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原文传递一种基于导电聚合物涂层阵列的结构健康监测系统

专利名称：	一种基于导电聚合物涂层阵列的结构健康监测系统
摘要：	本发明提供一种基于导电聚合物涂层阵列的结构健康监测系统，包括基体结构、导电涂层单元、导电涂层阵列、连线节点、导线、电信号采集及处理子系统、损伤识别及定位子系统、损伤评估及预警子系统和维护决策及状态信息记录子系统；该导电涂层阵列通过连线节点与导线相连；导线连接在电信号采集及处理子系统上；电信号采集及处理子系统与损伤识别及定位子系统进行信息传递；损伤识别及定位子系统与损伤评估及预警子系统进行信息传递；损伤评估及预警子系统与维护决策及状态信息记录子系统进行信息传递；本发明有效地提高关键重要装备的安全性和可靠性，避免事故发生，同时具有重量轻、集成度高、成本低的优点，具有非常广阔的应用前景。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	北京航数车辆数据研究所有限公司
发明人：	李立军;孙凌玉;孙正嘉;周于曦;周于晨
专利状态：	有效
发布日期：	2019-01-01T00:00:00+0800
申请号：	CN201810635133.4
公开号：	CN108896617A
代理机构：	北京慧泉知识产权代理有限公司 11232
代理人：	王顺荣;唐爱华
分类号：	G01N27/04(2006.01)I;G;G01;G01N;G01N27;G01N27/04
申请人地址：	100062 北京市东城区崇文门外大街3号7层南办713
主权项：	1.一种基于导电聚合物涂层阵列的结构健康监测系统，其特征在于：该系统包括基体结构、导电涂层单元、导电涂层阵列、连线节点、导线、电信号采集及处理子系统、损伤识别及定位子系统、损伤评估及预警子系统和维护决策及状态信息记录子系统；它们之间的关系是：该基体结构与由多个导电涂层单元构成的导电涂层阵列紧密结合；导电涂层阵列通过连线节点与导线相连；导线连接在电信号采集及处理子系统上；电信号采集及处理子系统与损伤识别及定位子系统进行信息传递；损伤识别及定位子系统与损伤评估及预警子系统进行信息传递；损伤评估及预警子系统与维护决策及状态信息记录子系统进行信息传递；所述基体结构为被监测的部件，金属材料及非金属材料结构都能作为被监测结构，尤其适用于树脂基纤维增强复合材料结构的内部损伤和微裂纹的监测；其形状为板类、梁类以及圆壳类结构；在该基体结构表面制备导电涂层之前，需要对该基体结构进行预处理，如进行除油、清洗，然后先在该基体结构表面喷涂一层不导电的底漆，底漆材料为环氧树脂、醇酸树脂、氨基树脂和酚醛树脂高分子类材料，起到保护该基体结构和绝缘的作用；所述导电涂层单元为聚合物基体的导电涂层，其形状为方形、菱形和圆形，优选方形；通过在环氧树脂、聚脲、聚氨酯诸聚合物基体中添加多壁碳纳米管、炭黑和石墨烯诸导电性优异的碳系填料，优选多壁碳纳米管；通过力‑电耦合有限元仿真分析，确定导电性和力学性能双优的添加量和填料的单体尺寸参数即长径比和直径；首先将碳系填料与涂料基体即不导电的底漆，如环氧树脂混合并搅拌均匀，然后使用超声波振动分散和三辊碾轧分散的方法使碳系填料进一步分散均匀，优选三辊碾轧分散法，辊间间距为5微米，循环次数为20次，加入固化剂，获得导电聚合物涂料，喷涂及手工涂覆于基体结构表面，也能使用喷墨打印方式印刷于基体结构表面；所述导电涂层阵列是由预定个规则形状的导电涂层单元组成，通过喷涂及喷墨打印方式中的一种方式制备于该基体结构表面；该导电涂层单元之间通过接触实现电路导通，不需要导线，仅在导电涂层阵列的端部设置导线；该导电涂层阵列的形式，根据样件动态冲击和静态拉压弯荷载的试验结果，选择损伤与该导电涂层电阻变化间对应关系明确，电阻变化灵敏度高的方案；所述连线节点为导电涂层阵列端部的导电点，通过喷涂及喷墨打印方式中的一种方式制备于该基体结构表面，用于连接导线和导电涂层阵列；所述导线为导电性良好的市购导线，优选带有屏蔽层的铜质导线；所述电信号采集及处理子系统采用单片机控制定期巡检的方式或者实时在线的方式，为恒定电压测电流，及恒定电流测电压的采集方式，系统中配有信号滤波降噪模块，主要作用是导电涂层阵列的电信号采集与处理；该电信号采集及处理子系统是由电阻元件、信号放大器、电路板、STM32单片机、数据存储模块和USB接口模块组成；该电阻元件、信号放大器、STM32单片机、数据存储模块和USB接口模块集成安装于电路板之上；该电阻元件为市购件，具体型号根据导电涂层的总面积而定，其功能是测量电压或电流的变化；该信号放大器为市购件，具体型号根据实际应用环境的信号噪声情况而定，其功能是电信号放大和滤波降噪；该电路板为自制件，采用覆铜板制作，其功能是固定元器件和连通线路；该STM32单片机为市购件，具体型号根据被监测的结构大小而定，其功能是数据处理和计算，内部嵌入电信号采集及处理程序，是电信号采集及处理子系统的控制器；该数据存储模块为市购件，具体型号根据实际存储数据量大小而定，其功能是存储导电涂层阵列的电信号数据；该USB接口模块为市购件，具体型号根据数据传输率而定，其功能是电信号采集及处理子系统的数据读取；所述损伤识别及定位子系统采用基于BP神经网络理论和遗传算法诸人工智能算法与有限元反演相结合的方法来判断量化损伤和确定损伤位置，并具有误差分析功能，损伤识别及定位子系统的数据来源于电信号采集及处理子系统，通讯方式为有线连接，也采用无线通讯，优选基于IEEE802.15.4标准的紫蜂即ZigBee无线通讯方式；该损伤识别及定位子系统是由电路板、STM32单片机、数据存储模块、USB接口模块和数据通信模块组成；该STM32单片机、数据存储模块、USB接口模块和数据通信模块集成安装于电路板之上；该电路板为自制件，采用覆铜板制作，其功能是固定元器件和连通线路；该STM32单片机为市购件，具体型号根据被监测的结构大小而定，其功能是数据处理和计算，内部嵌入损伤识别及定位程序，是损伤识别及定位子系统的控制器；该数据存储模块为市购件，具体型号根据实际存储数据量大小而定，其功能是存储结构损伤的数据；该USB接口模块为市购件，具体型号根据数据传输率而定，其功能是损伤识别及定位子系统的数据读取；该数据通信模块为市购件，具体型号根据损伤识别及定位子系统的通讯方式而定，其功能是损伤识别及定位子系统与损伤评估及预警子系统之间的数据传输；所述损伤评估及预警子系统根据损伤识别及定位子系统提供的信息进行损伤评估，评估的依据来源于实验测试数据和有限元仿真结果，对损伤进行评级，设定预警门槛值，超过门槛值时，发出预警信息；数据通讯方式为有线连接，也采用无线通讯，优选基于IEEE802.15.4标准的紫蜂即ZigBee无线通讯方式；该损伤评估及预警子系统是由电路板、STM32单片机、数据存储模块、USB接口模块和数据通信模块组成；该STM32单片机、数据存储模块、USB接口模块和数据通信模块集成安装于电路板之上；该电路板为自制件，采用覆铜板制作，其功能是固定元器件和连通线路；该STM32单片机为市购件，具体型号根据被监测的结构大小而定，其功能是数据处理和计算，内部嵌入损伤评估及预警程序，是损伤评估及预警子系统的控制器；该数据存储模块为市购件，具体型号根据实际存储数据量大小而定，其功能是存储结构损伤评估的数据；该USB接口模块为市购件，具体型号根据数据传输率而定，其功能是损伤评估及预警子系统的数据读取；该数据通信模块为市购件，具体型号根据损伤评估及预警子系统的通讯方式而定，其功能是损伤评估及预警子系统与维护决策及状态信息记录子系统之间的数据传输；所述维护决策及状态信息记录子系统根据损伤评估及预警子系统的损伤评级，决定维护策略，并记录损伤状态信息，为装备的升级和结构优化设计提供数据；该维护决策及状态信息记录子系统是由数据存储模块、USB接口模块和电路板组成；该USB接口模块和数据通信模块集成安装于电路板之上；该电路板为自制件，采用覆铜板制作，其功能是固定元器件和连通线路；该数据存储模块为市购件，具体型号根据实际存储数据量大小而定，其功能是存储维护决策及状态信息记录子系统的数据；该USB接口模块为市购件，具体型号根据数据传输率而定，其功能是维护决策及状态信息记录子系统的数据读取。
所属类别：	发明专利