科创中国

一、成果简介

基于压电传感器和导波的主动结构健康监测技术具有灵敏度高、监测区域范围大、不依赖于监测对象的力学模型、既适用于复合材料结构也适用于金属材料结构等优点，是众多结构健康监测技术中最具应用前景的技术之一，也是国内外研究重点。基于导波的被动式结构健康监测技术的工作原理是通过获取由于结构遭受撞击产生的冲击响应信号，结合响应的冲击处理与诊断方法，实现冲击源位置、能量及时间历史的诊断与评估。

为实现被动式结构健康监测技术的工程应用，项目组在国家自然基金杰出青年基金/重点项目/面上项目、国家863等国家级重要项目的资助下，研制了系列被动式集成结构健康监测系统并形成产品，包括集成小型化冲击监测系统和微型化数字式冲击区域监测仪。系统可实现金属结构和复合材料结构的冲击在线实时监测与评估。其中，微型化数字式冲击区域监测仪是现有结构健康监测系统中，有关被动式冲击监测系统的颠覆性产品，属世界首创。整套系统集压电传感器阵列密通道冲击响应信号获取、冲击响应信号处理与冲击分析诊断于一体，可配接大规模压电传感器阵列实现大面积、多部位的结构冲击的在线实时监测。

二、创新点

    1.首创离散小波去噪与特征数字序列辨识结合的冲击信号数字化处理方法，实现了压电传感器阵列密通道冲击响应信号的微型化、低功耗处理与解析。

2.提出了基于能量加权因子的结构冲击区域定位方法，实现了基于低功耗冲击数字序列的冲击区域准确定位。

3.提出了数字式冲击监测系统组网时的冲击辨识冲突消解方法，实现了大规模监测网络、多结构部位的冲击监测组网。

三、主要技术指标

1.集成小型化冲击监测系统：

（1）系统硬件技术指标

系统通道数：支持32个压电传感器通道，单端输入；

信号输入耦合方式：直流耦合；

输入阻抗：1MΩ；

信号输入范围：-10V~+10V；

信号采集分辨率：16 Bit；

采样频率：10kHz至100kHz多级可调；

板载缓存：17 MB数据存储单元；

硬件工作模式：支持触发模式和实时模式。

（2）系统软件技术指标

支持连续在线实时撞击监测；

支持撞击事件发生提示；

支持对撞击载荷、位置的估计和显示；

支持对传感器位置、通道的灵活配置；

支持对撞击能量撞击水平低、中、高的监测；

具备撞击历程数据库查询功能。

支持快速冲击监测工作模式，快速方便实现冲击数据采集；

支持按任务管理的结构冲击监测工作模式，实现结构可视化、冲击区域定位和组网监测；

支持用户对监测过程中产生的所有文件进行统一查询和管理等。

支持数据导出功能，导出数据格式为MAT、TXT和XLS。

2.微型化数字式冲击区域监测仪：

（1）系统硬件技术指标

单个监测设备支持16路压电传感器；

系统配备压电传感器网络进行冲击监测；

系统通讯方式为通用总线；

监测设备采用了小型化设计，尺寸仅为50×50×20mm；

监测设备还进行了低功耗相关设计，正常工作时功率小于50mW；

设备稳定可靠，抗干扰能力强，多设备可协同组网监测。

（2）系统软件技术指标

系统软件具有可视化的软件界面；

能够实时显示冲击区域定位结果；

可随时查询监测历史数据；

提供数据读取与回放功能；

提供对系统硬件模块的联合检查；

支持按任务管理的结构冲击监测工作模式，实现结构可视化、冲击区域定位和组网监测；

支持用户对监测过程中产生的所有文件进行统一查看和管理等。

四、知识产权及获奖

本项目组一直致力于导波结构健康监测技术的研究工作，已开展了20余年的研究。获部级科学技术发明二等奖。目前，项目组已拥有近20项与被动式结构健康监测系统相关的国家发明专利及软件著作权，主要包括：

1.袁慎芳，张炳良，邱雷等，一种大型航空结构实时冲击监测仪及方法，专利号：ZL 201110057547.1；

2.袁慎芳，刘沛沛，邱雷等，一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统，专利号：ZL 201110192185.7；

3.邱雷，袁慎芳，梅寒飞等，基于数字序列阵列二维特征的冲击能量等级判别方法，专利号：ZL201310375307.5；

4.袁慎芳，梅寒飞，任元强等，数字式无线冲击监测系统组网时的冲击辨识冲突消解方法，专利号：ZL201310374168.4；

5.袁慎芳，任元强，邱雷等，基于能量加权因子的复合材料结构冲击区域定位方法，专利号：ZL201410455126.8；

6.邱雷，袁慎芳，钱伟峰等，基于数字序列和时间反转的结构冲击区域图像报警方法，专利号：ZL201310048298.9；

7.邱雷，袁慎芳，钱伟峰，一种复合材料结构冲击监测数字序列的两级降噪方法，专利号：ZL 201210355986；

8.袁慎芳，苏永振，邱雷等，基于多重信号分类算法的冲击载荷定位方法，专利号：ZL 201010199273.5；

9.邱雷，袁慎芳，刘彬，基于二维线阵和空间滤波器的结构冲击无波速定位方法，专利号：ZL201310251434.4；

10.袁慎芳、邱雷、任元强，机载数字式冲击区域监测仪应用软件，著作权登记号：2012SR079768。

11.袁慎芳、邱雷、钱伟峰，机载数字式冲击区域监测仪主控软件，著作权登记号：2012SR079775。

五、应用领域及市场前景

基于压电传感器和导波的主动结构健康监测技术具有灵敏度高、监测区域范围大、不依赖于监测对象的力学模型、既适用于复合材料结构也适用于金属材料结构等优点，在航空航天、土木、高速铁路、热化工、核能等领域具有广阔的应用前景。

项目组研制的被动式集成结构健康监测系统先后被成都飞机设计研究所、中国商飞、中国飞机强度研究所、中国试飞院、中国特种设备研究院、北京航空航天大学、温州大学、沈阳航空航天大学等单位购买和应用。同时，项目组所研制的系统也在国外产生了良好的影响，目前已经与Airbus和瑞士SRTechnics建立了合作关系，正在SR Technics开展本系统在Airbus主要机型上的功能演示验证。