一種集成化的大面積柔性壓電夾層傳感網(wǎng)絡(luò)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種集成化的大面積柔性壓電夾層傳感網(wǎng)絡(luò)，屬于航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓電敏感元件具有靈敏度高、工作頻帶寬、動態(tài)范圍大等優(yōu)點，已在結(jié)構(gòu)健康監(jiān) 測的研究中得到了廣泛的應(yīng)用。由于對裂紋、脫層等小損傷敏感，基于壓電敏感元件與 Lamb波主、被動診斷技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法是目前最行之有效的技術(shù)方法之一。在對 大尺寸結(jié)構(gòu)實施大面積監(jiān)測時，往往需要較多數(shù)目的壓電敏感元件W傳感網(wǎng)絡(luò)的形式工 作。然而，在實驗室研究中，傳感器大多W手工方式布置，在實際應(yīng)用時存在W下問題： r逐個布置壓電敏感元件的方法難W保證各個傳感器性能的一致，其穩(wěn)定性、電氣特性W 及使用壽命等方面難W控制；藝傳感器引線較多，尤其對壓電敏感元件來說，其工作在高 頻狀態(tài)下，必須使用屏蔽線，單獨引線，會造成較多的引線附加重量；夏壓電敏感元件的布 置效率低。
[0003] 壓電智能夾層概念的提出為上述問題的解決提供了很好的思路，其思想是將壓電 敏感元件按照一定工藝封裝在柔性印刷電路板中，并用印刷線路代替普通導(dǎo)線連線，通過 一個信號接口輸出，使用時可將帶有壓電敏感元件的智能夾層直接布置在結(jié)構(gòu)上。壓電智 能夾層的優(yōu)點在于：①保證了生產(chǎn)工藝對各傳感器性能影響的一致性；②傳感器的連線預(yù) 制在傳感層內(nèi)最終通過一個標(biāo)準(zhǔn)接口輸出，簡化了傳感器的引線，降低了其對結(jié)構(gòu)的影響； ③簡化壓電敏感元件的布置，提高布置效率；④可W針對不同應(yīng)用對象，對壓電智能夾層的 形式進(jìn)行設(shè)計。
[0004] 目前在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用中采用的壓電智能夾層主要呈現(xiàn)設(shè)計單一形式、尺寸較 小W及只考慮單個夾層的抗干擾設(shè)計等特點。如圖1所示為某常規(guī)壓電夾層的示意圖，該 夾層包含3個壓電敏感元件及相應(yīng)的3條信號線路和1條共用的信號回路，通過一組信號 接口輸出傳感信號。當(dāng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測時，往往需要采用多個常規(guī)夾層分散布置，通過 大量引線連接到監(jiān)測系統(tǒng)組成傳感網(wǎng)絡(luò)的方式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測。然而近年來，機(jī)械結(jié) 構(gòu)，尤其是航空結(jié)構(gòu)不斷朝著大尺寸、高復(fù)雜形式的方向發(fā)展。采用上述組網(wǎng)方式構(gòu)成的傳 感網(wǎng)絡(luò)在對大尺寸航空結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測時會出現(xiàn)W下問題： (1)布置困難?，F(xiàn)代航空結(jié)構(gòu)存在尺寸大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜等特點，同時為了保證航空器 的氣動特性，不允許在航空結(jié)構(gòu)外表面布置傳感器，只能布置在內(nèi)部，該樣會帶來一系列布 置上的困難。W飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測為例，傳感器需要布置在蒙皮的內(nèi)表面，該樣往往 會遇到梁、翼肋、衍條、加強(qiáng)筋及螺釘孔等結(jié)構(gòu)形式。傳感器在布置時既要避開該些結(jié)構(gòu)，又 要能夠覆蓋機(jī)翼蒙皮上該些結(jié)構(gòu)所在的區(qū)域，單一形式夾層及分散布置的方式很難同時滿 足該兩點。如采用圖1所示的夾層布置在結(jié)構(gòu)中，在遇到密閉結(jié)構(gòu)形式時可能需要打孔才 能引出信號線，該在航空結(jié)構(gòu)上往往是不允許的。
[0005] (2 )引線復(fù)雜、附加重量大。上述復(fù)雜飛機(jī)結(jié)構(gòu)形式還會嚴(yán)重阻礙傳感器引線在結(jié) 構(gòu)中的傳遞，例如在其傳遞路徑上存在翼肋、密閉區(qū)域等引線無法直接通過的結(jié)構(gòu)形式時， 引線只能繞行或從反方向引出。在單一夾層組網(wǎng)監(jiān)測中，多個夾層分散布置既會增加傳感 器引線布置的復(fù)雜度，又會使得需要的引線長度大大變長。然而，飛機(jī)對監(jiān)測系統(tǒng)重量有著 很嚴(yán)格的限制，該種布置方式需要的引線的重量可能達(dá)到幾千克，對于航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 來說是不可接受的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出了一種集成化的大面積柔性壓電夾層傳感網(wǎng)絡(luò)，克服現(xiàn)有多個單一形 式夾層分散組網(wǎng)監(jiān)測中存在的不足，實現(xiàn)針對大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用的集成化大面 積柔性壓電夾層傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，可在滿足應(yīng)用需求的同時，簡化壓電傳感網(wǎng)絡(luò)引線布置，降 低引線重量，提高壓電傳感信號的準(zhǔn)確性和一致性。
[0007] 本發(fā)明為解決其技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案： 一種集成化的大面積柔性壓電夾層傳感網(wǎng)絡(luò)，包括如下步驟： (1)根據(jù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測部位、監(jiān)測對象和采用的監(jiān)測方法設(shè)計功能夾層，該夾層上還包含 用于組成大面積柔性壓電傳感網(wǎng)絡(luò)的集成接口； (2 )再根據(jù)各功能夾層的集成接口形狀W及夾層結(jié)構(gòu)形式設(shè)計接口夾層，接口夾層上 包含兩種接口：集成接口和信號輸入輸出接口，其中集成接口用于連接各功能夾層，信號輸 入輸出接口用于實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的信號的統(tǒng)一輸入輸出； (3)將各功能夾層與接口夾層集成在一起，形成一個能夠有效覆蓋結(jié)構(gòu)監(jiān)測范圍的集 成化大面積柔性壓電夾層傳感網(wǎng)絡(luò)。
[0008] 所述步驟（1)中功能夾層為能夠滿足結(jié)構(gòu)各部位監(jiān)測需求、包含壓電敏感元件的 夾層。
[0009] 所述步驟（2)中接口夾層為能夠連接、集成各功能夾層并統(tǒng)一輸入輸出網(wǎng)絡(luò)信號 的夾層。
[0010] 所述步驟（3)中功能夾層和接口夾層的集成通過連接二者的集成接口實現(xiàn)，采用 焊接或?qū)щ娔z的連接方式。
[0011] 所述步驟（3)中功能夾層和接口夾層的集成通過連接二者的集成接口實現(xiàn)，采用 直接對接的連接方式。
[0012] 本發(fā)明具有W下有益效果： (1) W-個集成壓電夾層傳感網(wǎng)絡(luò)代替多個相互獨立的單一夾層，網(wǎng)絡(luò)可一次布置完 成，保證了網(wǎng)絡(luò)中各個壓電敏感元件性能的一致性，并提高了傳感器的布置效率。
[0013] (2 )設(shè)計靈活，能夠在滿足大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用需求的同時，簡化壓電傳 感網(wǎng)絡(luò)引線布置，降低引線重量。
【附圖說明】
[0014] 圖1為常規(guī)壓電夾層的示例圖。
[0015] 圖2為需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)。
[0016] 圖3為針對被監(jiān)測結(jié)構(gòu)設(shè)計的集成化的大面積柔性壓電夾層傳感網(wǎng)絡(luò)的示意圖。
[0017] 圖4為單一形式的功能夾層的示意圖。
[0018] 圖