Strategies for small-footprint devices in structural health monitoring

结构健康监测中小型设备的策略

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2015-06295
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 3.13万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2018-01-01 至 2019-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Structural Health Monitoring (SHM) has been proposed to allow the aerospace industry transitioning from scheduled-based maintenance, conducted using Non-Destructive Testing (NDT) techniques, to condition-based maintenance. The most promising approach uses in situ piezoceramic (PZT) transducers mounted on metallic or composite structures to generate and receive ultrasonic guided waves propagating and interacting with defects. Although a number of SHM technologies have been proposed, and despite the potential reduction of aircraft maintenance costs and increased aircraft availability, the civil aerospace industry has not implemented the approach yet. This program intends to achieve a major breakthrough on the requirements still to be addressed: damage quantification (resolution below 1 mm), smaller footprint, and demonstrated durability of SHM technologies, by developing strategies for small-footprint arrays of PZT transducers (in the order of 1 cm2) in damage quantification at high frequency. Damage quantification will come from smaller wavelengths at high frequency, and better resolved generation and measurement locations with a compact array. This research program will be conducted along three distinct research thrusts. 1) The discrimination of the guided wave mode propagating is critical in damage quantification. Thus, high-frequency mode-selective transducers will be designed to generate target stress profile at the interface between the PZT and the host structure, obtained from systematic optimization of modal power flow. Combined shear and normal stresses will be exploited through innovative 3D configurations to overcome the reduced wave power generated in the structure because of the transducer size reduction, potentially leading to reduced sensitivity to damage. 2) As high resolution damage imaging is required to transition from detection and localization to quantification, super-resolution tools will be integrated into the correlation-based damage imaging algorithms already validated for larger arrays. The dynamic model of the PZTs, as well as their mechanical and electrical interactions within the array will be integrated in the analysis atoms used in the correlation for higher resolution. 3) 3D microfabrication of the PZT arrays will combine ablation from a bulk piece of PZT for high power density, using laser micro-machining techniques, sol-gel deposition with photolithography techniques for through-the-thickness and multi-layer features, and assembly of components such as inertial masses. Velocity field measured with a 3D Laser Doppler Vibrometer and damage imaging will be used to validate the fabricated PZT arrays. Strategies for small-footprint arrays of PZT will allow damage quantification through higher resolution and such systems are expected to achieve the required durability by being less intrusive and less sensitive to environment.
结构健康监测 (SHM) 已被提议允许航空航天业从使用无损检测 (NDT) 技术进行的定期维护过渡到基于状态的维护。最有前途的方法是使用安装在金属或复合结构上的原位压电陶瓷 (PZT) 换能器来生成和接收传播缺陷并与缺陷相互作用的超声导波。尽管已经提出了许多SHM技术,并且尽管有可能降低飞机维护成本并提高飞机可用性,但民用航空航天业尚未实施该方法。该计划旨在通过制定小型 PZT 换能器阵列策略(按顺序1 cm2)在高频损伤量化中。损伤量化将来自于高频下更小的波长,以及通过紧凑阵列更好地解析生成和测量位置。该研究计划将沿着三个不同的研究方向进行。 1) 导波模式传播的辨别对于损伤量化至关重要。因此,高频模式选择传感器将被设计为在 PZT 和主体结构之间的界面处生成目标应力分布,该应力分布是通过模态功率流的系统优化获得的。通过创新的 3D 配置,将利用组合剪切应力和法向应力来克服由于换能器尺寸减小而导致结构中产生的波功率降低,从而可能导致损坏敏感性降低。 2)由于需要高分辨率损伤成像从检测和定位过渡到量化,超分辨率工具将集成到已经针对大型阵列进行验证的基于相关性的损伤成像算法中。 PZT 的动态模型以及它们在阵列内的机械和电气相互作用将集成到用于关联的分析原子中,以获得更高分辨率。 3) PZT 阵列的 3D 微加工将结合大块 PZT 的烧蚀以实现高功率密度,使用激光微加工技术、溶胶-凝胶沉积和光刻技术来实现全厚度和多层特征以及组装诸如惯性质量之类的组件。使用 3D 激光多普勒振动计测量的速度场和损伤成像将用于验证制造的 PZT 阵列。小尺寸 PZT 阵列的策略将允许通过更高分辨率来量化损伤,并且此类系统预计将通过减少侵入性和对环境不太敏感来实现所需的耐用性。

项目成果

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Touchscreen Surface Based on Interaction of Ultrasonic Guided Waves With a Contact Impedance
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  • 作者:
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知道了