一種集成化的大面積柔性壓電夾層傳感網絡的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種集成化的大面積柔性壓電夾層傳感網絡，屬于航空結構健康監測
技術領域。
【背景技術】
[0002] 壓電敏感元件具有靈敏度高、工作頻帶寬、動態范圍大等優點，已在結構健康監 測的研究中得到了廣泛的應用。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、被動診斷技術的結構健康監測方法是目前最行之有效的技術方法之一。在對 大尺寸結構實施大面積監測時，往往需要較多數目的壓電敏感元件W傳感網絡的形式工 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構上。壓電智 能夾層的優點在于：①保證了生產工藝對各傳感器性能影響的一致性；②傳感器的連線預 制在傳感層內最終通過一個標準接口輸出，簡化了傳感器的引線，降低了其對結構的影響； ③簡化壓電敏感元件的布置，提高布置效率；④可W針對不同應用對象，對壓電智能夾層的 形式進行設計。
[0004] 目前在結構健康監測應用中采用的壓電智能夾層主要呈現設計單一形式、尺寸較 小W及只考慮單個夾層的抗干擾設計等特點。如圖1所示為某常規壓電夾層的示意圖，該 夾層包含3個壓電敏感元件及相應的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。當對結構進行健康監測時，往往需要采用多個常規夾層分散布置，通過 大量引線連接到監測系統組成傳感網絡的方式對結構進行健康監測。然而近年來，機械結 構，尤其是航空結構不斷朝著大尺寸、高復雜形式的方向發展。采用上述組網方式構成的傳 感網絡在對大尺寸航空結構進行健康監測時會出現W下問題： (1)布置困難。現代航空結構存在尺寸大、結構形式復雜等特點，同時為了保證航空器 的氣動特性，不允許在航空結構外表面布置傳感器，只能布置在內部，該樣會帶來一系列布 置上的困難。W飛機機翼結構的損傷監測為例，傳感器需要布置在蒙皮的內表面，該樣往往 會遇到梁、翼肋、衍條、加強筋及螺釘孔等結構形式。傳感器在布置時既要避開該些結構，又 要能夠覆蓋機翼蒙皮上該些結構所在的區域，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構中，在遇到密閉結構形式時可能需要打孔才 能引出信號線，該在航空結構上往往是不允許的。
[0005] (2 )引線復雜、附加重量大。上述復雜飛機結構形式還會嚴重阻礙傳感器引線在結 構中的傳遞，例如在其傳遞路徑上存在翼肋、密閉區域等引線無法直接通過的結構形式時， 引線只能繞行或從反方向引出。在單一夾層組網監測中，多個夾層分散布置既會增加傳感 器引線布置的復雜度，又會使得需要的引線長度大大變長。然而，飛機對監測系統重量有著 很嚴格的限制，該種布置方式需要的引線的重量可能達到幾千克，對于航空結構健康監測 來說是不可接受的。
【發明內容】
[0006] 本發明提出了一種集成化的大面積柔性壓電夾層傳感網絡，克服現有多個單一形 式夾層分散組網監測中存在的不足，實現針對大尺寸復雜結構健康監測應用的集成化大面 積柔性壓電夾層傳感網絡設計，可在滿足應用需求的同時，簡化壓電傳感網絡引線布置，降 低引線重量，提高壓電傳感信號的準確性和一致性。
[0007] 本發明為解決其技術問題采用如下技術方案： 一種集成化的大面積柔性壓電夾層傳感網絡，包括如下步驟： (1)根據結構的監測部位、監測對象和采用的監測方法設計功能夾層，該夾層上還包含 用于組成大面積柔性壓電傳感網絡的集成接口； (2 )再根據各功能夾層的集成接口形狀W及夾層結構形式設計接口夾層，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整個網絡的信號的統一輸入輸出； (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構監測范圍的集 成化大面積柔性壓電夾層傳感網絡。
[0008] 所述步驟（1)中功能夾層為能夠滿足結構各部位監測需求、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一輸入輸出網絡信號 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，采用 焊接或導電膠的連接方式。
[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，采用 直接對接的連接方式。
[0012] 本發明具有W下有益效果： (1) W-個集成壓電夾層傳感網絡代替多個相互獨立的單一夾層，網絡可一次布置完 成，保證了網絡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 )設計靈活，能夠在滿足大尺寸復雜結構健康監測應用需求的同時，簡化壓電傳 感網絡引線布置，降低引線重量。
【附圖說明】
[0014] 圖1為常規壓電夾層的示例圖。
[0015] 圖2為需要進行結構健康監測的復合材料蒙皮結構。
[0016] 圖3為針對被監測結構設計的集成化的大面積柔性壓電夾層傳感網絡的示意圖。
[0017] 圖4為單一形式的功能夾層的示意圖。
[0018] 圖