CN115825563A - 一种tps阻抗智能测试***和tps结构健康监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种TPS阻抗智能测试***，属于无损检测技术领域，包括数据采集卡、压电传感器和工控机，还包括纯电阻或电容元件；压电传感器粘贴固定在TPS样件的金属底板上，与待测试验件组成耦合阻抗***；数据采集卡的输出端口正极通过导线连接压电传感器的正极，通过自带的数据线连接工控机USB端口，实现数据传输；工控机采用通用计算机；TPS阻抗智能测试***利用软件编程控制数据采集卡的信号发射和采集；工控机上设置有显示和操作界面；纯电阻或电容元件用于电路分压。本发明同时提出一种TPS结构健康监测方法，解决了现有技术无法实现地面试验过程中TPS样件健康状态原位实时监测的问题。

Description

一种TPS阻抗智能测试***和TPS结构健康监测方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种TPS阻抗智能测试***和TPS结构健康监测方法。

背景技术

热防护***(TPS)承担高超声速飞行器的主要防热功能，TPS结构具有强度低、塑性差的特点，且多采用胶粘形式连接，使得结构在飞行中气动热、振动等复杂环境下易发生断裂、脱粘损伤。有必要利用地面环境试验考核飞行器TPS结构的力学环境适应性，发现其易出现的损伤形式以改进结构设计。TPS样件在进行设计载荷下的热/振动等环境试验过程中，需要对结构的健康状态进行实时原位监测，以便及时发现结构出现的断裂、脱粘等损伤问题。

传统的无损检测手段有超声检测技术、X射线检测技术、红外检测技术、声发射技术和太赫兹技术。超声检测技术受超声波穿透能力的限制，很难在这种高孔隙率材料中传播；X射线检测技术对低原子序数材料的吸收系数较低，而且TPS材料密度低，会进一步降低缺陷特征的图像反差，难以形成明显的检测结果；红外检测技术不适用于隔热材料的损伤检测；声发射技术受环境噪声的干扰较大，且对缺陷进行定性较为困难；太赫兹技术需要测量被测样品的太赫兹光谱特性，对被测结构的位置和裸露边界要求较为苛刻，在地面热/振动尤其是热试验环境下，被测结构周围布满了加热器等工装和其他围挡防护物品，很难找到合适的太赫兹波入射角度。

目前TPS结构的可重复使用性能考核主要通过多次起落载荷谱的常温或高温振动试验进行考核，对于结构完整性评估也仅限于目视外观检查和简单的频率变化进行分析，且在试验过程中无法靠近试验样件进行外观检查和频率特征扫描。

综上，现有无损检测手段的应用均有其局限性，不能实现地面热/振动试验过程中TPS样件健康状态的原位实时监测，无法满足未来型号对于热防护***有限次数/有限寿命重复使用性能的验证与评估需求。

发明内容

本发明提供一种基于机电阻抗技术的TPS结构健康监测方法，目的是解决现有无损检测手段无法实现地面试验过程中TPS样件健康状态原位实时监测的问题。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种TPS阻抗智能测试***，包括数据采集卡、压电传感器和工控机，还包括纯电阻或电容元件；压电传感器粘贴固定在TPS样件的金属底板上，与待测试验件组成耦合阻抗***，将试验件机械阻抗转换为可测量的机电导纳信号，用于实时采集试验过程中TPS样件的机电导纳信号；数据采集卡的输出端口正极通过导线连接压电传感器的正极，数据采集卡用于输出激励电压信号并采集响应电压信号，通过自带的数据线连接工控机USB端口，实现数据传输；工控机采用通用计算机，用于图形化编程控制和数据传输显示，包括显示设备和输入设备；TPS阻抗智能测试***利用软件编程控制数据采集卡的信号发射和采集；工控机上设置有显示和操作界面，包括通道信息设置、激励信息设置、文件保存路径设置、差异指数显示和预警、导纳信号显示以及多功能操作框；通道信息设置用于选择激励通道和采集通道；激励信息设置用于设置激励信号电压和频率；差异指数显示和导纳信号显示实时显示信号变化；多功能操作框包括多处布尔按钮，用于控制测试过程中的功能开始和结束；纯电阻或电容元件用于电路分压，两端通过导线分别连接压电传感器的负极和数据采集卡的输出端口负极，形成回路，纯电阻或电容元件两端分别接入数据采集卡输入端口，实现导纳信号采集。

作为优选方案，TPS阻抗智能测试***基于NI平台，借助LabVIEW软件搭建。

作为优选方案，TPS阻抗智能测试***基于精密阻抗分析仪，借助Visual Studio软件搭建。

作为优选方案，数据采集卡的型号采用NI USB-6366。

作为优选方案，压电传感器的共振频率为247kHz。

基于相同的技术构思，本发明同时提出一种TPS结构健康监测方法，采用上述TPS阻抗智能测试***，包括如下步骤：

步骤一、根据被测TPS样件几何外形和配套工装特点进行传感器布局和引线，将压电传感器粘贴在被测TPS样件的预定位置；

步骤二、在工控机上的软件操作界面设置参数:

步骤三、在试验开始前运行TPS阻抗智能测试***，采集三组结构健康状态下的导纳信号，作为基准信号；计算三组基准信号两两之间的差异指数，取差异指数最大值的150％作为损伤阈值；

步骤四、选取一组基准信号导入软件；试验开始后启动损伤监测，***按预先设定自动采集试验过程中的机电导纳信号并计算与基准信号差异指数，与损伤阈值对比，实时判断TPS样件损伤情况；

步骤五、当损伤预警信号灯由绿色变为红色时，***判断TPS样件出现损伤，操作布尔按钮结束损伤监测；

如果损伤预警信号灯全程保持绿色，说明试验过程中TPS样件未出现损伤，待试验结束后操作布尔按钮结束损伤监测；

步骤六、结束损伤监测后，操作布尔按钮对比各阶段的导纳信号与基准信号，生成损伤监测结果报告；

至此，完成TPS结构健康监测。

作为优选方案，在工控机上的软件操作界面设置参数步骤中，设置的参数包括：

1、选择激励通道和采集通道；

2、依据TPS样件和压电传感器耦合体的固有频率设置激励信号中的起始频率和终止频率；

3、依据激励终止频率设置采样率参数；

4、依据所需的采样频率间隔设置采样数；

5、依据***中所用电阻的阻值设置电阻值参数；

6、选择文件保存路径。

作为优选方案，在工控机上的软件操作界面设置参数步骤中，设置激励信号中的起始频率小于耦合体一阶固有频率的20％，设置激励信号中的终止频率大于耦合体一阶固有频率的200％；如果耦合体一阶固有频率未知，设置起始频率和终止频率为10kHz～410kHz。

作为优选方案，设置采样率参数步骤中，设置的采样率参数大于终止频率的2.5倍，且不超过数据采集卡的单通道最大采样率。

作为优选方案，设置采样数步骤中，设置的采样数等于采样率除以采样频率间隔。

本发明所取得的有益技术效果是：

与现有技术相比，用于TPS的监测时无论材料性质、结构特点、环境噪声还是位置和边界情况都能够适应，能够实时、准确且直观地反映出TPS样件结构的健康状态，可实现地面试验过程中TPS样件结构健康状态的原位在线监测，解决了现有技术无法实现地面试验过程中TPS样件健康状态原位实时监测的问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

图1是本发明其中一种TPS阻抗智能测试***具体实施例的组成原理示意图；

图2是本发明其中一种TPS阻抗智能测试***具体实施例的前面板布局示意图；

图3是本发明其中一种TPS阻抗智能测试***具体实施例的操作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明要求保护的范围。

机电阻抗技术在固体火箭发动机健康监测上应用广泛，可有效检测复合材料壳体结构的分层和推进剂的老化监测等。机电阻抗方法是一种基于智能压电材料阻抗分析的主动结构健康监测方法，能够灵敏感知结构状态变化如断裂、脱粘等损伤引起的结构机械阻抗变化，可用于原位实时监测地面试验过程中TPS样件的微结构变化。

一种TPS阻抗智能测试***具体实施例，基于机电阻抗技术，针对地面试验过程中TPS样件健康状态原位实时监测需求构建，其原理是利用粘贴在TPS样件表面的压电传感器(piezoelectric transducer，简称PZT)进行主动激励，试验过程中当样件结构出现断裂、脱粘等损伤时，结构的机械阻抗Z_S会发生变化，其动力特性随之改变，导致表面压电传感器的机电导纳信号发生变化，通过监测和分析PZT传感器机电导纳信号的变化程度，可以判断试验过程中TPS样件结构的健康状态。

机电阻抗技术可以实时监测试验过程中结构的机电导纳信号，样件结构任何时候出现的脱粘、断裂等损伤能够即时反映在测量信号中，具有实时性和较强的直观性。

本具体实施例中TPS阻抗智能测试***基于NI平台，借助LabVIEW软件搭建，包括硬件和软件两部分。TPS阻抗智能测试***也可以基于其他满足可编程的信号激发采集功能条件的仪器来实现，如精密阻抗分析仪。软件部分也可以采用其他满足图形可视化编程功能的软件，如Visual Studio。采用其他平台或软件时，只是对接口形式和表达方式等作出适应性改动，与本具体实施例并无实质性的区别。

如图1所示，本具体实施例中TPS阻抗智能测试***的硬件部分包括数据采集卡、纯电阻R_S、压电传感器(PZT)和工控机。压电传感器采用环氧树脂胶粘贴固定在TPS样件的金属底板上，用于实时采集试验过程中TPS样件的机电导纳信号，其型号、数量和位置等具体参数根据测试需要确定。数据采集卡输出端口正极通过导线连接压电传感器的正极，纯电阻的两端通过导线分别连接压电传感器的负极和数据采集卡的输出端口负极，形成回路，再将纯电阻两端分别接入数据采集卡输入端口，实现导纳信号采集功能。数据采集卡通过自带的数据线连接工控机的USB端口，实现数据传输功能。

本具体实施例中数据采集卡的型号采用NI USB-6366，其作用是输出激励电压信号并采集响应电压信号，其型号根据输出电压范围、信号采集频率和需求激励采集通道数量选择，满足导纳信号采集要求即可。

本具体实施例中纯电阻的具体参数为22Ω，其作用是电路分压，其参数根据压电传感器阻值确定，纯电阻可以使用电容元件代替，但纯电阻分压电路具有更好的信号稳定性。。

本具体实施例中压电传感器的具体参数为共振频率247kHz，其作用是与待测试验件组成耦合阻抗***，将试验件机械阻抗转换为可测量的机电导纳信号，其参数根据待测试验件的固有频率确定。

本具体实施例中工控机为通用计算机，其作用是图形化编程控制和数据传输显示功能，包括显示设备和输入设备，根据实际情况也可以选用触摸屏或其他方式实现显示和人机交互功能，与本具体实施例并无实质性的区别。

本具体实施例中TPS阻抗智能测试***的软件部分采用LabVIEW软件程序，利用LabVIEW软件编程控制数据采集卡的信号发射和采集。

试验前对***进行预调试，根据待测结构共振特性选取合适的采样频率和采样区间，使得采集的机电导纳信号至少包含一个共振峰。设置好通道信息、激励信息和文件保存路径，试验开始前采集待测结构的机电导纳信号作为基准信号并保存，设置基准文件路径，试验开始后***实时监测试验过程中TPS样件的机电导纳信号，并与基准信号对比，实时计算与基准信号的差异指数，当差异指数超过损伤阈值时，损伤预警灯发出预警信号，达到对试验过程中TPS样件结构的健康状态进行实时评估的目的。

本具体实施例中TPS阻抗智能测试***的显示和操作界面包括通道信息设置、激励信息设置、文件保存路径设置、差异指数显示和预警、导纳信号显示以及多功能操作框。通道信息设置用于选择激励通道和采集通道；激励信息设置用于设置激励信号电压和频率；差异指数显示和导纳信号显示能够实时显示信号变化；多功能操作框包括“理论说明”、“报告生成”和“停止监测”等布尔按钮，可根据具体需要增减功能按钮。本具体实施例中TPS阻抗智能测试***的前面板布局如图2所示。

本具体实施例中TPS阻抗智能测试***的LabVIEW控制程序具体功能包括：机电导纳信号测量和监测、历史导纳信号回放和对比、差异指数计算和损伤预警、损伤监测报告生成。试验开始前进行结构健康状态的导纳基准信号测量。试验开始后监测结构当前状态的导纳信号变化并计算差异指数，试验过程中如果差异指数超过损伤阈值，信号灯立刻发出损伤预警，即刻停止损伤监测；若试验全程未发出损伤预警，试验结束后停止损伤监测。停止损伤监测后选取不同时间段的导纳信号与基准信号对比，最后生成损伤监测报告。

基于相同构思提出的一种TPS结构健康监测方法具体实施例，采用上述TPS阻抗智能测试***，进行被测TPS样件健康监测的步骤如图3所示，具体如下：

步骤一、根据被测TPS样件几何外形和配套工装特点进行传感器布局和引线，用环氧树脂胶将TPS阻抗智能测试***中的压电传感器粘贴在被测TPS样件的预定位置，根据实际需要可同时布置不超过4个传感器。

步骤二、在工控机上的软件操作界面设置如下相关参数:

1、选择激励通道和采集通道；

2、依据TPS样件和压电传感器耦合体的固有频率设置激励信号中的起始频率和终止频率，选取原则为起始频率应小于耦合体一阶固有频率的20％，终止频率应大于耦合体一阶固有频率的200％。如果耦合体一阶固有频率未知时，设置起始频率和终止频率为10kHz～410kHz；

3、依据激励终止频率设置采样率参数，设置原则为采样率参数应大于终止频率的2.5倍且不超过数据采集卡的单通道最大采样率；

4、依据所需的采样频率间隔设置采样数，设置原则为采样数等于采样率除以采样频率间隔；

5、依据***中所用电阻的阻值设置电阻值参数；

6、根据个人需求选择文件保存路径。

步骤三、在试验开始前点击软件界面的“阻抗测量”按钮运行TPS阻抗智能测试***，采集三组结构健康状态下的导纳信号，作为基准信号。计算三组基准信号两两之间的差异指数，取差异指数最大值的150％作为损伤阈值。

步骤四、选取一组基准信号导入软件。试验开始时点击软件界面的“是否监测”按钮启动损伤监测，***按预先设定自动采集试验过程中的机电导纳信号并计算与基准信号差异指数，与损伤阈值对比，实时判断TPS样件损伤情况。

步骤五、当损伤预警信号灯由绿色变为红色时，***判断TPS样件出现损伤，点击“停止监测”按钮结束损伤监测。如果损伤预警信号灯全程保持绿色，说明试验过程中TPS样件未出现损伤，待试验结束后点击“停止监测”按钮结束损伤监测。

步骤六、结束损伤监测后，根据需要点击“历史数据”按钮对比各阶段的导纳信号与基准信号，点击“报告生成”按钮生成损伤监测结果报告。

至此，完成TPS结构健康监测。

本具体实施例所取得的有益技术效果包括：

1、首次将机电阻抗方法用于热防护***结构的完整性评估，可以监测地面热/振动试验过程中TPS样件结构可能出现的断裂、脱粘等损伤；

2、将TPS样件易出现的结构损伤如断裂、脱粘等导致的结构动力特性的改变直观反映在测量的机电导纳信号中，直接通过信号峰值位置、峰值大小和波峰数量的变化定性判断结构的健康状态；

3、基于NI平台搭建的TPS阻抗智能测试***能够实时采集试验过程中TPS样件的机电导纳信号，实现地面试验过程中TPS样件结构健康状态的原位在线监测。

综上，本具体实施例所提出的技术方案与现有技术相比，用于TPS的监测时无论材料性质、结构特点、环境噪声还是位置和边界情况都能够适应，能够实时、准确且直观地反映出TPS样件结构的健康状态，可实现地面试验过程中TPS样件结构健康状态的原位在线监测，解决了现有技术存在的问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。

Claims (10)

1.一种TPS阻抗智能测试***，其特征在于，包括数据采集卡、压电传感器和工控机，还包括纯电阻或电容元件；

所述压电传感器粘贴固定在TPS样件的金属底板上，与待测试验件组成耦合阻抗***，将试验件机械阻抗转换为可测量的机电导纳信号，用于实时采集试验过程中TPS样件的机电导纳信号；

所述数据采集卡的输出端口正极通过导线连接压电传感器的正极，数据采集卡用于输出激励电压信号并采集响应电压信号，通过自带的数据线连接工控机USB端口，实现数据传输；

所述工控机采用通用计算机，用于图形化编程控制和数据传输显示，包括显示设备和输入设备；所述TPS阻抗智能测试***利用软件编程控制数据采集卡的信号发射和采集；所述工控机上设置有显示和操作界面，包括通道信息设置、激励信息设置、文件保存路径设置、差异指数显示和预警、导纳信号显示以及多功能操作框；通道信息设置用于选择激励通道和采集通道；激励信息设置用于设置激励信号电压和频率；差异指数显示和导纳信号显示实时显示信号变化；多功能操作框包括多处布尔按钮，用于控制测试过程中的功能开始和结束；

所述纯电阻或电容元件用于电路分压，两端通过导线分别连接压电传感器的负极和数据采集卡的输出端口负极，形成回路，纯电阻或电容元件两端分别接入数据采集卡输入端口，实现导纳信号采集。

2.根据权利要求1所述的TPS阻抗智能测试***，其特征在于，所述TPS阻抗智能测试***基于NI平台，借助LabVIEW软件搭建。

3.根据权利要求1所述的TPS阻抗智能测试***，其特征在于，所述TPS阻抗智能测试***基于精密阻抗分析仪，借助Visual Studio软件搭建。

4.根据权利要求2或3所述的TPS阻抗智能测试***，其特征在于，所述数据采集卡的型号采用NIUSB-6366。

5.根据权利要求2或3所述的TPS阻抗智能测试***，其特征在于，所述压电传感器的共振频率为247kHz。

6.一种TPS结构健康监测方法，其特征在于，采用权利要求1～5其中任意一项TPS阻抗智能测试***，包括如下步骤：

步骤一、根据被测TPS样件几何外形和配套工装特点进行传感器布局和引线，将压电传感器粘贴在被测TPS样件的预定位置；

步骤二、在工控机上的软件操作界面设置参数:

步骤三、在试验开始前运行TPS阻抗智能测试***，采集三组结构健康状态下的导纳信号，作为基准信号；计算三组基准信号两两之间的差异指数，取差异指数最大值的150％作为损伤阈值；

步骤四、选取一组基准信号导入软件；试验开始后启动损伤监测，***按预先设定自动采集试验过程中的机电导纳信号并计算与基准信号差异指数，与损伤阈值对比，实时判断TPS样件损伤情况；

步骤五、当损伤预警信号灯由绿色变为红色时，***判断TPS样件出现损伤，操作布尔按钮结束损伤监测；

如果损伤预警信号灯全程保持绿色，说明试验过程中TPS样件未出现损伤，待试验结束后操作布尔按钮结束损伤监测；

步骤六、结束损伤监测后，操作布尔按钮对比各阶段的导纳信号与基准信号，生成损伤监测结果报告；

至此，完成TPS结构健康监测。

7.根据权利要求6所述的TPS结构健康监测方法，其特征在于，所述在工控机上的软件操作界面设置参数步骤中，设置的参数包括：

1、选择激励通道和采集通道；

2、依据TPS样件和压电传感器耦合体的固有频率设置激励信号中的起始频率和终止频率；

3、依据激励终止频率设置采样率参数；

4、依据所需的采样频率间隔设置采样数；

5、依据***中所用电阻的阻值设置电阻值参数；

6、选择文件保存路径。

8.根据权利要求7所述的TPS结构健康监测方法，其特征在于，所述在工控机上的软件操作界面设置参数步骤中，设置激励信号中的起始频率小于耦合体一阶固有频率的20％，设置激励信号中的终止频率大于耦合体一阶固有频率的200％；如果耦合体一阶固有频率未知，设置起始频率和终止频率为10kHz～410kHz。

9.根据权利要求7所述的TPS结构健康监测方法，其特征在于，所述设置采样率参数步骤中，设置的采样率参数大于终止频率的2.5倍，且不超过数据采集卡的单通道最大采样率。

10.根据权利要求7所述的TPS结构健康监测方法，其特征在于，所述设置采样数步骤中，设置的采样数等于采样率除以采样频率间隔。

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