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CN111551269B - 一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统 - Google Patents

一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，包括多个形状记忆聚合物屈曲梁杆件组件、信号处理和结构健康状态异常报警平台，形状记忆聚合物屈曲梁杆件组件包括外框约束、形状记忆聚合物杆件和电信号生成元件，电信号生成元件包括压电材料层，信号处理和结构健康状态异常报警平台与压电材料层电连接。本发明的形状记忆聚合物结构健康检测系统无需外接电源驱动、装置稳定性和可靠性高、具有很好的可编辑性，能够基于不同项目和结构的需求进行针对性的设计调整，借助形状记忆材料温度变化响应作为结构健康温度监测的实现方法，结合特定杆件组结构，可解决结构健康监测的高可靠性、耐久性要求等行业难题。

Description

一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统
技术领域
本发明属于结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统。
背景技术
在工程实际中，结构物往往在极端工作条件下承受多种耦合荷载，功能性失效破坏时有发生，因此针对结构物健康状况的分析监测对于保证其正常服役具有重要意义。尤其是当外界环境发生变化时（如环境温度变化），结构物通常承受局部或整体形变，对其安全性造成不可预测的影响。由于温度应变对结构安全性和耐久性具有显著的影响，结构物温度健康监测已经成为结构健康监测领域不可忽视的重要环节。现有的温度健康监测技术，通常利用温度传感器晶振频率随温度变化的材料特性实现其功能，但是需要外部电源的持续供给，而且装置的抗干扰和耐久性能存在较大的不足，不能长时间满足高安全可靠性结构的健康监测需求。
形状记忆聚合物是一种智能材料，它暴露于外界环境中时，会在如热、光、超声波、化学物质等多种环境因素的刺激下，产生不同的形变，其优点在于对温度变化能够实现即时响应，且这种响应具有可编辑性。基于形状记忆聚合物材料具有的在特定温度下发生热激发记忆变形的材料性质，将形状记忆聚合物材料应用在结构健康监测技术中，利用形状记忆聚合物材料变形的动能及势能经压电材料层转化为电信号，实现对结构温度异常变化的监测及预警。
与现有技术相比，本发明的形状记忆聚合物结构健康检测方法无需外接电源驱动、装置稳定性和可靠性高、具有很好的可编辑性，能够基于不同结构设计和工程应用的需求进行有针对性的设计调整，借助形状记忆材料温度变化响应作为结构健康温度监测的实现方法，结合特定杆件组结构，可解决结构健康监测的高可靠性、耐久性要求等行业难题。与现有技术相比，形状记忆聚合物结构健康检测系统将低频的环境温度变化转变为变频梁的高频屈曲响应，有效激发压电材料层产生监测电流，从而反演出环境温度变化。与现有技术相比，形状记忆聚合物结构健康检测系统利用多种材料和几何尺寸设计形成监测单元组合体，不同组合体之间通过柔性材料排线的链接实现柔性结构的设计，可以实现特定结构设计的要求，同时适应复杂多样的结构健康监测需求，大大提升该设计的实用性。
发明内容
针对现有结构健康监测方案存在的问题，本发明提出一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统。
所述的一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，其特征在于包括多个形状记忆聚合物屈曲梁杆件组件、信号处理和结构健康状态异常报警平台，形状记忆聚合物屈曲梁杆件组件包括外框约束、设置于外框约束内的形状记忆聚合物杆件和设置于形状记忆聚合物杆件上的电信号生成元件，电信号生成元件包括外覆于形状记忆聚合物杆件表面的压电材料层，信号处理和结构健康状态异常报警平台与压电材料层电连接。
所述的一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，其特征在于信号处理和结构健康状态异常报警平台上设有模数转换器、微控制器、报警闪光灯。
所述的一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，其特征在于形状记忆聚合物杆件随温度变化会产生相应的变形。
所述的一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，其特征在于形状记忆聚合物杆件在发生温度变形后，能在外框约束的作用下受到轴向压力而发生屈曲,成为形状记忆聚合物屈曲梁。
所述的一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，其特征在于形状记忆聚合物屈曲梁可以随着温度继续变化发生后屈曲，成为形状记忆聚合物后屈曲梁。
所述的一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，其特征在于压电材料层外覆于形状记忆聚合物杆件的两侧，且其长度覆盖形状记忆聚合物杆件发生后屈曲变化时接触到外框约束的各个位置。
所述的一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，其特征在于电信号生成元件还包括与压电材料层配合连接的导线，导线与信号处理和结构健康状态异常报警平台连接。
所述的一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，其特征在于电信号生成元件将形状记忆聚合物杆件发生屈曲和后屈曲变化释放的动能转化为电信号并传递至信号处理和结构健康状态异常报警平台。
本发明的形状记忆聚合物结构健康检测系统无需外接电源驱动、装置稳定性和可靠性高、具有很好的可编辑性，能够基于不同项目和结构的需求进行针对性的设计调整，借助形状记忆材料温度变化响应作为结构健康温度监测的实现方法，结合特定杆件组结构，可解决结构健康监测的高可靠性、耐久性要求等行业难题。此技术将低频的温度变化转变为高频的屈曲响应，利用变频梁的形变激发压电材料层产生电流，达到监测的目的；此外利用多种形状记忆聚合物材料和采用不同的几何参数的梁形成组合体，不同组合体之间通过柔性材料的链接实现柔性结构的设计，可以实现特定结构设计的要求，同时适应复杂多样的结构健康监测需求，大大提升该设计的实用性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中的形状记忆聚合物屈曲梁杆件组件非屈曲状态结构示意图；
图3为本发明中的形状记忆聚合物屈曲梁杆件非屈曲状态主视图；
图4为本发明中的形状记忆聚合物屈曲梁杆件屈曲状态结构示意图；
图5为本发明中的形状记忆聚合物屈曲梁杆件后屈曲状态结构示意图；
图中：形状记忆聚合物屈曲梁杆件组件1；电信号生成元件2；信号处理和结构健康状态异常报警平台3；形状记忆聚合物杆件4；形状记忆聚合物屈曲杆件401、形状记忆聚合物后屈曲杆件402、外框约束5；压电材料层6；导线7；模数转换器8；8051微控制器9；报警闪光灯10；柔性排线11。
具体实施方式
如图所示，一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，包括形状记忆聚合物屈曲梁杆件组件1、电信号生成元件2、信号处理和结构健康状态异常报警平台3。所述形状记忆聚合物屈曲梁杆件组件1包括外框约束5和设置于外框约束5内的形状记忆聚合物杆件4，外框约束5为方框形结构，形状记忆聚合物杆件4的两端与外框约束5内侧相固定。电信号生成元件2由压电材料层6和与压电材料层6配合连接的导线7构成，结构健康状态异常报警平台3与电线7连接。
进一步的，所述信号处理和结构健康状态异常报警平台3上设有模数转换器8、微控制器9、报警闪光灯10、柔性排线11，柔性排线11与电线7连接。（补充模数转换器8、微控制器9、报警闪光灯10、压电材料层6之间的电路结构）
进一步的，所述的形状记忆聚合物杆件4随温度变化会产生相应的变形，外框约束5随温度变化产生的变形很小。
进一步的，所述的形状记忆聚合物杆件4在发生温度变形后，能在外框约束5的作用下受到轴向压力而发生屈曲,成为形状记忆聚合物屈曲梁401，形状记忆聚合物屈曲梁401带有一个曲线波。
进一步的，所述的形状记忆聚合物屈曲梁401可以随着温度继续变化发生后屈曲，成为形状记忆聚合物后屈曲梁402，形状记忆聚合物后屈曲梁402带有三个曲线波。
进一步的，所述的电信号生成元件2的功能是将形状记忆聚合物杆件4发生屈曲和后屈曲变化时的释放的动能转化为电信号并传递。
进一步的，所述的电信号生成元件2中运用压电材料层6实现动能向电信号的转化。
进一步的，压电材料层6附在形状记忆聚合物杆件4的两侧，且其长度应该覆盖形状记忆聚合物杆件4发生后屈曲变化时接触到外框约束5的各个位置。
进一步的，所述形状记忆聚合物屈曲梁杆件组件1、电信号生成元件2不需要外接供电。
本发明的电路连接结构为：电信号生成元件2电连接模数转换器8，模数转换器8电连接微控制器9，微控制器9电连接报警闪光灯10。
以图2所示为例解释该结构健康监测技术装置的使用过程，考虑到由于外框约束5的存在，杆件的首尾距离D保持不变，而形状记忆聚合物杆件4的长度L却会随着温度变化，当结构温度发生变化时，相当于杆件两端产生了位移量（其大小
Figure DEST_PATH_IMAGE002
）。根据以位移量
Figure DEST_PATH_IMAGE004
控制的梁屈曲行为理论，可以预测梁发生各阶屈曲及后屈曲行为时的位移量，通过设计形状记忆聚合物杆件4的形状记忆行为，可以使得形状记忆聚合物杆件4能在达到给定的某一温度时发生后屈曲跳跃，进而使压电材料层6产生电信号，并经由信号处理和结构健康状态异常报警平台3触发结构健康状态异常报警。
通过改变外框约束5的几何尺寸以及形状记忆聚合物杆件4的形状记忆行为，可以使得形状压电材料层6在不同的临界温度下产生电信号，以满足实际工程结构的需要。由于单一屈曲梁可在多个位移量下发生屈曲阶级的变化，因此可以对应的监测多个临界温度。此外，通过杆件组合形成形状记忆聚合物屈曲梁杆件组件1的方式，还可以更大程度地丰富临界温度监测形式。
以图3、图4和图5所示为例解释形状记忆聚合物杆件4由非屈曲状态随着温度改变，转变为屈曲状态及后屈曲状态的过程。在初始状态下，形状记忆聚合物杆件4的长度L与外框约束5的内侧长度D相等，形状记忆聚合物杆件4不发生屈曲；随着温度的变化，形状记忆聚合物杆件4的长度L增大，在外框约束5的作用下，形状记忆聚合物杆件4发生屈曲；随着温度的继续变化，形状记忆聚合物杆件4的长度L继续增大，在外框约束5的作用下，形状记忆聚合物杆件4发生后屈曲。
图1解释说明了形状记忆聚合物结构可以实现多种柔性的设计要求，通过柔性材料连接各组合体，可以实现多种结构的健康监测的需求，各组合体产生的电信号通过结构内部连接，最终从一点导出，通过导线传导至外界接收装置。
需要说明的是，使用时，本发明的记忆聚合物屈曲梁杆件组件1直接埋在工程结构中，便于感测环境温度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，其特征在于包括多个形状记忆聚合物屈曲梁杆件组件（1）、信号处理和结构健康状态异常报警平台（3），形状记忆聚合物屈曲梁杆件组件（1）包括外框约束（5）、设置于外框约束（5）内的形状记忆聚合物杆件（4）和设置于形状记忆聚合物杆件（4）上的电信号生成元件（2），电信号生成元件（2）包括外覆于形状记忆聚合物杆件（4）表面的压电材料层（6），信号处理和结构健康状态异常报警平台（3）与压电材料层（6）电连接，形状记忆聚合物杆件（4）随温度变化会产生相应的变形，形状记忆聚合物杆件（4）在发生温度变形后，能在外框约束（5）的作用下受到轴向压力而发生屈曲,成为形状记忆聚合物屈曲梁（401），形状记忆聚合物屈曲梁（401）随着温度继续变化发生后屈曲，成为形状记忆聚合物后屈曲梁（402）。
2.如权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，其特征在于信号处理和结构健康状态异常报警平台（3）上设有模数转换器（8）、微控制器（9）、报警闪光灯（10）。
3.如权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，其特征在于压电材料层（6）外覆于形状记忆聚合物杆件（4）的两侧，且其长度覆盖形状记忆聚合物杆件（4）发生后屈曲变化时接触到外框约束（5）的各个位置。
4.如权利要求1-3中任一所述的一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，其特征在于电信号生成元件（2）还包括与压电材料层（6）配合连接的导线（7），导线（7）与信号处理和结构健康状态异常报警平台（3）连接。
5.如权利要求4所述的一种基于形状记忆聚合物的结构健康监测系统，其特征在于电信号生成元件（2）将形状记忆聚合物杆件（4）发生屈曲和后屈曲变化释放的动能转化为电信号并传递至信号处理和结构健康状态异常报警平台（3）。
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