智能材料与汽车结构健康监测的研究

梁朝阳

摘要：汽车作为日常生活中重要的交通工具，其智能化发展是必要趋势，但受材料、结构等多因素的制约，其发展受到了不同程度的影响。基于此，本文立足于当前我国汽车领域结构健康监测及智能材料发展的实际情况，简略阐述了该课题的研究背景，并对基于智能材料的汽车结构健康监测系统设计方案、设计难点及应对策略进行了详细分析，旨在为相关工作人员提供参考，助力汽车行业结构健康监测的进一步发展。

关键词：智能材料；汽车；结构健康监测

引言：近些年，我国汽车行业和智能材料领域均得到了高质量的发展，然而结构问题，始终是制约汽车质量的重要影响因素，为了能够尽量缓解结构问题，对于汽车的负面影响，应当强化落实对汽车的结构健康监测，但从目前来看，我国对于该领域的研究仍存在一定的不利因素，基于此，有必要对其展开更加深层次的探究。

1研究背景

未来汽车领域的发展整体，将会呈现出更加智能化的特点，而合理进行结构健康监测，能够实现对于其老化信息和结构损伤的全方位探测，并针对结构展开相应的评估工作，对其使用年限和故障进行预测和诊断。这种方式的应用，既能够有效延长汽车的使用年限、减少其在维护方面的投入，并未为其安全、可靠提供充足的保障，还能够高效实现对于结构服役信息的合理采集，切实提升对其的设计水平，所以，其整体来看有着相对长远和广阔的应用前景。但结合目前其发展的实际情况进行分析，其在传感器以及执行器方面，仍存在着智能性和高效性欠缺的问题，这便在一定程度上影响了结构健康监测的进一步发展和推广应用。

现如今，我国在智能材料方面的研究力度逐渐增加，而这一方面的成果能够为结构健康监测中所涉及到的损伤修复以及信息采集工作创造良好的条件。智能材料本身有着能够对内部和外部环境进行有效感知的能力，不仅能够全方位开展对于变化量的信号采集以及分析工作，达到良好的自我诊断效果，还可以实现高质量的调节和自我修复。智能材料的应用有着较高的优势。例如：有着较快的响应速度、整体性能相对稳定以及成本较低等等，在汽车的机构件粘贴或者是嵌入这种智能材料，能够帮助工作人员实现对于其各种损伤、缺陷以及载荷的提前感知和自行预报，并构建其相应的结构健康监测系统，在智能汽车的研究和发展方面有着重要价值^[1]。

2基于智能材料的汽车结构健康监测分析

结构健康监测主要指的是将传感器系统嵌入到结构的表面或者是内部，进而对人为及环境的外部激励的相应进行实时动态的获取，在此基础上，对结构的损伤以及老化信息展开相应的探测工作，高质量落实对于结构的安全可靠性评估，尽可能避免事故出现的可能性。本研究工作的开展涉及到来自信息技术、电子学、机械学以及材料学等多方面内容的学科知识，所以其从本质上来看属于一门交叉研究学科。结合当前国内外专家对于结构健康监测的研究成果来看，结构健康监测最主要的内容便在于损伤定位、载荷监测以及结构自我修复等等。现如今，结构健康监测已经实现了在各种大型建筑物和结构中的广泛应用，但当前其在汽车领域中仍存在一定的条件限制，具体包括载荷环境的复杂性以及传感器的精度以及尺寸等等。

2.1系统设计方案

本文所设计的汽车结构健康监测系统主要是基于智能材料，从实际情况来看，汽车机构的运行状况将会在极大程度上受到多方面因素的影响，所以需要对其在正常运行过程中所涉及到的相关参量的范围进行全方位的关注，以便于建立起更加高质量的综合评级体系，实现对于智能材料汽车结构健康情况的有效监测。汽车结构图如图1所示。

图1 汽车结构图

本文中所设计的结构健康检测系统，能够实时同步地开展对于相关特征参量的采集工作，并通过具有良好抗干扰性能以及高隔离性的光纤针对数据展开安全有效的传输，然后便要实时动态地进行光线发送数据的存储，进而科学开展对于相关存储数据的分析工作，以便于帮助工作人员对汽车结构健康的状况进行判断。对于汽车结构健康监测系统来说，传感系统是其至关重要的组成部分，其主要是在汽车结构表面或者是内部进行安装，进而使得相应的物理量能够实现向光信号、磁信号以及电信号的转化。与此同时，其还包括数据采集和处理系统，其最主要的作用便在于对传感系统所涉及到的数据进行收集，并针对其展开初步的处理工作。与此同时，为了能够提升系统运行的实际效果，设计人员还需要对其通讯系统进行设计，以便于更好地将完成处理工作的数据向监控中心进行传输。除此以外，应当合理进行监控中心和报警系统的设计，充分展现出相关软硬件本身所具有的诊断功能全面分析其所接收到的各种数据，并从预先所设定的损伤模型的实际情况出发，对损伤产生的位置、程度等进行科学判断，这样一来便能够实现对于结构健康状况的科学评估，一旦产生异常现象便会自动发出相应的报警信息^[2]。

对于结构健康监测系统来说，其最重要的内容和难点问题便在于如何进行损伤预测、损伤识别以及损伤分析。从目前来看，在汽车轻量化的过程中逐渐实现了对于纤维增强树脂基复合材料的推广和应用，这主要是因为其本身有着更好的耐腐蚀性、设计性等。但与此同时，其各向异性的特点也会导致汽车结构在失效模式和损伤情况方面呈现出一定的复杂性，所以后续需要进一步强化对于这种材料损伤监测的研究。由此可见，未来结构健康监测的进一步开发需要研究人员有效将智能材料自诊断、自传感特性以及损伤研究等有效融合起来，进而高效落实在线损伤识别以及定位功能，切实展现出智能材料本身所具有的自修复性能，真正达到修复结构初始损伤的效果，并在汽车领域中推广应用，充分保障汽车结构以及乘客的安全。

2.2设计难点及应对策略

该系统设计最关键的难点便在于，在射频能量相对有限的情况下仍保障系统的持续平稳运行。笔者主要从以下三方面内容着手进行分析。首先，是要在现有的基础上，推动其能量获取效率的提升，唯有如此，才能够最大限度获取能量，进而尽可能减少由于能量短缺，所产生的节点死亡问题。其次，应当对能量存储进行合理优化，以有效降低漏电流所造成的能量损耗现象。最后，则需要积极提高其能量的实际利用效率，最大限度实现对于有效能量的高效利用，为更多的信息传输提供保障。

2.2.1能量获取优化

有效实现射频能量收集效率的提升，能够在特定时间范围内更多地获取能量，相关研究人员通过分析电路设计参数本身在Dickson倍压电路的输入阻抗以及转化效率方面所产生的影响展开了详细的分析工作，最终确定，当处在输入频段以及输入功率相同的情况下，射频能量转换效率将会在极大程度上受到配压电路所使用的二极管的倍压电路和寄生参数以及前端天线的阻抗匹配程度的影响。基于此，笔者主要采用下述措施，以实现射频能量收集效率的进一步提升。

其一，阻抗匹配。

对于射频电路来说，其中所涉及到的元器件本身有着一定的电抗特性，与此同时，其天线以及负载电路的阻抗都属于复述，假定其天线的输入阻抗是：

而天线整流的电压是V_S，其负载的输入阻抗表示为：

那么便可以得出负载能够获得的功率，如下所示：

由此可见，若是X_L=-X_S与此同时R_L=R_S,负载所能够得到的功率P_L值最大，具体可以用如下公式进行表示：

若想为射频能量的最大功率传输提供保障，应当使得射频能量传感节点的输入阻抗同接收天线的阻抗之间实现共轭匹配。通常情况下来说，在完成天线设计工作之后，便能够对输入阻抗进行确定，但因为当处在低频状态下和高频状态下的时候，后端电路中的集总参数元器件所具有的工作特性存在一定的差异，所以难以从根本上为高频状态下负载电路，同天线阻抗之间的充分匹配提供保障。基于此，应当在其中积极引入LC阻抗变换网络，进而有效同天线和负载不匹配所出现的反射相抵消，尽可能降低其电磁波能量损耗的出现的可能性^[3]。

其二，RF-DC整流。

接收天线所得到的高频电磁波，本身有着幅值较低以及载波频率较高的特征，所以通常情况下来说，应当通过整流、滤波以及倍压等操作，使其向直流电进行转换。以往的整流所应用的为晶体管整流电路，但结合实际情况来看，当处在高频工作状态下的时候，该电路整体有着相对较低的整流效率，所以当面临高频场合的时候，应当结合实际情况采用肖特基二极管进行整流，同时，通过对于Dickson倍压电路的应用，实现低输入电压向高输出电压的有效转换。

每一个二极管本身就属于一个峰值探测器，当其同电容相连之后，其电容输出的直流电压和交流信号源的峰值相等。此时节电压为：

而用N阶电容所构成的Dickson倍压电路，所具有的输出电压可以表示为：

若是负载是RL，输出电压用Vin来表示，二极管的开启电压是Vth,可以按照如下公式对电容值进行计算：

该公式中的 将会在极大程度上受到来自正向电容的影响，其 小于1- 。

2.2.2能量存储优化

在对射频电磁波进行整流倍压后，能够获得5V左右的直流电，但从实际情况来看，这一直流电不能够同耗能模块直接连接，需要先在储能模块中进行存储，这样便能够为后续所开展的能量管理工作提供方便，除此以外，当面临有着较小能量分布密度的区域时，能够使用休眠和唤醒的方式，提升各模块运行和工作的成效。超级电容以及充电锂电池，都能够高效应用在无线传感器网络的储能模块当中，其中超级电容本身属于一种功率密集元件，所以需要采用物理的形式进行储能，而其容量要远远大于一般的电容，同时，还有着较快的充放电速度。同常规的电池相比，在安全性、环保型以及使用年限方面有着更大的优势^[4]。笔者充分结合了制作成本、电容寿命、工作电流以及工作电压等多方面影响因素，最终确定选用超级电容应用在本系统的储能模块当中。

储能电容本身的漏电流同电容两端电压以及电容容量之间为正比关系，在漏电过程中所产生的能量损失如下：

其同储能水平之间为正比关系，储能水平表示如下：

由此可见，当处在T周期范围之内，可以用下述公式表示正则化的漏电能量：

传感节点最优储能代价曲线如图2所示。

图2 节点最优储能水平代价函数

2.2.3能量利用优化

在能量利用的优化方面，其需要先根据传感节点的常规工作流程，在特定周期内开展相应的能量采集和存储工作，并在能量充足的情况下完成相关传感、通信和计算任务。为了有效保障节点工作的持续性和稳定性，应当科学合理地对收集能量以及消耗能量时间进行有效权衡。若是其能量收集过短，便难以保障其在一个工作周期之内完成相应的工作，但如果能量收集的时间过于长便会大幅降低能量收集的效率。传感节点工作模式如图3所示。

图3 传感节点工作模式

结论：综上所述，结构健康监测的科学落实，能够有效实现对于结构损伤的识别和定位，对于其后续的高效修复以及其未来使用年限的延长，均有着积极的促进作用。因此，相关研究人员应当加强对于该方面的重视，切实提升结构健康监测的有效性。同时，针对智能材料的研究也应给予高度关注，特别是与汽车结构有关的材料，从而为汽车行业的进一步快速、高质量发展奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]甘长红,白云,彭俊,等.一种汽车全景影像监测系统图像拼接品质测试方法的研究[J].汽车电器,2021(8):79-80.

[2]梁赞.基于Arduino和Labview的汽车自燃监测预警系统设计[J].科学技术创新,2021(9):53-54.

[3]许海波,曹家勇,吕文壮,等.汽车涡轮增压器衬套压装机加工质量监测系统研发[J].仪表技术与传感器,2021(4):80-84.

[4]朱望诚,谢振超,万信书.基于无线电能传输技术的电动汽车V2G系统关键参数监测技术[J].电力自动化设备,2018,38(11):8-14.