飞行器结构健康监测技术的应用研究进展

谢辉

摘要：结构健康监测技术可实现飞行器结构的状态维护，并最终为飞行器结构优化设计迭代提供依据。本文简要介绍结构健康监测的系统组成、基本原理及关键技术，介绍了目前国内外的结构健康监测技术原理，工程应用情况及存在的问题，总结了各种技术的优势与应用场合，分别从多学科交叉融合和工程应用角度讨论了面向飞行器结构的健康监测技术面临的挑战，展望了未来的发展趋势。

1、引言

结构健康监测（Structural Health Monitoring，SHM）技术通过永久分布在结构上的传感器网络，实现对结构的健康状态进行实时的、连续的、长期的评估，成为确保飞行器结构安全、易于维修并满足高性能飞行指标的创新性技术[1]。结构健康监测技术在飞行器结构设计、飞行和维修等全寿命周期中都发挥着重大作用。结构健康监测技术可以实时预报结构，特别是关键结构存在的损伤，减少安全隐患，提高飞行器的运行安全。能够对结构中存在的损伤进行定位，识别损伤种类，减少维修作业中的故障定位和故障隔离时间，提高飞行器系统的维修性。实现飞机结构健康状态的预测和关键结构剩余寿命预计，推动由定时维修向视情维修的转变，降低对保障资源的依赖和装备的维护成本。因此，开展结构健康监测技术研究对提高结构的安全性与可靠性，保证飞行器的安全服役并取得最大的经济效益具有重要意义[2]。

本文介绍了应用于飞行器结构的健康监测技术，重点综述了各项技术的研究现状、关键问题及面临的主要挑战，最后讨论了面向飞行器结构健康监测技术的发展趋势。

2、结构健康监测的系统组成与基本原理

结构健康监测系统通常由传感器网络、信号驱动与采集硬件、控制与信号处理软件三部分组成。

目前可用于结构健康监测的传感器种类很多[3-8]，包括：压电传感器、光纤光栅传感器、MEMS传感器和应变片等。在这些传感器中，压电传感器由于其灵敏度高，控制系统简单，且能同时用作主动与被动监测，从而被广泛采用。近年来，集成了压电驱动器和传感器、以Lamb波作为损伤信息传递媒介的结构健康监测技术得到国际上研究人员的高度重视，并进行了多方面研究和尝试。本文主要介绍基于压电传感器的结构健康监测技术。

根据系统功能的不同，结构健康监测可分为主动监测与被动监测两种。在被动监测时，传感器对发生在结构上的冲击所产生的应力波进行监测，通过建立系统辨识模型，根据传感器测量信号重构载荷历程（冲击位置、冲击能量等）。在主动监测时，驱动器向被监测结构输入高频激励信号，分布在驱动器周围的传感器接收结构响应信号，当结构发生变化时，传感器的测量信号发生改变，通过分析测量信号的改变，提取信号损伤特征，来监测结构内的损伤。

2.1基于应变片/光纤光栅传感器的结构应变及载荷监测方法

这类方法采用应变片或光纤光栅监测结构关键疲劳部位的应变，并通过应变反推结构载荷情况，通过大量应变监测值确定与构件疲劳载荷循环次数的对应关系，再通过疲劳载荷循环次数依据疲劳谱或损伤扩展准则预测结构件寿命。激光光源输出宽带波长光信号，单根光纤上不同位置采用特殊工艺制作有折射率周期性变化的光纤光栅，每个光栅类似一个光波长滤波器，可反射不同波长的光，每个光栅所反射的光波长不同。光栅在监测应变时，应变会改变光栅反射波长，通过测试反射波长的变化可以获知应变大小。

2.2基于智能涂层的裂纹监测方法

智能涂层裂纹传感器是一种涂覆或胶结在结构表面，由驱动层、传感层和保护层组成的一种表面裂纹监测传感器。当基体结构发生裂纹并扩展到传感器的驱动层时，传感器的传感层电阻会发生变化从而实现对裂纹的监测。这种监测方法传感器简单，但只能监测传感器覆盖部位裂纹，且大多测量有无，通常应用于孔边等应力集中区域。

2.3基于压电传感器和导波的损伤监测方法

压电器件具有正负压电效应，即可以在激励电压作用下在结构中主动激发超声导波，也可以获取经结构传递后的导波信号。在结构中传播的导波信号与结构中损伤发生作用会产生反射、散射、能量衰减、模式变化等多种信号改变，通过辨识这些变化可以直接诊断结构上不同形式的损伤。同时结构所承受的外部冲击会在结构中诱发冲击导波，这些信号可以触发压电传感器工作，对结构所受冲击进行监测。

2.4基于声发射的损伤监测方法

声发射又称为应力波发射，是材料或零部件受外力作用产生变形、断裂或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段时，以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。在外部条件作用下，材料或零部件的缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波的现象亦称声发射。声发射弹性波能反映出材料或零部件的性质，因此采用声发射传感器可以捕获声发射信号，并通过相应信号分析可以判断材料或零部件的损伤发生或扩展，这种方法也属于以往的无损检测方法。声发射监测方法主要缺点是声发射傳感器尺寸较大，同时声发射信号只在结构发生变形或断裂的时刻产生，通常信号幅值较小，易于淹没在工程结构所处的噪声环境中。

2.5真空比较监测方法

真空对比监测传感器（CVM，Comparative Vacuum Monitoring）是近年来出现的一种主要用于裂纹监测的传感器，它是一种可以粘贴在被监测结构表面的透明槽状带，其槽内被抽成真空状态，当有裂纹扩展到真空槽下时，槽内真空环境被破坏，从而实现对裂纹的监测。澳大利亚首先发明了这种传感器，但当时传感器成本较高。后来美国Sandia实验室推出了一款低成本的CVM。波音公司在商业航线中对CVM进行了测试，确认了这种方法的有效性。

2.6基于微纳振动传感器的振动监测方法

基于结构振动分析的监测方法是经典方法，其基本原理是结构中的损伤或状态变化会导致结构动力学振动参数发生相应变化，因此将观察到的结构动力参数与基准参数比较，并选择其中最有可能的变化来判断结构的真实状况。微纳振动传感器是新型的小型化传感器，这种传感器基于硅衬底，主要采用微机械加工、蚀刻和涂层技术。这种传感器重量轻，但需要单独连接。相比其他振动传感器，微纳振动传感器具有小型化特点，但该类传感器主要适用于基于振动监测的结构损伤，监测方法通常对结构的小损伤不敏感，且准确监测结构模态等信息传感器数目需要较多。

3、结束语

本文综述了面向飞行器结构的健康监测技术和方法进展，总结了各种技术的优势与应用场合，分别从多学科交叉融合和工程应用角度讨论了面向飞行器结构的健康监测技术面临的挑战，展望了未来的发展趋势。

参考文献：

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[2] 陶宝祺. 智能材料结构[M]. 北京： 国防工业出版社， 1997.

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