件的数目、所需决策对象的复杂性大大增加,随之带来的是结构健康监测网络的复杂程度,用于信号信息处理的运算量,需要通信、传输的信息量,系统各部分之间的管理、协调需求及监测网络所需消耗的能量等的急剧增加。这些问题如不能加以解决,结构健康监测技术就不可能真正得到较好的应用。要解决上述问题,涉及到分布式结构健康监测技术的研究,具体包括分布式传感网络的实现、信号处理器件的微型化技术。这些研究在国际上都还处于初步探索阶段。

    结构健康监控智能结构的规范化、模块化,便于应用的设计制造技术及智能结构自身的质量评定技术也是逐渐得到重视的一个研究方向。现阶段主要采用分立的传感元件,以手工设置的方式制作,将功能元件埋入或粘贴在结构表面,一致性和规范性严重不足的缺点,很大程度上影响了结构健康监控技术的实用性。

    另外采用智能结构技术实现的结构健康监测系统在设计制作完成后,其自身的质量评定技术及在使用过程中自身的损伤和失效研究也是该技术真正实用化的基础,这方面的研究也越来越受到重视。

5 结语

    结构健康监测技术作为一个新兴的领域,将在不久的将来迎来巨大的发展机遇。FBG传感技术与传统的结构健康监测技术相比,技术优势明显,有着广泛的应用前景,随着该技术的不断成熟以及低价位的FBG解调设备的开发与应用,其总体成本将会逐步降低,不远的将来一定会在飞行器结构健康监测领域发挥更加重要的作用。

责任编辑:邓忠帅
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