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2020-03-13 作者:优德亚洲w88官方网站   |   浏览(72)

[据美国《陆军技术》2017年11月17日报道] 美国陆军研究人员已经开发了一系列新型网络化声发射传感器,用于检测飞机在服役期间可能发生的机身损伤。美国陆军研究实验室和美国陆军航空和导弹研发与工程中心的研究人员已在UH-60“黑鹰”直升机上测试了这种新型传感器。 近两年来,美国陆军研究实验室一直在进行旋翼直升机机身正常监测方案的可行性研究。由于未来飞机的机体结构要求更轻、更安全和超可靠,因此,为了满足此要求,陆军必须采取一种综合措施,即利用先进的结构设计方法、改进的结构材料、综合损伤传感和风险预测能力。 传感网络包括几个封装在3D打印的非侵入式传感器底座上的轻型传感器。该传感器可以分布在多个区域,从而最大限度地增加覆盖范围和损伤检测的可能性。使用声发射传感技术,可以在飞机发生基体开裂和分层等结构损伤的情况下,对机组人员进行及时预警。美国陆军披露,这种无损监测方案能够在飞机结构遭受灾难性破坏之前很久监测到损伤。目前该技术的新颖之处是,在网络化声发射传感器中引入了用于恢复损伤相关信息的波采集控制和信号处理的新概念。

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近日,来自美国海军研究实验室光学科学部与材料科学部的研究人员合作,成功地使用分布式反馈光纤激光声发射传感器检测出了铆接搭接接头中裂纹产生的声发射信号。 利用光纤激光声发射传感器对铆接搭接接头进行缺陷检测:该图显示了左上方搭接接头中铆钉之间裂缝的萌生和生长现象。光纤激光传感器安装在检测结构上,测量由裂纹缺陷所产生的声发射信号,相关软件将其记录为声事件。一个典型的数据记录如右下图所示。从图中可以发现,当缺陷生长时,AE event振幅将会大大增加。图片来源:美国海军研究实验室。 “我们研究了一种现场结构健康监测自动化系统,它能有效监控结构的关键参数,例如温度、内应力、冲击以及裂纹缺陷等;并且能在结构损伤情况达到临界水平之前可靠地将其检测出来,以增加结构安全性和信息反馈速度,同时降低海军平台的操作成本”,来自光学科学部的物理学家Geoffrey Cranch博士说道:“目前,还没有一个美国军种使用原位技术来管理设备结构健康”。为了实现这一目标,最关键的是需要一种能够近乎实时检测出与裂纹等缺陷的出现和增长相关的声发射信号的传感器。并且,这类传感器必须比现有的大多数电子产品更小、更轻、易于操控,敏感度相当或有所提高。最终目的就是要使得这些组件的系统占用空间小,且可靠性高。 由美国海军研究办公室材料科学部提供部分研究资金,NRL正在研制一种激光传感器,它的宽度约为人类头发丝那样的宽度。在测试过程中,研究人员在一组铝铆接件中安装了分布式的反馈光纤激光声发射传感器,并测量了两个小时加速疲劳试验中产生的一个0.5MHz带宽的声发射信号,同时利用一个等同的电传感器进行测量。 这种嵌入式的传感器可以用于解决铆接件周期性“微动磨损”的声事件以及检测来自裂纹的声发射信息。对搭接处的延时成像,将可以使观测到的断裂与测量的信号之间建立起关联。 除了裂纹检测,这种光纤激光传感器还能够有效检测冲击损害影响,此外,该传感器还具有能够与现有光纤应变和温度传感系统进行集成的潜力。这为满足现场结构健康监测体系的操作安全要求提供了一种多参数传感能力,值得一提的是,这还将显着降低整体的成本费用。 “我们的研究团队已经证明了这种光纤激光传感技术能够在模拟疲劳环境中检测到裂纹产生的超声波声发射信号的能力”,Cranch说道:“这项研究的新颖之处主要在于光纤激光传感技术以及它的应用方式等”。 从裂纹等缺陷中产生的声信号还可以通过采用压电式传感器进行测量,并且这项技术还促进了现有的故障预测工作。然而,压电传感技术由于其设备体积较大且分布式监测能力有限,因此在许多方面中并不具有太大的实用性。 Cranch强调这项技术将有可能应用在除军事领域以外的许多方面。“我们的研究及应用重点是海军等国防方面,例如飞机、舰船和潜艇等。如果一些桥梁或者建筑物结构中含有易受疲劳和失效影响的关键部件,那么该技术同样可以用于对这些结构进行连续监测”。 目前,还没有其它的本征型光纤传感器能够与光纤激光声发射传感器在实验室中测试所达到的性能相匹敌。与一些现有的电传感技术相比,光纤激光传感器已经被证明具有相当的甚至更高的声发射信号敏感性。该系统已经可以将多个光纤激光传感器集成到一束光纤中。目前,该研究小组正在进行的工作主要为理解并解释这些声发射数据以计算出一些有用的指标参数。未来的改进方向则主要集中在实现相控阵波束形成技术,以有效确定裂纹等缺陷的具体位置方面。

美陆军研究实验室和美陆军航空与导弹研究、开发及工程中心的研究人员成功开发测试了一种声发射传感器网络,可实时检测UH-60黑鹰直升机机身结构受损情况。这项发现为新的机载功能提供可能,就机身开裂和分层等结构破损情况立即向机组人员发出警报,使其在灾难性故障发生前有更多机会采取维修措施。

开发过程

ARL致力于研究旋翼机机身状态监测的替代方案。这项工作大约从两年前开始,为将实时受损感知方法在未来机身结构上集成提供强有力的证明。这种方法可准确检测和定位机身可能受损的起始与发展。美陆军工程师海勒博士表示,陆军今后的飞机结构要更轻、更安全且稳定。为了实现这些目标,陆军必须采取先进的结构设计方法、改良结构材料、集成受损感知与风险预测能力的综合性策略。

工作原理与机制

因超声波和射线照相等方法需要定向波形式的外部能源,且外部能量会干扰飞机其他系统产生不利影响,这些方法在检测机身早期受损情况方面不如声发射手段,团队将目光转向声发射测试。声发射传感是一种检测早期损伤的无源性非破坏性技术,可以实时检测到受损情况。无源是指它不需要外部能量,而是依赖结构内产生的能量。

该项工作的创新之处在于引入新的波采集控制和信号处理概念来恢复声发射传感器网络中的机体受损信息。研究人员发现,传感网络在超过20万个周期的长时间疲劳测试中始终对损伤情况进行识别和定位这是以前从未实现的壮举。ARL开发的传感网络由几个轻型传感器组成,封装在3D打印的非侵入式传感器安装座上,以最佳方式分布在多个位置,使检测的覆盖范围和可能性最大化。数据采集过程嵌入一个软件控制定时参数来抑制非受损事件产生的其他波反射。同时,信号处理算法增加了一层自适应数字滤波器,使定位分析期间信号失真的影响最小化。

ARL车辆技术局主任雷迪克与海勒等研究室其他同事共同阐述了在复杂旋翼机结构中,使用分布式传感器架构进行全面受损检测的详细机制。技术核心是开发信号失真控制参数、采集定时控制和3D打印传感器容器。

背景和需求

由于定期检查与维护造成的停机时间是陆军平台寿命周期成本的主要部分,这段时间内不仅没有使用平台,还必须支付检查费用,且多数情况下,并未检测出受损迹象,因此提出了整合可靠的受损传感网络、按需维护的概念。目前,陆军依照阶段性定期维护惯例来维持机队运行。这个过程效率低下、成本高昂且需要长时间停机。新开发的传感网络将展开基于状态的维护或按需维护,有可能大幅降低陆军车辆的寿命周期成本。

挑战

ARL研究人员称,大规模的声发射监测是一个数据密集型过程,每次飞行每个传感器都将接受数百万次AE波的撞击,这会给数据采集硬件的内部总线和电路带来更高的负荷。一般而言,大部分撞击都与结构受损无关,而是与来自运动部件的噪声或其他非受损源的振动有关,已经接收和处理的AE波反射也会产生不需要的AE波撞击。因此这项工作的挑战在于开发一种只对机身受损情况相关的AE波敏感的系统。

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