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，是众多主动结构健康监测技术中最具应用前景的技术之一，是国内外研究重点。导波主动结构健康监测技术的工作原理是通过辨识结构损伤对导波信号及其特征的改变来实现结构损伤的诊断与评估。

为实现导波主动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，研制了系列导波集成主控结构健康监测系统并形成产品，包括工控型、便携型、机载小型化型。系统可实现金属结构和复合材料结构的损伤监测及分析评估，是世界上首套全集成式系统。整套系统集高频高功率导波主动激励、高速低噪声导波信号采集、压电传感器阵列多通道轮询扫查、结构状态信号分析、损伤特征参数提取及评估等多种功能于一体，可配接大规模压电传感器阵列实现大面积、多部位的结构主动健康监测扫查，能够在线或者离线的提供结构健康状态的变化信息，是一款既适合工业现场应用又适合科学研究的高度集成化的结构健康监测系统。

二、创新点

    1.发明了高频电压-电流组合放大提升的小型化程控宽带功率放大器设计方法，首创总线插卡式压电小型化宽带功率放大器，实现了任意激励信号功率放大，采用该功率放大方法后，压电驱动器所激励导波的传播距离较常规方法提高了5-7倍，监测区域面积增大10倍以上。

2.研制了总线插卡式低噪声高带宽的程控增益电荷放大器，实现了多通道高速导波信号调理的小型化集成，在极大抑制微弱导波信号噪声的情况下，实现了高速导波信号的高增益可程控放大。

3.采用最小回路面积和浮空端子低阻态的组合设计方法，解决了导波激励-响应通道串扰大导致前段调理电路饱和问题，使得导波激励功率和导波响应调理放大倍数得到极大提升。

4.提出了导波主动系统的高稳定性总线集成方法，解决了导波主动系统的小型化和集成化难题，并研制了导波集成主控结构健康监测系统软件，最终实现了整套导波主控结构健康监测系统的集成。

    5.发展了系列结构损伤的导波波动成像方法，包括：概率路径成像、延迟-累加成像、时间反转聚焦成像、空间滤波器成像和多重信号分类成像；发展了系列导波损伤因子提取算法。实现了结构损伤的准确诊断与评估。

三、主要技术指标

1. 系统硬件技术指标：

（1）高速导波激励主要性能参数

l  支持任意波形主动激励信号；

l  激励信号长度可达50000个数据点，垂直精度14位；

l  最大输出电压可达±70V，激励功率最大可达24W；

l  工作带宽10kHz~700kHz。

（2）高速导波响应主要性能参数

l  高速低噪声信号调理，增益程控，放大倍数多级可调；

l  采样率1MHz~60MHz连续可调，12位采样精度；

l  信号输入量程最大可达±15V。

（3）导波监测网络通道扫查主要性能参数

l  支持64~128个压电传感器；

l  多通道快速扫查，且支持变频扫查；

l  高速低串扰扫查，扫查速率小于0.5s/通道。

2. 系统软件技术指标：

（1）系统软件基本性能参数

l  传感器网络管理：支持用户自定义的各种传感器网络形式；

l  激励信号产生：输出正弦调制波激励及用户自定义激励；输出激励信号的幅值和频率在硬件功能范围内多级可调；

l  多通道轮询扫查：支持64~128个压电传感器组成的激励-传感通道的快速稳定、低串扰扫查；

l  多通道变频率扫查：在多通道轮询扫查的同时，支持每个通道的变频扫查；

l  硬件联合自检：提供对系统各硬件控制状态和功能状态的联合检查以及传感器网络自检；

l  数据输出形式：多种标准数据输出形式，包括matlab，excel，text。

（2）信号处理性能参数

l  信号处理：支持软件滤波、频谱分析、小波分析、黄氏变换；

l  信号特征参数提取：支持对信号幅值、峰峰值、飞行时间、能量、中心频率的提取。

（3）损伤诊断性能参数

l  采集信号回放及对比：回放监测信号，对比健康、损伤信号，差信号提取；

l  损伤因子：提供多种损伤因子实时计算工具箱；

l  损伤成像：路径成像和延迟-累加成像等。

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项与导波主控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，邱雷，余振华等，多通道集成压电扫查结构健康监测系统， 专利号：ZL 200610161689.1；

2.袁慎芳，邱雷，张炳良等，嵌入式飞机主被动结构健康监测系统，专利号：ZL 200910184440.6；

3.邱雷，袁慎芳，董晨华，压电小型化宽带功率放大器，专利号：ZL 200910028347.6；

4.邱雷，袁慎芳，王昊等，应用于结构健康监测的宽带Lamb波激励信号产生器，专利号：ZL 201110075005.7；

5.袁慎芳，邱雷，基于计算机系统总线的程控增益电荷放大器，专利号：ZL 200610161688.7；

6.袁慎芳，邱雷，董晨华，基于计算机总线的可程控功率放大器，专利号：ZL 200910024567.1，授权日期：2011/3/30。

7.邱雷，袁慎芳，张炳良，低串扰、快速和主被动兼容型压电通道切换系统及实现方法，专利号：ZL201010214117.1；

8.邱雷，袁慎芳，刘彬等，基于多维阵列和空间滤波器的损伤无波速成像定位方法，专利号：ZL201310221994.5；

9.袁慎芳，王强，邱雷等，一种工程结构损伤主动监测中Lamb波时间反转聚焦方法，专利号：ZL200710133882.9；

10.袁慎芳、邱雷、刘沛沛，主被动结构健康监测系统软件，著作权登记号：2011SR012204。11.袁慎芳、邱雷、张炳良，集成压电传感阵列多通道扫查系统软件，著作权登记号：2010SR028963。

12.袁慎芳、邱雷、鲍峤，机载压电结构健康监测集成扫查系统主控软件，著作权登记号：2012SR079772。

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。

项目组研制的导波集成主控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SR Technics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。