阅读说明：本技术 面向列车转向架主动探伤的柔性传感装置及方法 (Flexible sensing device and method for active flaw detection of train bogie ) 是由 董文涛 黄永安 刘林芽 王晓明 朱臣 姚道金 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种面向转向架主动探伤的柔性压电传感阵列,利用压电阵列的电致伸缩效应和压电感知能力,柔性传感阵列贴合在高速列车转向架的构架复杂曲面上,主动电致伸缩功能单元在外加激励信号作用下产生Lamb波信号,其它压电被动感知检测主动单元发射Lamb波在转向架上传播的信号,与主动压电单元发送的Lamb波信号相比较,分析发射的Lamb波信号与检测到Lamb波信号之间的关系,用于检测转向架结构的损伤情况,预测高速列车转向架的结构损伤位置,实现高速列车转向架的在线健康监测。(The invention discloses a flexible piezoelectric sensing array for active flaw detection of a bogie, which is attached to a complex curved surface of a framework of a high-speed train bogie by utilizing the electrostrictive effect and the piezoelectric sensing capability of the piezoelectric array, wherein an active electrostrictive functional unit generates a Lamb wave signal under the action of an external excitation signal, other piezoelectric passive sensing detection active units transmit a Lamb wave signal transmitted on the bogie, the Lamb wave signal is compared with the Lamb wave signal transmitted by an active piezoelectric unit, and the relation between the transmitted Lamb wave signal and the detected Lamb wave signal is analyzed and used for detecting the damage condition of the bogie structure, predicting the structure damage position of the high-speed train bogie, and realizing the online health monitoring of the high-speed train bogie.)

面向列车转向架主动探伤的柔性传感装置及方法

技术领域

本发明涉及轨道交通结构健康监测与柔性电子领域，特别涉及一种用于列车转向架主动探伤的柔性压电传感装置及方法。

背景技术

转向架上部支撑车体，下部通过轴箱、车轴和轮对传力，承受并传递从车体至车轮之间或从轮轨至车体之间的各种载荷及作用力，是保障车辆安全行驶的关键结构，其结构健康状态直接影响整个列车的行驶状态，影响高速列车运行的动态性能、轮轨之间的振动、环境噪声等等，转向架结构健康监测技术具有广阔的应用空间，转向架结构健康检测技术极具研究价值。

当前，高速列车转向架在运行过程中承受复杂的载荷行驶，其实测载荷、实测应力和试验标定的载荷密切相关，结构健康监测技术是指保留被检测对象完整性的条件下，运用声、光、电、磁等物理方法，对结构损伤进行实时监测。龚卫、陈喜红、贺世忠等公开了一种轨道车辆、转向架及脱轨检测装置，通过位移检测机构用于检测下侧梁相较于上侧梁的运动位移量是否大于预设值，在大于时，位移检测机构发出脱轨报警信号，实现转向架的结构健康监测(一种轨道车辆、转向架及脱轨检测装置，2019106826516)。目前高速列车转向架的结构健康监测装置主要是离线监测，在转向架中安装较为复杂，通过解析传感器采集的结构状态数据，以此来探测转向架的结构状态信息，对应探伤装置与检测方法还有待深入研究，面向转向架结构健康监测的柔性传感阵列与主动探伤方法将实现对列车转向架结构健康监测技术的快速发展，柔性压电传感阵列集成电致伸缩主动发射单元和被动压电感知单元，利用Lamb波技术实现，主动Lamb波监测技术的监测原理是通过激励器在结构件中产生激励信号，然后采集传感器中的响应信号，对接收到的Lamb波信号进行分析处理，从而提取出转向架损伤与损伤部位信息。

实际中，高速列车转向架结构健康监测在业界与学界受到了越来越多的关注，特别是近年来我国轨道交通行业的高速发展，面向高速列车转向架的结构健康监测装置与方法都得到了快速发展。柔性电子技术具备超薄超轻特点，将与转向架复杂曲面保持共形，提高监测与采集信号的灵敏度。柔性压电传感阵列集成电致伸缩主动发射单元和被动压电感知单元，采用Lamb主动探伤技术应用于结构健康监测与环境状态测试，将在高速列车领域大有可为，实现柔性电子技术与轨道交通行业的深度融合。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第一目的在于发明一种用于列车转向架结构健康主动探测的柔性压电传感阵列，利用压电阵列的电致伸缩效应和压电感知效应，所发明压电阵列中包括主动电致驱动单元和被动压电单元，通过柔性压电薄膜阵列的主动驱动和被动感知联合功能实现转向架结构健康监测。进一步地，本发明柔性传感阵列，具有超轻、超薄特点，贴合在高速列车转向架中构架部件的复杂曲面，并与之保持共形接触，不影响列车高速运动过程中的动态性能，提高监测列车转向架结构健康监测精度，为高速列车的稳定高效行驶提供技术支持。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第二目的在于发明一种基于柔性压电传感阵列的列车转向架主动探伤方法，利用 Lamb(兰姆)波技术实现结构健康监测的主动探测，所发明的柔性 3*3压电传感阵列，总共包含9个压电传感单元，其中一个主动发射 Lamb波的压电单元，其在外加激励信号作用下产生Lamb波信号， Lamb波信号在转向架上进行传播。另外8个压电单元为被动感知信号单元，用于检测主动压电单元发射Lamb波在转向架传递中的信号，各个被动感知单元采集相应波信号，与主动压电单元发送Lamb波信号相比较，分析发射Lamb波信号与检测到Lamb信号间的关系，用于检测转向架结构损伤情况，实现高速列车转向架在线结构健康监测，提高列车行驶的安全等级。

进一步地，所述的一种用于列车转向架结构健康主动探测的柔性压电传感阵列，通过微机电加工制备技术在多晶硅衬底上加工制备柔性压电传感阵列(主要包括薄膜沉积、光刻图案化、封装、激光剥离等)。通过激光剥离技术实现柔性压电传感阵列从多晶硅衬底上成功剥离，并将柔性压电传感阵列贴合在转向架焊接部位的侧曲面上，用于转向架结构健康的在线监测，所发明柔性压电传感阵列制备方法包括以下主要步骤：

(1)采用标准清洗工艺清洗多晶硅衬底，支持柔性压电传感阵列的后续工艺制备；

(2)旋涂制备牺牲层薄膜，并加热固化聚合物薄膜，支持后续的金属薄膜沉积与图案化工作；

(3)在聚合物薄膜表面旋涂光刻胶，通过正胶反转工艺完成金属薄膜图案化，实现底电极的加工制备；

(4)通过磁控溅射压电陶瓷薄膜，利用光刻曝光与湿法刻蚀工艺完成压电陶瓷薄膜图案化；

(5)溅射金属薄膜用作顶电极，利用光刻曝光与湿法刻蚀工艺完成顶电极图案化；

(6)旋涂聚合物薄膜，完成多层功能薄膜结构的封装，然后光刻图案化和氧气反应离子刻蚀工艺完成通孔结构制备；

(7)通过磁控溅射制备金属薄膜，利用光刻曝光与湿法刻蚀工艺完成金属引线图案化，实现与功能薄膜的底电极和顶电极之间的互连；

(8)调节激光剥离的工艺参数，实现柔性压电传感阵列从透明玻璃基上分离；

(9)将成功剥离的柔性压电传感阵列转印到柔性衬底上，并将柔性感知装置贴合在高速列车转向架的构架复杂曲面上。

进一步地，所述的一种用于列车转向架结构健康主动探测的柔性压电传感阵列，集成主动电致驱动单元和被动压电感知单元，主动压电单元在外加激励信号作用下产生Lamb波信号，并在转向架上进行传播，被动压电感知单元，检测主动压电单元发射Lamb波在转向架传递中的信号，分析发射信号与接收信号之间的关系，实现高速列车转向架的结构健康监测。

进一步地，所述的一种用于列车转向架结构健康主动探测的柔性压电传感阵列，具有超薄、超轻特点，与高速列车转向架的兼容性强，不影响列车的正常行驶状态，便于大规模推广应用。本发明的柔性压电传感阵列采用微机电加工和激光剥离技术实现压电传感阵列的制造，支持工业规模批量生产制造。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于本发明用于列车转向架主动探测的柔性压电传感阵列，具有超薄、超轻特点，与转向架中构架这一结构的复杂曲面表面共形接触，用于监测列车转向架的结构健康；本发明的柔性压电传感阵列，集成主动电致驱动单元和被动压电单元，利用压电阵列的电致伸缩效应和压电感知效应，通过主动发射Lamb波信号对列车转向架主动探伤，探测方式简便和精度高，柔软特性易于集成到列车转向架表面，有助于列车转向架的实时在线监测，主被动探伤方法适用性强，易于推广到高速列车其它部件的结构健康监测。

本发明用于列车转向架结构健康主动探测的柔性压电传感阵列，包括主动电致驱动单元和被动压电单元，实现了主动探测列车转向架的结构健康和实时记录列车运行中转向架的结构健康信息，为列车转向架的损伤检测提供了新的柔软装置与检测方法，提高列车正常行驶的维护管理水平。

综上所述，本发明的柔性压电传感阵列，具有超薄、超轻特点，实现了与转向架中构架的复杂曲面表面间无缝集成，不影响列车正常行驶，能够主动发射探测波信号用于列车转向架的结构探伤，同时还会实时记录列车长时间服役过程中结构健康状态信息，为高速列车中关键构件在线监测提供了可行的技术方案，有助于提升轨道交通行业的智能化水平，推广柔性电子技术在交通行业的大规模应用。

附图说明

图1为典型列车转向架结构，存在复杂曲面结构，柔性压电传感阵列能实现当前部位的结构健康监测。

图2为柔性压电传感阵列贴合在列车转向架中的构架复杂结构示意图，其中左图为列车转向架结构示意图，右图为发明的柔性压电传感阵列示意图，包括主动驱动单元用于发射Lamb波信号和被动压电感知单元用于采集信号。

图3为压电功能单元的结构示意图，主要包括多层薄膜结构。

图4为柔性压电传感阵列的制备工艺过程，主要包括微机电加工制备和激光剥离技术。

图5为用于柔性压电传感阵列制备中的掩膜版图案，其中，图5a 为底电极对应的掩膜版图案；图5b为压电陶瓷薄膜对应的掩膜版图案；图5c为顶电极对应的掩膜版图案；图5d为聚合物隔离层对应的掩膜版图案；图5e为金属引线对应的掩膜版图案。

图6为柔性压电传感阵列复杂变形示意图，其中，图6a为柔性压电传感阵列成扭转状示意图；图6b为柔性压电传感阵列与圆柱表面保持共形接触示意图。

图7为基于Lamb波的主动探伤原理示意图，图7a为典型Lamb 波示意图；图7b为基于压电阵列主动发射Lamb波的探伤示意图。

图8为基于柔性压电传感阵列在列车转向架结构健康监测的应用流程。

图中符号意义说明如下：

11-转向架中的构架；12-抗侧滚扭杆装置；13-上枕梁；14-轮对； 15-驱动装置；16-轮对轴箱悬挂定位装置；17-空气弹簧；18-减震器； 19-制动轮。

21-定位座；22-构架表面；23-柔性压电传感阵列；24-横向减震器座；25-空气弹簧座。31-柔性衬底；32-主动驱动单元；33-被动感知单元。

41-聚合物隔离层；42-金属底电极；43-压电陶瓷薄膜；44-金属顶电极；45-聚合物穿孔；46-金属引线。

71-对称模式；72-非对称模式；73-主动电致驱动单元；74-被动感知单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，典型的列车转向架结构，主要包括转向架中的构架11、抗侧滚扭杆装置12、上枕梁13、轮对14、驱动装置15、轮对轴箱悬挂定位装置16、空气弹簧17、减震器18和制动轮19。参见图2，所发明的柔性压电传感阵列贴合在转向架构架的复杂曲面上，用于转向架的结构健康监测。图2的左图为柔性压电传感阵列贴合在转向架的复杂曲面示意图，其中列车转向架中的构架主要包括定位座21、构架表面22、柔性压电传感阵列23、横向减震器座24和空气弹簧座 25。柔性压电传感阵列23贴合与构架的曲面表面22保持共形接触，实现列车行驶过程中的转向架结构健康监测，提高高速列车运行的安全行驶和维护水平。图2的右图为发明的柔性压电传感阵列示意图，包括主动驱动单元32用于发射Lamb波信号和被动压电感知单元33 用于采集信号，主动驱动单元32和被动感知单元33均集成在同一柔性衬底31上，具有超薄、超轻特点，能够实现与转向架曲面结构无缝集成。

图3为发明柔性压电传感阵列中的单个压电功能单元示意图，主要包括聚合物隔离层41、金属底电极42、压电陶瓷薄膜43、金属顶电极44、聚合物穿孔45和金属引线46。压电陶瓷薄膜43的上下层具有金属薄膜用于将外加负载作用下将压电薄膜产生的电压信号引出来，通过聚合物隔离层(一般用聚酰亚胺薄膜，厚度约为1.2微米) 41将上下层电极隔离开，防止上下层金属电极短路。通过氧气反应离子刻蚀工艺实现聚酰亚胺薄膜的图案化，并且在聚酰亚胺薄膜上开孔，分别将压电陶瓷的上下层电极引出来，再通过热蒸发工艺制备金属引线46，并在聚酰亚胺通孔也沉积相应的金属材料，保证金属引线46与压电陶瓷薄膜43的底电极42和顶电极44相连接，将压电功能传感单元产生的压电信号引出来，以此实现转向架的结构健康监测。

例如图4，为用于列车转向架结构健康监测的柔性压电传感阵列的制备工艺过程，主要包括微机电加工制备和激光剥离技术，结合所设计的不同结构对应的掩膜版图案(图5)，所发明的柔性压电传感阵列制备方法包括以下步骤：

(1)采用丙酮、乙醇、去离子水等溶液对多晶硅衬底依次进行清洗，采用氮气吹干多晶硅衬底；

(2)在清洗好的多晶硅衬底旋涂制备聚酰亚胺薄膜(速度2000 转/分钟)，厚度为5微米，并加热固化聚合物薄膜，支持后续的金属薄膜沉积与图案化工作；

(3)在聚合物薄膜表面旋涂光刻胶(AZ5214)，运用掩膜版(图 5a)图案，通过正胶反转工艺进行光刻曝光，将掩膜版(图5a)中的图案转移到AZ5214光刻胶上，然后在图案化上沉积金属薄膜(10 纳米厚的金属铬和200纳米厚的金)，然后通过丙酮去胶工艺将AZ5214光刻胶去掉，完成金属薄膜的图案化，实现底电极的加工制备；

(4)在制备好底电极的衬底上，通过磁控溅射制备压电陶瓷(锆钛酸铅压电陶瓷)薄膜(功率为150瓦，时间为3小时，溅射压强为0.8帕)，厚度为300纳米压电陶瓷薄膜。旋涂AZ5214光刻胶，运用掩膜版(图5b)中的图案进行光刻曝光，将掩膜版图5b中的图案转移到压电陶瓷薄膜表面的光刻胶上，通过显影将转移后的图案呈现出来，也就是压电陶瓷薄的图案，然后在盐酸缓冲液中通过湿法刻蚀完成压电薄膜的图案化制备，通过丙酮去掉残留在压电薄膜表面的光刻胶，完成压电陶瓷薄膜的沉积与图案化工作；

(5)磁控溅射沉积顶电极薄膜(10纳米厚的金属钛和200纳米厚的铂)，运用图5c中的掩膜版图案，通过光刻曝光与湿法刻蚀工艺完成顶电极的图案化；

(6)在制备好带有上下层电极的压电功能薄膜上，旋涂制备一层聚酰亚胺聚合物薄膜，完成多层陶瓷薄膜结构的封装，实现压电陶瓷薄膜上下层电极的隔离。然后旋涂光刻胶AZ4620(厚度为10微米)，结合图5d中对应的掩膜版图案，通过光刻曝光技术完成AZ4620光刻胶的图案化，在反应离子刻蚀机中采用氧气反应离子刻蚀工艺完成聚酰亚胺聚合物薄膜的图案化，完成通孔结构的制备；

(7)通过磁控溅射制备金属薄膜(10纳米厚的金属铬和200纳米厚的金)，结合图5e掩膜版中的图案，利用光刻曝光与湿法刻蚀工艺完成金属引线的图案化，使用通孔技术实现金属引线与压电功能薄膜的底电极和顶电极之间的互连，将压电感知功能信号引出来；

(8)调节激光剥离的工艺参数，从底部扫描通过多晶硅衬底，利用不同材料之间热膨胀系统的不一致，实现支撑基板为聚酰亚胺的柔性压电传感阵列从多晶硅衬底上成功分离；

(9)将成功剥离的柔性压电传感阵列转印到柔性衬底上，并将柔性感知装置贴合在高速列车转向架的构架复杂曲面上，为实现高速列车转向架的实时结构健康监测。

参见图6，所发明的柔性压电传感阵列具备良好的复杂变形能力，能够被扭转成复杂变形形式(图6a)，和圆柱表面保持共形接触(图 6b)，表明柔性压电传感阵列能与高速列车转向架复杂曲面表面保持共形接触，不影响高速列车的正常行驶的动态性能，能准确、可靠获取高速列车运动过程中转向架这一关键部件的结构健康状态信息，有助于提升轨道交通的智能化水平。

图7为基于Lamb波的主动探伤原理示意图，其中，图7a为典型Lamb波示意图存在横波与纵波互相耦合特点，可以分为对称模式 71和反对称模式72两种，两种模式彼此相互独立地在转向架中传播。

图7b为基于压电阵列主动发射Lamb波的探伤示意图，实现转向架结构健康监测的主动探测，在所发明的柔性压电传感阵列，其中一个主动发射Lamb波的压电单元73，其在外加激励信号作用下产生 Lamb波信号，Lamb波信号在转向架上进行传播，其它压电感知信号单元74检测主动压电单元发射Lamb波在转向架传递中的信号，各个被动感知单元采集相应的Lamb波信号，与主动压电单元发送的 Lamb波信号相比较，分析发射的Lamb波信号与检测到Lamb信号之间的关系，用于检测转向架结构的损伤情况，为确定转向架损伤部位提供技术支持，实现高速列车转向结构健康在线监测。

图8为基于柔性压电传感阵列在列车转向架结构健康监测应用的流程，具体包括以下步骤：

(1)将制备好的柔性压电传感阵列，贴合在转向架构架的曲面表面，并与之保持共形接触，提高采集信号的精度与可靠性；

(2)将左上方的压电功能单元用作主驱动单元，将对应的引脚与在外加电压信号模块相连，并向这一压电功能薄膜模块施加相应的电信号，使其产生Lamb波信号，用于转向架构架的主动探伤检测；

(3)主动激发的Lamb波信号将在转向架曲面表面的各个方向进行传播；

(4)另外8个压电感知单元模块将分别采集到由于主动压电驱动功能单元产生的波信号；

(5)分别比较不同被动感知单元采集到信号与发射Lamb信号之间的关系，比较信号的相同与不同之处；

(6)根据分析采集到的波信号与发射Lamb信号之间的异同点， Lamb波信号是否丢失，或者检测到Lamb信号是否包含杂波信息等，以此探测不同传播方向上Lamb信号异常情况，实现转向架的结构健康监测；

(7)比较不同感知阵列信号间的异同点，分析其与主动发射 Lamb信号间的内在关系，为准确定位转向架的损伤部位提供依据。所发明的柔性压电传感阵列能够主动探测转向架结构疲劳和实时采集列车运行过程转向架的结构健康信息。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。