一种内嵌式磁性纤维传感器及其冲击损伤监测方法技术

本发明专利技术公开了一种内嵌式磁性纤维传感器及其冲击损伤监测方法，属于复合材料结构健康监测技术领域。本发明专利技术是以磁性纤维作为传感元件，实现复合材料冲击损伤的在线监测，包括以下步骤：S1：将磁性纤维内嵌到复合材料中，通过测量不同能量冲击下磁性纤维的电信号响应，确定损伤冲击能量阈值和电信号变化阈值，并建立损伤和电信号变化的关系；S2：在实际监测应用中，通过监测磁性纤维上的电信号响应变化反映复合材料受冲击状态，并绘制空间响应谱图。本发明专利技术提供的方法具有实时、反应迅速、实现方式简单、低成本等优点。低成本等优点。低成本等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种内嵌式磁性纤维传感器及其冲击损伤监测方法


[0001]本专利技术涉及复合材料冲击损伤在线监测，尤其涉及一种内嵌式磁性纤维传感器及其冲击损伤监测方法，属于智能材料和结构健康监测


技术介绍

[0002]复合材料凭借其高的比强度、比模量、优异的可设计性以及良好的耐蚀性等优点，已经广泛地应用于航空航天、风力发电、高铁、船舶等诸多领域。在复合材料服役过程中，不可预见地冲击损伤对复合材料结构的使用安全性威胁极大，尤其是复杂工况下的不可视的冲击损伤，导致复合材料结构性能下降，这给复合材料结构带来的潜在破坏是灾难性的。为了提高复合材料在使用时的结构安全，需对复合材料结构进行的冲击损伤监测。
[0003]目前，常用的目视或图像识别式离线检测方法，如专利CN 112763349 A申请公开的一种复合材料结构冲击损伤的监测方法，采用图像识别方式替代人眼观测，能够有效监测复合材料结构受冲击状态，但是该方法在复合材料结构件使役过程中难以实施，仅适合作为离线式的故障诊断和安全评估。在在线监测方面，基于光纤传感的冲击监测，如专利CN 102555227A申请公开的一种复合材料制件结构非干涉监测冲击威胁的方法，将光纤光栅植入到复合材料结构中，通过监测光纤光栅中光波波长的变化来识别复合材料结构件的受冲击状态，这种方法由于光纤本身的力学性能较差，使得所需的成型工艺繁冗，工业应用存活率较低，而且所需配用的调制解调设备以及信号处理方法复杂，这也增加了该方法实际应用的成本。此外，基于压电传感器的Lamb波监测，如专利CN103913722 A申请公开的一种复合材料格栅结构低速冲击定位方法，采用内植入的压电传感器并经由复杂的信号运算，实现结构的自我诊断，这种计算方法非常复杂，同时这种声波监测方式易受到外环境干扰，在复杂环境下难以识别。
[0004]因此，亟需提供一种可实现复合材料冲击损伤的在线监测方法。

技术实现思路

[0005]针对于现有技术中关于复合材料结构件冲击损伤在线监测的问题，本专利技术公开了一种内嵌式磁性纤维传感器及其冲击损伤监测方法。具体是采用内嵌式的磁性纤维传感器，利用高稳定性的电信号进行激励和测量，可实现复合材料冲击损伤的在线监测。
[0006]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种内嵌式磁性纤维传感器，包括若干根用于嵌入待监测体内部的磁性纤维丝，每根磁性纤维丝的两端均露出待监测体且分别连接有电极。
[0008]作为优选，所述磁性纤维丝为直径20
‑
200μm的钴基磁性纤维。
[0009]第二方面，本专利技术提供了一种基于上述任一所述内嵌式磁性纤维传感器的冲击损伤监测方法，具体如下：
[0010]S1：将所述内嵌式磁性纤维传感器与待监测体固定连接，得到待测结构件；随后将待测结构件中每根磁性纤维丝一端的电极通过导线与信号发生装置相连，另一端的电极通
过导线与信号采集装置相连，得到测试模块；
[0011]S2：利用若干组相同的所述测试模块，分别进行不同冲击能量E的冲击测试，得到每个测试模块中每根磁性纤维丝的电信号峰值变化量ΔR
i
(t)；进而根据电信号峰值变化量ΔR
i
(t)和对应磁性纤维丝所处的位置关系，得到理论空间响应谱图；
[0012]S3：在步骤S2的冲击测试过程中，根据采集到的电信号峰值变化量ΔR
i
(t)、冲击能量E以及待测结构件上产生的凹坑深度h和损伤面积S之间的关系，建立阈值模型，以确定所述待测结构件中冲击损伤的能量阈值E
T
以及对应的电信号峰值变化量的设定阈值ΔR
T
；
[0013]S4：在实际冲击损伤监测过程中，当所述测试模块中的待测结构件受到冲击时，根据步骤S3所得设定阈值ΔR
T
，判定测试模块中每根磁性纤维丝的电信号峰值变化量ΔR
i
(t)是否超过设定阈值ΔR
T
；若有至少一根磁性纤维丝的电信号峰值变化量ΔR
i
(t)超过设定阈值ΔR
T
，则开始预警，并根据所述测试模块中所有磁性纤维丝的电信号峰值变化量ΔR
i
(t)和所处的位置关系，得到实际空间响应谱图，并根据步骤S2得到的理论空间响应谱图，判定待测结构件受冲击的位置和能量大小，以实现对待监测体的冲击损伤监测。
[0014]作为优选，所述信号采集装置还可以连接信号处理及预警系统。
[0015]作为优选，所述步骤S3中的凹坑深度h和损伤面积S均通过冲击损伤识别设备测得。
[0016]作为优选，所述信号采集装置为示波器。
[0017]作为优选，所述内嵌式磁性纤维传感器位于待监测体厚度方向的中心偏下位置。
[0018]作为优选，所述内嵌式磁性纤维传感器是在待监测体成型过程中嵌入的，待监测体的成型工艺采用叠层热压罐成型、树脂传递模塑成型、树脂浇注成型、手糊成型或纤维缠绕成型中的一种。
[0019]作为优选，所述步骤S2采用ASTM D7136/D7136M
‑
05标准进行冲击测试。
[0020]作为优选，所述步骤S3的能量阈值E
T
根据待监测体实际使用条件的容伤能力定义，对应的冲击能量下每根磁性纤维丝中最大的电信号峰值变化量定义为ΔR
T
。
[0021]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0022]本专利技术通过将磁性纤维嵌入复合材料结构(即待监测件)中，通过监测传感器磁性纤维中的电信号响应变化来反映待监测件上受到的冲击损伤程度，并判定受冲击位置。本专利技术的优势在于内嵌入的磁性纤维尺寸小，可保证待监测件本身的完整性和力学性能不受影响；且磁性纤维抗拉强度高、柔韧好，有利于复合材料产业化的植入制造。此外，本专利技术的监测方法成本低、配用设备简易，有利于本专利技术方法的大规模应用。
附图说明
[0023]图1为基于内嵌式磁性纤维传感器的冲击损伤监测方法的原理图；
[0024]图中附图标记为：磁性纤维丝1、待监测体2、电极3、信号发生装置4、信号采集装置5、冲击物6、信号处理及预警系统7。
具体实施方式
[0025]下面将结合具体的实施例和附图，对本专利技术作进一步阐述，但并不局限于下述实施例。下述实施例仅用于说明本方法，并不用于本专利技术的保护范围。
[0026]本专利技术将磁性纤维传感材料嵌入到待监测的复合材料结构中，通过监测磁性纤维中的电信号变化并与设定阈值进行对比，根据电信号超过阈值的程度即可判定复合材料冲击损伤的情况，并可根据空间响应谱图判定冲击点位置，从而实现对复合材料冲击损伤的实时在线监测。
[0027]基于上述原理，本专利技术首先提供了一种内嵌式磁性纤维传感器，该内嵌式磁性纤维传感器主要包括多根磁性纤维丝1，每根磁性纤维丝1的两端均固定有电极3。在实际使用时，所有的磁性纤维丝1需要嵌入待监测体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种内嵌式磁性纤维传感器，其特征在于，包括若干根用于嵌入待监测体(2)内部的磁性纤维丝(1)，每根磁性纤维丝(1)的两端均露出待监测体(2)且分别连接有电极(3)。2.根据权利要求1所述的一种内嵌式磁性纤维传感器，其特征在于，所述磁性纤维丝(1)为直径20
‑
200μm的钴基磁性纤维。3.一种基于权利要求1或2所述内嵌式磁性纤维传感器的冲击损伤监测方法，其特征在于，具体如下：S1：将所述内嵌式磁性纤维传感器与待监测体(2)固定连接，得到待测结构件；随后将待测结构件中每根磁性纤维丝(1)一端的电极(3)通过导线与信号发生装置(4)相连，另一端的电极(3)通过导线与信号采集装置(5)相连，得到测试模块；S2：利用若干组相同的所述测试模块，分别进行不同冲击能量E的冲击测试，得到每个测试模块中每根磁性纤维丝(1)的电信号峰值变化量ΔR
i
(t)；进而根据电信号峰值变化量ΔR
i
(t)和对应磁性纤维丝(1)所处的位置关系，得到理论空间响应谱图；S3：在步骤S2的冲击测试过程中，根据采集到的电信号峰值变化量ΔR
i
(t)、冲击能量E以及待测结构件上产生的凹坑深度h和损伤面积S之间的关系，建立阈值模型，以确定所述待测结构件中冲击损伤的能量阈值E
T
以及对应的电信号峰值变化量的设定阈值ΔR
T
；S4：在实际冲击损伤监测过程中，当所述测试模块中的待测结构件受到冲击时，根据步骤S3所得设定阈值ΔR
T
，判定测试模块中每根磁性纤维丝(1)的电信号峰值变化量ΔR
i
(t)是否超过设定阈值ΔR

【专利技术属性】
技术研发人员：秦发祥，冯唐锋，许鹏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：