常鳴,袁慎芳,王長春

(1.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210016; 2.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州225000)

一種多參數(shù)小型化飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕環(huán)境監(jiān)測技術(shù)

常鳴1,2,袁慎芳1,王長春1

(1.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210016; 2.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州225000)

摘.要.目的研究腐蝕與環(huán)境條件之間的關(guān)系,提出一種用于飛機(jī)腐蝕環(huán)境監(jiān)測的小型化監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法。方法針對(duì)影響腐蝕的4個(gè)關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)(溫度、相對(duì)濕度、濕潤時(shí)間和氯離子濃度),研究其傳感方法并研發(fā)選型相應(yīng)傳感器。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于MSP430處理器的多參數(shù)飛機(jī)腐蝕環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)中的溫濕度傳感器、濕潤時(shí)間傳感器和電化學(xué)傳感器的適用性,能夠完成對(duì)環(huán)境參數(shù)的的測量。結(jié)論設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)滿足機(jī)載裝置小型化、輕量化的要求,可以實(shí)現(xiàn)在線的腐蝕環(huán)境監(jiān)測,從而保障飛行安全。

飛機(jī)結(jié)構(gòu);腐蝕環(huán)境監(jiān)測;多參數(shù);監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的隨機(jī)性大、類型多樣,腐蝕損傷又直接影響著飛機(jī)的剩余壽命,關(guān)乎飛行安全,因此研究腐蝕的控制方法尤為重要。以往飛機(jī)的腐蝕研究關(guān)注于防腐蝕設(shè)計(jì)以及腐蝕后的檢測與維修[1—2],主要是利用各種無損檢測技術(shù)發(fā)現(xiàn)并確定飛機(jī)腐蝕的位置。如超聲成像、超聲C掃描、磁光成像、渦流檢測等[3],都是在腐蝕已經(jīng)發(fā)生的情況下定位腐蝕,根據(jù)損傷情況采取相應(yīng)補(bǔ)救措施。在JSF(Joint Strike Fighter)項(xiàng)目引入了故障預(yù)測與健康管理(Prognostics and Health Management, PHM)技術(shù)后,飛機(jī)的腐蝕預(yù)測逐漸得到了重視[4]。飛機(jī)腐蝕環(huán)境監(jiān)測就是基于此提出的,指針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),在一些易發(fā)生腐蝕的部位安裝監(jiān)測節(jié)點(diǎn),實(shí)時(shí)采集周圍的環(huán)境參數(shù),經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后上傳至客戶端建立數(shù)據(jù)庫。以此對(duì)環(huán)境的變化進(jìn)行分析,預(yù)測腐蝕發(fā)生的可能性,盡早對(duì)飛機(jī)進(jìn)行維護(hù),減小因腐蝕發(fā)生造成的損失[5]。

JSF項(xiàng)目的SPHM(Structural PHM)團(tuán)隊(duì)就承擔(dān)了為F-35設(shè)計(jì)綜合性抗腐蝕環(huán)境傳感器的任務(wù),預(yù)測腐蝕損傷。除此之外,美國的Honeywell實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了腐蝕環(huán)境監(jiān)測設(shè)備,Boeing公司和澳大利亞的CSIRO合作開發(fā)了飛行器結(jié)構(gòu)腐蝕預(yù)診斷方法, Luna Innovations研制了機(jī)載無線腐蝕環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[5—7],越來越多的科研機(jī)構(gòu)投入到飛機(jī)腐蝕環(huán)境監(jiān)測的研究中。

文中根據(jù)飛機(jī)腐蝕環(huán)境監(jiān)測的需求,確定了影響腐蝕的4個(gè)環(huán)境參數(shù):溫度、相對(duì)濕度、濕潤時(shí)間和氯離子濃度。選型了溫濕度傳感器,研制了測量濕潤時(shí)間和氯離子濃度的傳感器。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)研發(fā)了小型化的多參數(shù)腐蝕環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn),能夠控制多傳感器實(shí)現(xiàn)在線的環(huán)境監(jiān)測,從而為飛機(jī)腐蝕預(yù)測提供一定的研究基礎(chǔ)。

1 多參數(shù)腐蝕環(huán)境的傳感方法研究

飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的成因是多方面的,溫濕度是最關(guān)鍵的因素,其他如結(jié)構(gòu)表面的濕潤狀況、氯化物的污染也是航空金屬腐蝕的重要原因。鹽霧是一種常見的飛機(jī)腐蝕成因,在鹽霧這種氯離子濃度較高的場合,氯化物會(huì)沉降在飛機(jī)外表面或隨冷凝水滯留在內(nèi)部,易形成電解質(zhì)溶液而加速結(jié)構(gòu)腐蝕[8—9]。因此,選取溫度、相對(duì)濕度、濕潤時(shí)間和氯離子濃度等4個(gè)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行長期監(jiān)測,分別依靠溫濕度傳感器、濕潤時(shí)間傳感器和電化學(xué)傳感器來完成。其中溫濕度傳感器已經(jīng)發(fā)展得較為成熟,可以直接選擇商用傳感器,而后兩種傳感器并沒有符合應(yīng)用要求的在售。因此文中對(duì)相對(duì)應(yīng)的濕潤時(shí)間傳感器與電化學(xué)傳感器的研發(fā)進(jìn)行了探討。

1.1 溫濕度的測量

文中選擇了Sensirion公司生產(chǎn)的SHT15貼片封裝的溫濕度一體化傳感器,如圖1a所示。該傳感器將傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一塊微型電路板上,輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào),使用方便。

圖1 傳感器實(shí)物Fig.1 Photos of the sensors

SHT15溫濕度傳感器有著較高的測量精度和分辨率,測溫范圍為-40～123.8℃,相對(duì)濕度為0～100%,能滿足飛機(jī)環(huán)境監(jiān)測的需求。除此之外,該傳感器體積小、功耗低,測量狀態(tài)時(shí)的功耗僅為3 mW,這些都為機(jī)載應(yīng)用提供了便利條件。

1.2 氯離子濃度的測量

目前常見的氯離子測定方法有摩爾法、分光光度法、濁度法、離子色譜法等,但是這些測定儀器在質(zhì)量、功耗、操作方法等方面不能滿足飛機(jī)安裝測試的要求。因此文中研制了電化學(xué)傳感器來監(jiān)測氯離子濃度。

文中設(shè)計(jì)的電化學(xué)傳感器為雙電極柵狀結(jié)構(gòu),當(dāng)傳感器暴露在潮濕的大氣中或處于有積水的地方,其表面會(huì)凝結(jié)一層水膜。這層水膜溶解了鹽類和其他雜質(zhì),形成了一定氯離子濃度的電解質(zhì)溶液,給電化學(xué)腐蝕提供了條件。

該傳感器的測量原理類似于線性極化技術(shù):首先等待電極的自腐蝕電位穩(wěn)定,電極反應(yīng)處于平衡狀態(tài);之后對(duì)電極外加微小電壓進(jìn)行極化,則正向和逆向的反應(yīng)速度不相等,電流隨之發(fā)生變化。工作時(shí)對(duì)傳感器的電極施加微小電壓,實(shí)時(shí)監(jiān)測輸出電流。這種方法本用來測算金屬的腐蝕速率,但得到的數(shù)據(jù)也與腐蝕環(huán)境的相關(guān)參數(shù)有關(guān)聯(lián)[10—11]。由于氯離子對(duì)電化學(xué)腐蝕有推動(dòng)作用,文中利用制成的傳感器去監(jiān)測溶液中氯離子的濃度。發(fā)現(xiàn)氯離子濃度越高,輸出電流就會(huì)越大,通過監(jiān)測電流的變化即可獲取氯離子濃度的變化情況。

傳統(tǒng)的線性極化測量裝置都是三電極系統(tǒng),由工作電極、參比電極和輔助電極組成。其中工作電極和參比電極的電極過程是一樣的,它們的腐蝕電位相近,加之極化時(shí)間很短,因此可以采用相同的材質(zhì)制成這兩個(gè)電極;輔助電極僅供極化時(shí)完成通電回路使用,也可采用同樣的材質(zhì)制成[12]。在設(shè)計(jì)中,傳感器采用一寬一窄兩電極代替了常見的三電極,選取較寬的電極同時(shí)充當(dāng)參比電極和輔助電極,較窄的電極作為工作電極。這樣的結(jié)構(gòu)便于制作,且易小型化,能實(shí)現(xiàn)對(duì)被測量對(duì)象變化趨勢(shì)的監(jiān)測[10,13—14]。

文中關(guān)注的飛機(jī)蒙皮等通常采用LY12硬鋁材料,為了更好地呈現(xiàn)飛機(jī)的腐蝕狀況,傳感器的電極采用與其相同的材料。在非金屬支撐材料方面,為了保證其可靠、輕質(zhì),同時(shí)具備耐腐蝕的特性,選擇環(huán)氧樹脂板作為傳感器的底板。根據(jù)Wilson A等的研究[13],傳感器雙電極之間的間距越小,傳感器的靈敏度就越高。傳統(tǒng)工藝如銑削和激光切割等,制作時(shí)只能達(dá)到幾百微米的精度,因此在設(shè)計(jì)中選擇了正膠Lift-Off工藝制作該柵狀傳感器。通過真空蒸鍍?cè)诃h(huán)氧樹脂襯底上牢固地鍍一層硬鋁的薄膜,由事先加工好的掩膜板結(jié)合光刻技術(shù)將柵狀電極的圖案刻在薄膜上。制成的兩個(gè)電極一個(gè)寬450 μm,另一個(gè)寬150 μm,電極之間間距只有20 μm。制成的傳感器靈敏度高、尺寸小(20 mm×9.3 mm),材質(zhì)與被監(jiān)測對(duì)象相同,適合應(yīng)用要求。傳感器實(shí)物如圖1b所示。

1.3 濕潤時(shí)間的測量

腐蝕環(huán)境研究中的濕潤時(shí)間(Time Of Wetness, TOW)是指金屬暴露在空氣中表面持續(xù)濕潤的時(shí)間,是導(dǎo)致金屬在大氣中發(fā)生腐蝕的一個(gè)重要因素。當(dāng)前對(duì)于濕潤時(shí)間的測量大多是通過綜合氣象站提供的氣象數(shù)據(jù)(相對(duì)濕度、降雨量等)統(tǒng)計(jì)得到的[15—16],而實(shí)際航空金屬表面的濕潤狀態(tài)成因復(fù)雜,需要設(shè)計(jì)專門的傳感器進(jìn)行測量。

常用的濕潤時(shí)間傳感器是基于電偶腐蝕的原理,傳感器表面濕潤時(shí),異金屬電極浸沒在電解質(zhì)溶液中,伽伐尼電池被激活,輸出一定的電壓。該傳感器經(jīng)過Sereda[17],Tomashov[18]等人的不斷發(fā)展,已在大氣腐蝕監(jiān)測中較為常用。該類傳感器存在著電極材料易消耗,使用壽命不長,且電偶腐蝕會(huì)改變?nèi)芤撼煞侄绊憸y量結(jié)果的缺點(diǎn)。綜合考慮到機(jī)載使用的需求,文中基于電阻式的原理設(shè)計(jì)制作了一種小尺寸的濕潤時(shí)間傳感器。

電阻式濕潤時(shí)間傳感器的主體部分為同種金屬制成的交叉指狀電極,如圖1c所示。當(dāng)空氣干燥時(shí),電極之間相互絕緣,傳感器的輸出電阻無窮大;若空氣濕度增大至表面凝結(jié)液滴,或有降雨、降雪、結(jié)露等現(xiàn)象發(fā)生,電極將被短路,輸出電阻大大降低。使用前設(shè)置一個(gè)臨界電阻值,當(dāng)輸出電阻低于這一界限則認(rèn)為表面已經(jīng)濕潤,連續(xù)監(jiān)測輸出數(shù)據(jù)即可記錄下傳感器表面的濕潤時(shí)間。

該傳感器的敏感元件為相同材質(zhì)的雙電極,以往的制作方法是將材料加工成絲狀,平行纏繞在絕緣體上,構(gòu)成檢測極。這種方法制作復(fù)雜,復(fù)現(xiàn)性不好,且對(duì)于電極寬度和電極間距的大小都難以精確控制。文中使用標(biāo)準(zhǔn)PCB制造技術(shù),按照事先設(shè)計(jì)繪制好的圖形,在覆銅基板上蝕刻出2個(gè)等寬的300 μm的銅電極,使電極呈交叉指狀分布,相互絕緣且相互穿插。該傳感器的工作原理決定了電極間距越小,靈敏度越高,所以應(yīng)用中的電極間距為PCB技術(shù)最精細(xì)的80 μm,即使表面上附著的微小液滴也能被感知到。此外,該傳感器需要長期暴露在外部環(huán)境中,而銅電極裸露在空氣中會(huì)很快被腐蝕損壞,因此在電極上再覆蓋一層金進(jìn)行保護(hù)。濕潤時(shí)間傳感器的整體尺寸為22 mm×20 mm,體積小、壽命長、制作成本低,且電阻式的原理決定了其測量電路也較簡單,很適合機(jī)載使用。

2 多參數(shù)飛機(jī)腐蝕環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 多參數(shù)飛機(jī)腐蝕環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的構(gòu)架

考慮機(jī)載監(jiān)測的特點(diǎn),為實(shí)現(xiàn)輕量化和小型化,研制了用于多腐蝕環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的小型化監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。飛機(jī)PHM系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)腐蝕環(huán)境的監(jiān)測是個(gè)長期的過程,因此節(jié)點(diǎn)需要能夠獨(dú)立、長時(shí)間的工作。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了小尺寸、低功耗、獨(dú)立的電源供給、數(shù)據(jù)處理與本地存儲(chǔ)能力、用戶應(yīng)答下載等要求。

節(jié)點(diǎn)的整體構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖2所示,分為測量模塊與主控模塊等2部分。其中主控模塊以TI公司超低功耗的16位混合信號(hào)處理器MSP430F169為核心,片內(nèi)集成有多個(gè)DAC,ADC和串口通訊模塊,資源豐富,符合設(shè)計(jì)需求。通過該芯片可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感測量、數(shù)據(jù)采集與處理、存儲(chǔ)等的控制。測量模塊則包括了傳感器及其測量電路。

圖2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)構(gòu)架Fig.2 Structure of the monitoring node

2.2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

按照基本構(gòu)架對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件按模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),制成的實(shí)物如圖3所示。對(duì)環(huán)境的監(jiān)測需要傳感器與被測環(huán)境直接接觸,為此,節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為上下2層。上層是測量模塊,其中傳感器暴露在外,而電路可以后期通過封裝外殼加以保護(hù);下層為主控模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)3種傳感器的控制管理。整個(gè)節(jié)點(diǎn)體積小(70 mm×50 mm×20 mm),適合在飛機(jī)的狹窄空間使用。

圖3 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)實(shí)物Fig.3 Photo of the monitoring node

測量模塊主要是3種傳感器以及相應(yīng)的測量電路。其中SHT15傳感器的接口電路為一種類IIC的數(shù)字串行接口,對(duì)該傳感器的測量控制由MSP430來實(shí)現(xiàn)。芯片和傳感器的數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線相互連接,按照傳感器給定的通訊協(xié)議,通過發(fā)送指令建立通訊,完成對(duì)溫濕度的實(shí)時(shí)測量。

濕潤時(shí)間傳感器和電化學(xué)傳感器的測量方式都屬于被動(dòng)式測量,其測量過程都由外部激勵(lì)主動(dòng)觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)。濕潤時(shí)間的測量如圖4a所示,對(duì)傳感器施加激勵(lì)電壓VTS,通過分壓電路將傳感器電阻轉(zhuǎn)化為電壓,再放大和濾波后得到輸出電壓VTO。電化學(xué)傳感器的測量電路與濕潤時(shí)間相似,不同的是通過測量其極間電流而非電阻來實(shí)現(xiàn),如圖4b所示。待自腐蝕電位穩(wěn)定后對(duì)電化學(xué)傳感器施加激勵(lì)電壓VES,兩級(jí)間產(chǎn)生一定的電流,極間電流再由轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓,放大和濾波處理后得到輸出電壓VEO。

由于過大的激勵(lì)電壓容易引發(fā)進(jìn)一步的電化學(xué)腐蝕,所以對(duì)這兩種傳感器的激勵(lì)都必須很小,節(jié)點(diǎn)選取的是20 mV。隨之而來的輸出信號(hào)也都較微弱,極易受到噪聲的干擾,因此它們的測量電路設(shè)計(jì)特別注重了對(duì)微小信號(hào)的去噪和放大。一是通過合理的接地設(shè)計(jì),防止因?yàn)殡娢徊黄胶庖胝`差;二是采用低偏置的運(yùn)算放大器OPA602對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波和放大;另外,傳感器和電路的偏置采用軟件補(bǔ)償來消除。

圖4 測量電路Fig 4 Measurement circuits

主控模塊除了控制測量模塊完成工作外,還可將測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MSP430的ROM以及Flash ROM里,解決了節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題。此外,主控模塊還設(shè)計(jì)了串口通訊功能,設(shè)計(jì)以RS232通訊協(xié)議進(jìn)行節(jié)點(diǎn)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換,片內(nèi)存儲(chǔ)的測量數(shù)據(jù)可通過串口通訊讀出。

整個(gè)節(jié)點(diǎn)由9 V蓄電池供電,利用精度為1%的AMS1117轉(zhuǎn)換成MSP430所需的工作電壓(3.3 V),供電電路設(shè)計(jì)有電解電容、磁珠等器件進(jìn)行濾波和去噪。耗能方面,該應(yīng)用中傳感器監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)是變化極為緩慢的物理量,并不需要頻繁的測量。再加上MSP430F169的功耗管理極具優(yōu)勢(shì),可以通過關(guān)閉不同的晶振迫使核心操作系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài),減少不必要的能耗。這些特點(diǎn)使得節(jié)點(diǎn)的使用壽命得到了保證。

2.3 飛機(jī)腐蝕環(huán)境監(jiān)測實(shí)現(xiàn)方法

在飛機(jī)多個(gè)部位分布安裝該節(jié)點(diǎn),連續(xù)采集環(huán)境參數(shù),信號(hào)調(diào)理后存儲(chǔ)在本地,全面監(jiān)測腐蝕環(huán)境。使用時(shí)還可將分布在各處的節(jié)點(diǎn)看成是傳感器結(jié)點(diǎn),只需添加網(wǎng)絡(luò)適配器就可構(gòu)成一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)之間的通訊,如圖5所示。不同位置的傳感器結(jié)點(diǎn)將本地?cái)?shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡(luò)適配器,網(wǎng)絡(luò)適配器綜合管理各傳感器結(jié)點(diǎn),并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將數(shù)據(jù)上傳到客戶端進(jìn)行存儲(chǔ)分析。

圖5 飛機(jī)腐蝕環(huán)境監(jiān)測Fig.5 Schematic diagram for monitoring of aircraft corrosive environments

3 節(jié)點(diǎn)測試實(shí)驗(yàn)

3.1 溫濕度傳感器測試

對(duì)溫濕度傳感器的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在ACS-CH250型溫濕度箱內(nèi)進(jìn)行。設(shè)置箱內(nèi)的起始溫度為5℃、濕度為5%,設(shè)定程序以步長5依次遞增溫濕度,每個(gè)值到達(dá)后保持1 h,確保箱內(nèi)溫濕度值的穩(wěn)定。通過節(jié)點(diǎn)控制SHT15每5 min采集1次數(shù)據(jù),測量30 min后求其平均。計(jì)算每個(gè)測量點(diǎn)的測量結(jié)果與設(shè)定值的相對(duì)誤差,得到溫度測量的平均誤差為±0.7%,最大誤差為1.2%;濕度的平均誤差為±0.9%,最大誤差為1.9%。表明節(jié)點(diǎn)對(duì)溫濕度的測量與傳感器數(shù)據(jù)相符,測量精度較高。

3.2 電化學(xué)傳感器測試

為了驗(yàn)證電化學(xué)傳感器對(duì)不同氯離子濃度的響應(yīng),分別選擇蒸餾水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%和5%的NaCl溶液作為反應(yīng)溶液,測量電化學(xué)傳感器在其中產(chǎn)生的極化電流的大小。

將等量的3種溶液倒入3支燒杯,3片電化學(xué)傳感器分別置于其中。等待一段時(shí)間至自腐蝕電位穩(wěn)定后,依次通過節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器施加激勵(lì)電壓,記錄傳感器對(duì)各自浸沒溶液的輸出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。該實(shí)驗(yàn)表明,3種溶液對(duì)應(yīng)的傳感器輸出有較大區(qū)別,驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)中的電化學(xué)傳感器對(duì)不同氯離子濃度的敏感性,可用于氯離子的監(jiān)測。

實(shí)際腐蝕大氣中的氯離子濃度是很低的,達(dá)不到上述實(shí)驗(yàn)中的條件。為了驗(yàn)證該傳感器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,通過對(duì)不同低濃度的NaCl溶液進(jìn)行測試,得到目前該傳感器可以甄別到的最低氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。

圖6 節(jié)點(diǎn)對(duì)不同氯離子濃度溶液的響應(yīng)Fig.6 Output of monitoring node with electrochemical sensors immersed in solutions of different chloride ion concentrations

3.3 濕潤時(shí)間傳感器測試

取1組濕潤時(shí)間傳感器,置于溫濕度箱內(nèi),控制箱內(nèi)溫度為25℃,調(diào)節(jié)濕度依次增大,通過節(jié)點(diǎn)測量傳感器在60%,70%,80%,90%濕度條件下的輸出電阻。按照前述的工作原理,隨著箱內(nèi)空氣的相對(duì)濕度越來越高,輸出電阻應(yīng)該相應(yīng)地減小,實(shí)際測出數(shù)據(jù)取其平均后見表1。該實(shí)驗(yàn)表明濕潤時(shí)間傳感器對(duì)表面的濕潤情況敏感,可用于濕潤時(shí)間的測量。

表1 濕潤時(shí)間傳感器電阻值Table 1 Resistance of the TOW sensor

以上在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證了監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的有效性,但實(shí)際的腐蝕環(huán)境更為復(fù)雜,對(duì)傳感器的應(yīng)用也提出了更高的要求。例如,當(dāng)電化學(xué)傳感器只是暴露在潮濕大氣中,而非降雨降雪等極端情況時(shí),其表面很難形成連續(xù)的液膜,難以滿足電化學(xué)測量的條件,但該傳感器仍適用于離線取樣的氯離子測量。因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用時(shí),飛機(jī)結(jié)構(gòu)的焊縫、對(duì)接結(jié)構(gòu)部位等處容易產(chǎn)生積水,當(dāng)空氣中的氯離子沉降在其中,形成的電解質(zhì)溶液可作為電化學(xué)的反應(yīng)溶液,電化學(xué)傳感器可用于該場合的測量。對(duì)大氣中的氯離子濃度的監(jiān)測有待進(jìn)一步改進(jìn)電化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

文中提出了一種飛機(jī)腐蝕環(huán)境監(jiān)測技術(shù)與基于該技術(shù)的小型化監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法。針對(duì)溫度、相對(duì)濕度、濕潤時(shí)間、氯離子濃度這4個(gè)影響腐蝕的環(huán)境參數(shù),選型了溫濕度傳感器,研發(fā)了濕潤時(shí)間與電化學(xué)傳感器,并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了綜合各傳感器的多參數(shù)飛機(jī)腐蝕環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)體積小,工作時(shí)被置于飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面,位于頂端的傳感器與結(jié)構(gòu)感知相同的腐蝕環(huán)境,其輸出能較好地反映出被測環(huán)境的變化情況。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)監(jiān)測各參數(shù)功能的有效性。

節(jié)點(diǎn)監(jiān)測各個(gè)環(huán)境參數(shù)是為了預(yù)估飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕情況,今后的工作除了進(jìn)一步完善傳感器的設(shè)計(jì)以提高精度與穩(wěn)定性之外,還需要理清環(huán)境參數(shù)與結(jié)構(gòu)腐蝕之間的關(guān)系,建立數(shù)學(xué)模型,達(dá)到預(yù)測腐蝕的目的。

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A Multi-parameter Miniaturization Monitoring Node for Aircraft Corrosive Environments

CHANG Ming1,2,YUAN Shen-fang1,WANG Chang-chun1

(1.The State Key Lab of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China; 2.School of Hydraulic,Energy and Power Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225000,China)

Objective To study the relationship between corrosion and environment,a realizing method of the multi-parameter miniaturization monitoring node for aircraft corrosive environments was proposed in this paper.Methods Four key environmental parameters which are the major factors affecting the corrosion were selected:temperature,humidity,time of wetness(TOW)and chloride ion concentration.And the corresponding sensors were chosen or designed for monitoring.Besides,this paper introduced a miniaturization monitoring node which could realize the measurements of multiple corrosive environmental parameters.The monitoring node was based on the Texas Instruments MSP430?micro-controller and included the aforementioned sensors.Results In the end,the verifications showed that the humidity and temperature sensor,the TOW sensor,and the electrochemical sensor were available;the measurements of four parameters could be performed correctly by the node.Conclusion Featuring a small volume and low weight,the node was applicable for on-aircraft corrosion monitoring.And this approach will provide actionable knowledge for aircraft maintainers,such that the aircraft safety could be driven to increased levels.

aircraft structure;monitoring of corrosive environments;multi-parameter;monitoring node

YUAN Shen-fang(1968—),Female,Ph.D.,Professor,Doctoral supervisor,Changjiang scholar,Research focus:structural health monitoring(SHM).

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.003

TG174.3;TP302

:A

1672-9242(2014)06-0015-07

2014-08-12;

2014-09-03

Received:2014-08-12;Revised:2014-09-03

國家杰出青年基金(51225502);江蘇省優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助

Fund:Supported by National Science Fund for Distinguished Young Scholars(51225502)and Advanced Discipline Construction Foundation of Jiangsu Province of China

常鳴(1980—),女,江蘇南京人,博士研究生,講師,主要研究方向?yàn)楦g監(jiān)測。

Biography:CHANG Ming(1980—),Female,from Nanjing,Jiangsu,Ph.D.Candidate,Lecturer,Research focus:corrosion monitoring.

袁慎芳(1968—),女,博士,教授,博士生導(dǎo)師,長江學(xué)者,主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。