基于声发射技术飞机关键部件健康监测方法
袁慎芳航空结构健康监测专家
袁慎芳航空结构健康监测专家袁慎芳【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2015(000)018【总页数】2页(P30-31)【作者】袁慎芳【作者单位】南京航空航天大学【正文语种】中文:您在智能材料结构和航空结构健康监测方面从事了20多年的研究，请简要谈谈目前您在该领域的研究情况。
袁慎芳：南航团队自20世纪90年代初就在陶宝祺院士带领下在国内率先开展了智能材料结构研究，本人研究主要集中在航空结构健康监测与预测方面，开展了3方面的研究。
首先是复杂航空结构损伤的波动成像方法。
真实航空结构形式复杂、载荷复杂、早期损伤诊断难，缺乏工程应用系统。
针对上述问题，我们发现了基于声学互易原理的结构弹性波频散补偿效应，建立了弹性波时间反转合成机制，实现了结构损伤信号的聚焦增强，同时提出了多种结构损伤的概率成像方法，实现了飞机碳纤维复合材料机翼盒段上直径1.5cm的分层损伤的高分辨率成像; 针对型号应用，团队研发了便于实际结构布置的大尺寸柔性压电传感器阵列网络及世界上首套集成压电结构健康监测扫查系统，并形成系列；针对机载在线应用，创造性地提出了基于离散数字序列辨识的冲击区域和能量辨识方法，成功研制了微小型复合材料冲击区域监测仪，重量仅52g。
目前成果已在先进战机、大型民机及直升机等国家重点型号的研制、在役飞机延寿中逐步应用。
针对全机的综合监测，我们提出了一种分布式协作型健康监测新方法。
全机综合结构健康监测涉及多部位、多损伤和事件的监测，一方面这些损伤和事件相互关联，诊断难度大；另一方面全机监测使得监测系统的重量、资源消耗也显著增加，而飞机机上资源严格受限制，特别是军机，如何实现轻量化、大尺度结构健康监测面临挑战。
我们提出了基于无线传感器网络的分布式、轻量化结构监测方法；发明了多种动、静态低功耗无线传感器网络节点、多信道接收中心节点及中转节点与传感器网络节点的仿生自修复方法；提出分布式多主体协作的协同监测与管理机制，将来可以帮助解决大尺度结构健康监测所带来的资源严格受限、诊断复杂等难点。
飞机结构健康监测传感器新技术
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尚柏林等 :飞机结构健康监测传感器新技术
如果要求增加飞机结构的安全性和可用性 ,同 时降低其运行成本 ,相对于传统的定期检测方式 ,可 采用在线的结构健康监测系统 ,通过传感器感知细 微的异常信号 ,推断系统的整体健康状况 。
1 飞机结构健康监测研究现状
飞机结构健康监测系统将先进的传感/ 驱动元
收稿日期 :2007208215 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (10402035) 作者简介 :尚柏林 (1973 - ) ,男 ,副教授 ,主要研究方向为飞机结 构健康监控 。
目前 ,光纤传感器的主要类型有 :光纤珐珀应变 传感器 、光纤布拉格光栅传感器[6] 。监测的参数有 应变 、温度 、腐蚀环境 (p H 值) 和声发射信号等 。
光纤法珀传感器以光纤中的一段谐振腔的腔长 作为传感器的敏感元件 ,感受外界作用 。谐振腔的 长度以及折射率都会受到外界参量影响 ,导致光学 法珀腔的反射输出成为腔长及折射率的双参数函 数[7] 。当结构应变或环境温度变化时 ,通过测量反 射输出 ,可以得到结构应变或温度 。根据光纤法珀 腔的结构形式 ,该传感器主要可以分为本征型 、非本 征型和线型复合腔三种 ,但线型复合腔的实践研究 极少[7] 。虽然光纤法珀传感器在高温 、强电磁干扰 环境下得到大量的应用 ,但是因为它难以在同一根 光纤上实现传感器复用 ,如果应用于大面积的飞机
多传感器复用 ,实现结构应力和温度的分布测量 。
如美国 NA SA 的兰利研究中心开展的对飞机机身
声发射典型结构健康监测系统-Read
损伤
压电元件 A 接线板
信号信息处理技术
传感网络监测到的数据，需要进行分析并提取特定参数，来 识别结构状态。 结构状态参数的提取： 结构力学建模方法 结构振动模态分析技术 信息信号处理技术：不需要依赖结构力学模型，且对结构 中的小尺寸损伤比较敏感。
信号与信息处理
信号处理：除传统傅立叶分析以外，先进 时频信号处理方法在研究中普遍采用，如 小波分析、HHT 分析方法等。 信息处理：模式识别技术、人工神经网络 技术、多主体协作技术、遗传基因算法等 信息处理方法被用来对结构状态参数进行 辨识 。
结构健康监测中的常用 信号处理方法
小组成员：闫佳妮 王婷 张小宁 张炳良
报告的主要内容
结构健康监测及信号处理单元
常用信号处理方法及其应用
信号分类 时域信号分析与应用
频域信号分析与应用
时频域信号分析与应用 HHT变换与应用 典型结构健康监测实例
1 结构健康监测及信号处理单元
结构健康监测
• 时域信号统计参数的提取
时域统计特征：信号的均值、均方值、方差以及概率密 度等函数等。
图4–10 时域波形参数定义图
基于损伤时，其峰值会发生衰减的现象。 • 蜂窝夹芯复合材料梁和碳纤维复合材料梁上制作损伤，一 种是采用在夹层面板与蜂窝夹心之间预埋TEFLON薄膜制 作脱粘损伤，损伤大小为50mm×50mm，另外一种是采 用不同大小的冲击能量制作不同程度的冲击损伤。
滤波器。
• 滤波器在使用时，应考虑传感器的工作频段而加以选择， 对于压电传感器，其监测信号一般为具有一定频率的动态 信号，因此一般后接带通滤波器。应变电阻元件一般监测 低频信号，一般后接低通滤波器。
时域信号分析与应用
基于深度学习的航空器结构健康监测技术研究
基于深度学习的航空器结构健康监测技术研究随着航空事业的快速发展，航空器的结构健康监测变得越来越重要。
航空器的结构健康监测是指通过实时监测航空器结构的物理状态，提前发现和预测可能存在的结构损伤和故障，以保证飞行安全和延长航空器的使用寿命。
近年来，深度学习技术的快速发展为航空器结构健康监测带来了新的机遇与挑战。
深度学习是一种模仿人脑神经网络结构和功能的机器学习算法。
它通过多层次、非线性的神经网络模型来自动学习并提取输入数据中的特征。
相比传统的机器学习方法，深度学习具有更强大的“学习能力”，能够从大规模数据中学习到更复杂的模式和规律。
在航空器结构健康监测领域，深度学习可以应用于多个方面，包括故障诊断、剩余寿命预测和结构损伤检测等。
首先，深度学习可以通过对大量历史故障数据的学习，建立故障诊断模型，实现对航空器结构故障的快速诊断。
其次，深度学习可以利用航空器的传感器数据和航行数据，预测航空器剩余寿命，帮助航空公司制定维修计划和预防性维修策略。
最后，深度学习还可以应用于结构损伤检测，通过对航空器表面图像的分析，自动检测并定位可能存在的结构损伤，为后续维修提供可靠的依据。
然而，深度学习在航空器结构健康监测技术研究中也存在一些挑战。
首先，航空器结构健康监测需要高精度和实时的结果，而深度学习模型的训练和推理过程通常需要较长的时间。
因此，如何在满足准确性要求的同时，提高模型的运算速度是一个亟待解决的问题。
其次，航空器结构健康监测的数据量庞大且复杂，涉及多种类型的数据，包括传感器数据、图像数据和声音数据等。
如何选择最合适的数据类型和处理方法，以提取有效的特征并降低噪声干扰，也是一个需要研究的问题。
为了解决上述挑战，研究人员正在进行一系列的探索和实践。
首先，他们致力于改进深度学习模型的训练和推理算法，以提高模型的运算速度。
例如，采用更快速的神经网络结构、优化算法和硬件加速等方法，可以有效提高模型的计算效率。
其次，他们致力于深入研究航空器结构健康监测的数据特点，寻找最合适的数据类型和处理方法。
声发射监测技术
机械设备故障诊断讲稿＿＿声发射监测技术声发射技术是根据结构内部发出的应力波来判断结构内部损伤程度的一种动态无损检测技术。
由于该方法能连续监视结构内部损伤的全过程，因此得到了广泛应用。
一、声发射监测的基本原理在日常生活中，人们会注意到，折断竹杆可以听到噼啦的断裂声，打碎玻璃可以听到清脆的破碎声，水开时可以听到对流声，这些都是人耳可觉查到的声发射现象。
通常，人们把物体在状态改变时自动发出声音的现象称为声发射。
其实质是物体受到外力或内力作用产生变形或断裂时，就以弹性波形式释放能量的一种现象。
由于声发射提供丁材料状态变化的有关信息，所以可用于设备的状态监测和故障诊断。
声发射源往往是材料损坏的发源地。
由于声发射源的活动常在材料破坏之前很早就会出现，因此，可根据材料的微观变形和开裂以及裂纹的发生和发展过程所产生声发射的特点及强度来推知声发射源目前的状态(存在、位置、严重程度)，而且可知道它形成的历史，并预测其发展趋势。
这就是声发射监测的基本原理。
二、声发射监测具有以下持点：(1)声发射监测可以获得有关缺陷的动态信息。
结构或部件在受力情况下，利用声发射进行监测，可以知道缺陷的产生、运动及发展状态，并根据缺陷的严重程度进行实时报警。
而超声波探伤，只能检测过去的状态，属于静态情况下的探伤。
(2)声发射监测不受材料位置的限制。
材料的任何部位只要有声发射，就可以进行检测并确定声源的位置。
(3)声发射监测只接收由材料本身所发射的超声波；而超声波监测必须把超声波发射到材料中，并接收从缺陷反射回来的超声波。
(4)灵敏度高。
结构缺陷在萌生之初就有声发射现象；而超声波、x射线等方法必须在缺陷发展到一定程度之后才能检测到。
(5)不受材料限制。
因为声发射现象普遍存在于金属、塑料、陶瓷、木材、混凝土及复合材料等物体中，因此得到广泛应用。
由于声发射具有以上特点，因此得到了科学家和工程技术人员的重视。
美国在l 964年就研制成功一套实用的声发射监测系统，并用于火箭发动机壳体水压试验的监测。
基于声发射技术的材料疲劳损伤监测
基于声发射技术的材料疲劳损伤监测声发射技术是一种常用于材料疲劳损伤监测的非破坏性测试方法。
它通过监测材料在加载过程中产生的声波信号来评估材料的疲劳破坏状态。
本文将介绍声发射技术的工作原理、应用范围以及未来的发展趋势。
一、工作原理声发射技术基于声波在材料中的传播特性进行研究。
当材料受到外部力加载时，内部的微小裂纹或缺陷将会产生应力集中，最终导致疲劳破坏。
在这个过程中，材料会释放出各种频率和幅度的声波信号。
声发射技术通过检测、记录和分析这些声波信号，以了解材料在加载中出现的疲劳损伤。
二、应用范围声发射技术广泛应用于不同类型材料的疲劳损伤监测，并被用于多个领域，如工程结构、航空航天、能源领域等。
2.1 工程结构工程结构是声发射技术应用的一个重要领域。
在桥梁、建筑物等大型结构中，声发射技术可以用于监测结构受到的负载和疲劳破坏情况。
通过实时监测声发射信号，结构的安全性和使用寿命可以得到评估和预测。
2.2 航空航天航空航天领域对于材料的疲劳损伤监测要求极高，因为任何小的疲劳破坏都可能会导致灾难性后果。
声发射技术可以帮助航空航天工程师监测材料的疲劳寿命，预测结构的性能变化，并根据监测结果进行修复和维护。
2.3 能源领域能源领域也是声发射技术的重要应用领域之一。
例如，在核电站中，材料的疲劳损伤监测对于保障设施的运行安全至关重要。
声发射技术可以监测关键设备中的裂纹和缺陷，及时发现潜在的问题，并采取措施进行修复和保养。
三、发展趋势随着科学技术的发展，声发射技术在材料疲劳损伤监测中的应用将会得到进一步提升。
以下是未来该技术发展的一些趋势：3.1 算法和分析方法的改进为了提高声发射技术的准确性和可靠性，研究人员将会不断改进算法和分析方法。
利用机器学习和人工智能等技术，可以更准确地判断材料疲劳破坏的位置和程度。
3.2 多传感器系统的应用多传感器系统可以提供更全面的监测和检测能力。
未来，声发射技术可能会与其他传感器技术相融合，形成更强大的监测系统。
无损检测技术中的声发射检测方法
无损检测技术中的声发射检测方法声发射检测方法是无损检测技术中的一种重要方法，它通过监测材料或结构在受力或变形时产生的声波信号，识别出潜在的缺陷或病态信号，从而实现对材料或结构的监测和评估。
声发射检测方法具有灵敏度高、可靠性强、非破坏性的特点，被广泛应用于航空航天、能源、交通、制造等领域。
声发射检测方法的基本原理是利用物体在受力或变形时产生的应变能释放出声波信号。
当材料或结构中存在缺陷或病态时，这些缺陷会在受力或变形时产生能量释放，从而引起声波信号的发射。
通过分析和处理这些声波信号的特征参数，可以确定缺陷的位置、大小、性质以及材料或结构的损伤程度。
声发射检测方法在无损检测领域中有着广泛的应用。
首先，它可以用于评估材料或结构的完整性。
在航空航天领域，飞机的结构完整性是至关重要的，声发射检测方法可以用来监测飞机的机翼、机身等关键结构是否存在潜在的裂纹、疲劳或腐蚀等问题。
其次，声发射检测方法还可以用于监测材料或结构在受力或变形时的响应情况。
例如，在能源领域，声发射检测方法可以用来监测核电站压力容器的变形和疲劳破坏，以确保其安全运行。
此外，声发射检测方法还可以用于提前预警材料或结构的潜在问题，以便采取相应的维修和保养措施，避免事故的发生。
声发射检测方法具有许多独特的优点。
首先，它是一种非破坏性的检测方法，不需要对材料或结构进行破坏性的取样或试验，可以对大型、复杂的结构进行在线监测。
其次，声发射检测方法对缺陷的敏感性高，能够检测到微小的缺陷，如微小裂纹、微小气泡等。
第三，声发射检测方法具有较高的可靠性和准确性，可以对缺陷进行实时监测和评估，及时发现潜在问题并采取相应的措施。
此外，声发射检测方法还具有较强的定位能力，可以确定缺陷的具体位置和分布。
然而，声发射检测方法也存在一些局限性。
首先，对于复杂结构和材料的检测，声发射检测方法可能受到环境噪音的干扰，影响信号的采集和处理。
其次，在某些情况下，声发射检测方法可能存在误报和漏报的情况，需要进一步的分析和判断。
飞机结构健康监测技术综述
飞机结构健康监测技术综述飞机是一种非常重要的交通工具，它需要具备高速度、高高度、高强度、高可靠性等特点，并且需要满足各种恶劣环境的测试和性能，可以保证飞机运行的安全性和正常性，同时也可以适应现代社会的需求。
为了确保飞机的安全运行，减少意外事故的发生，飞机结构健康监测技术应运而生。
本文将从飞机结构健康监测技术的背景、基本原理、现状以及应用，进行综述。
1、背景：飞机结构健康监测技术是指对飞机的结构、系统和组件进行监测、识别、评估、预测和管理的技术。
它可以通过不同的传感器、测试数据、计算方法等获取支持，掌握飞机结构的实时状态，为飞机运营、维护和保养提供科学和精确的依据，同时也是飞机生产、设计和改进的关键环节。
飞机的结构是其性能和安全的重要指标，它们需要不断地接受工程师们的检测和监测，以便及时发现存在的缺陷和隐患，进行有效的修复和加固。
飞机的结构健康监测技术的发展，大大的提高了飞机运行的安全性和正常性、降低了事故发生的概率和风险。
2、基本原理：（1）传感器技术：传感器技术是基于无线电子技术、工业计量技术、材料科学和信息处理技术，并利用一系列的传感元件和电子仪器设备，对各种结构物的物理量进行测试、监测、安防和故障分析等处理，如应力、疲劳、温度、压力等多种参数。
（2）智能系统：智能系统是由智能传感器、控制器和信息处理单元等组成的管控网络系统。
它能够采集、分析和处理结构在各种复杂环境下的运行数据，并利用专业算法和数学模型进行分析，及时识别生产缺陷和结构异常，提供合理的预警和预测，并实现结构健康监测目标。
（3）数据处理：数据处理是结构健康监测技术的核心，它可以将大量的观测数据、实验数据、模拟模型产生的数据通过不同的算法处理，产生结构状态评估、损伤识别、故障预测和决策支持等信息，因而可以很好的帮助维修队及时认识和掌握飞机的实时状态，从而做出准确的维修计划，避免无谓的事件的发生。
3、现状：目前，飞机结构健康监测技术发展得非常迅速，已经成为飞行安全、使用性能提升的核心技术之一。
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第２ ９卷
第 ｌ ０期
仪 器 仪 表 学 报
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２ 东北大学信息科学 与１程学 院 ｒ
３ 沈 阳 飞机 设 计 研 究 所 沈阳
沈阳 １００ ０４； １
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摘
要 ： 解 决 机 关 键 结 构 部 件 疲 劳 损伤 的有 效 监 测 ， 时发 现 潜 在 的安 全 隐 患 ， 免 灾 难 性 事 故 的 发 生 。 对 于 采 用 先 进 声 为 及 避
发射 技 术 所 监 测 到 的 某 飞机 水 甲 尾 翼 的 原 始 声 发 射信 息 ， Ⅲ 采 用小 波 包 分 析 支 持 向 量 机 相 结 合 的 方 法 对 飞机 水 尾 翼 的 提 健康 状 况 进 行 识 别 诊 断 。 该方 法 将 飞机 水 平 尾 翼 产 生 的原 始 声 发 射 信 号进 行 多 级 小 波 包 分 解 ， 取 其频 带 能 量 作 为 特 征 向 提 量 ， 入 到 南 支持 广量 机 构 建 的 健 康 监 洲 器对 进 行 健 康 识 刖 与 诊 断 。实 验 结 果 表 明 ， 方法 可 以 有 效 、 确 地 识 别 并 诊断 山 输 ｕ 】 该 准 匕 水 平 尾 翼 的 疲 劳 裂 纹 ， 飞 机结 构 部 件 健 康 状 态 的 有 效 监 测 提供 ｒ 途 径 。 机 为 新 关键 词 ：飞机 水 平尾 翼 ； 康 监测 ； 劳 裂纹 ；小 波 包 ； 持 向 量 机 健 疲 支
ａｒｒ ｆ ｈ ｒ ｏ ｔｌ ａ ｌ ｓｐ ｏ ｏ ｅ ，ｗ ｉ ｈ ｕ ｅ ａ ｅｅ ａ ｋ ｔｔ ｎ ｆｒ ｎ ｕ ｐ ｒ ｖ ｃｏ ｃ ｉ ｅ ｔ ｎ ｔｒ ｅ ｅ — ｉ ａｔ ｏ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｉ ｒ ｐ ｓ ｄ ｈ ｃ ｓ ｓｗ ｖ ｌ ｔｐ ｃ ｅ ｒ ｓｏ ｍ ａ ｄ ｓ ｐ ｏ ｔ ｅ ｔｒｍａ ｈ ｎ ｏ ｍｏ ｉ ｆ ｃ ｃ ｚ ａ ｏ ｆ