复合材料结构远程监测技术及其应用研究

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本文在总结、分析国内外相关工程结构监测系统的相关成果基础上,深入研究了复合材料结构的远程监测技术及其系统,开展了复合材料风力叶片与管道的远程监测实验系统的研制与应用研究。其中,研发了碳纤维束传感器新制备技术与平衡电路测量系统相结合的碳纤维应变传感一体化技术;在结构远程监测技术的研究中,针对远距离管道泄漏检测的需要,研制了一套服役管道泄漏的远程监测系统,用以实现远距离跨区域的无线监测;建立了子网时间同步监测技术,解决了无线传感器网络时间同步监测的关键难题,为风力叶片等实时监测应用提供了远程监测应用平台。  本研究主要内容包括:⑴针对目前树脂基碳纤维束传感器件所存在的严重零漂等测量缺陷,研发了碳纤维束传感器新制备技术与平衡电路测量系统相结合的碳纤维应变传感一体化技术。其中,采用低温焊接法制备碳纤维束传感器,使其传感性能原有缺陷得到一定改善;研制的平衡电路测量系统包括:恒流电桥平衡电路设计、改进的双恒流源六线电阻测量电路等技术,并配合远程监测需求,研制出无线碳纤维束应变采集节点。该碳纤维应变传感一体化技术,不仅在克服原有零漂、蠕变等方面取得了明显改善,而且由于该传感器件与被监测工程结构同是树脂基复合材料,具有良好的变形协调性,以及长使用寿命,具有在大型复合材料结构的长期远程监测的应用前景。⑵研制了一套服役管道泄漏的远程监测系统。该系统基于负压波关于远距离管道泄漏与定位的检测原理,将多功能数据采集节点进行无线改造,通过动态变送器,实现了管道内的压力、流量、温度等信息的采集;通过自制的无线网关获取数据,供主控微机进行负压波分析处理,实现管道泄漏与定位的监测。该系统的主要技术特点是:借助无线传输技术以及内置滤波放大电路,实现了跨区域的远程实时监测;无线数据采集节点具有自主采集、储存数据,自维护、自适应等功能;电磁脉冲防护电路保护无线节点能够适应恶劣的外界环境,同时提高无线传感器网络的抗干扰能力;无线网关能够与主控微机直接接插,体积小,数据集中处理,提高了无线监测系统的实用性和可靠性。⑶针对风力叶片结构健康与振动模态等动力特性的相关性,研究开发了一种新的同步实时监测技术----子网时间同步监测技术,解决了在复合材料风力叶片的远程监测系统研制过程中的关键性难题。该监测系统实现了同步唤醒、同步休眠、同步激励、同步数据采集传输等功能,不仅延长了无线节点的使用寿命,还为无线结构监测系统的实时性和可靠性提供了保障。⑷开展了风力叶片远程监测应用实验、管道结构的远程监测应用实验,以及树脂基碳纤维束传感器管道结构平压实验及其远程监测。通过这些复合材料结构实验,验证了本文所研发的复合材料结构远程监测技术的实用性和可靠性。
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