飞机在使用过程中，会不断经历着起飞、空中飞行、机动、着陆等过程和循环受载。由于疲劳、过载、腐蚀、意外事件等原因，会导致飞机结构产生裂纹、变形、腐蚀、烧伤等损伤。这些结构损伤必须能够及时发现并进行修理，以保证飞机始终处于良好的使用状态。
结构健康监测技术（SHM）是利用集成在结构中的先进传感器/驱动器网络，见下图，在线、实时地获取与结构健康状况有关的信息（如应力、应变、温度等），结合先进的信息处理方法和建模方法，提取结构特征参数，识别结构的完好程度和故障信息，从而实现对结构完好状态评估的一种技术体系。
结构健康监测系统应用示意图
结构健康监测技术也是一种新的结构损伤（完好状态）的检测方法，特点是把传感器粘贴/嵌入到结构中，能够提供任意时刻的结构事件或状态信息，是发展大型客机迫切需要的创新技术之一。空客和波音公司已经将结构健康监测技术的应用作为其飞机安全性的一个重要标志。
针对不同的结构特点和可能存在的损伤类型，国内外研究发展了多种损伤监测的技术手段。从检测获得的信息来分，应该分为两大类：
一种是获得一种全局响应的手段，称为状态监测，监测的数据有飞参、过载、温度、频率、振动模态等；
另一种是以感知结构局部损伤为目的的监测手段，这一类的监测手段有声发射（AE）、基于Lamb波的压电传感技术（PZT）、比较真空监测(CVM)、智能涂层(ICMS)、基于应力应变分析的损伤监测技术等。
1 状态监测技术手段
状态监测着眼于结构的整体或者全局，针对特定的监测目的，选取目标对象运行中的某一个或者几个典型参数，通过实时、在线的获得和掌握该参数的变化情况，利用已知的和先验的知识与经验，获得监测对象的不可测、或者无法直接获得的性能状况和信息。
通常状态监测都不能直接给出结构中存在问题的部位、性质、大小等量化的信息，但是它能提供结构“视情维护”的“情”的信息，可以较准确和及时反映结构的完好程度，指导检修人员进行有目的的检查。
2 损伤监测技术手段
损伤监测着眼于结构的特定部位或区域，采用一定的技术手段，实时、在线的获取该部位/区域结构发生损伤的指示信息，并将发生损伤的部位、性质以及大小等信息转化为特定的、易于感知和获取的物理量。
（1）声发射监测
声发射损伤监测的优点在于可以及早的发现损伤的发生，在裂纹/损伤萌生阶段即可感知损伤的发生，有利于确定裂纹萌生时刻；在裂纹/损伤扩展过程中，依然有声发射的现象，可利用该技术跟踪其扩展过程。
声发射监测原理图
声发射监测手段在航空结构上的应用，也面临着诸多的不利因素，由于飞机除了外部的蒙皮之外，大多都是桁架结构，杆类结构多，铆钉类连接件和连接区众多，则飞机结构在受载过程中，连接区之间的错动、摩擦等会形成多个声发射干扰源，使得信号处理复杂；桁架结构传递应力波的路径复杂，想获取特定区域发生损伤的声发射信号，传感器布置方案需要精心分析与策划。
因此，声发射监测手段在航空系统应用多年，但成功发现结构损伤的例子不多。如果用于在役飞机的损伤检测，传统声发射传感器重量的影响也不容忽视，随着技术的发展，基于光纤光栅的声发射技术将会带来声发射技术的飞跃式发展。
（2）基于Lamb波的压电传感监测
飞机蒙皮壁板结构大多为厚度小于4mm的薄板加上增加刚度的长桁构成，非常适合采用Lamb波进行损伤检测与监测。压电传感器既能利用逆压电效应激励在壁板结构中产生Lamb波，又能利用正压电效应接收和感知Lamb波，如下图所示，因此利用在飞机蒙皮壁板结构上布置的压电传感器阵列产生并感知Lamb波，再与完好结构进行对比，可获得结构损伤信息。
压电传感器的激励/传感模型
压电传感损伤监测技术近年来获得了飞速的发展和广泛的关注，传感器也有了工程化的产品（Smart layer），在飞机的复合材料框段上也开展了的功能验证工作。
布置了压电传感阵列的A350飞机复合材料框段
（3）智能涂层(ICMS)
智能涂层传感器如下图所示，是用一定厚度的电阻性材料涂布于特定几何形状的衬底上，形成一个阻值主要随涂层衬底裂纹变化而变化的电阻。衬底涂层与被监测基体紧密相关，当被监测基体产生裂纹时智能涂层也会产生裂纹，此时我们把智能涂层看作是对被监测基体裂纹敏感的电阻性传感器。通过理论计算和实验分析找出裂纹的变化量与传感器电阻的变化量之间的关系后，就可以通过测量被测点的电阻值，来间接了解被监测点的裂纹状态。
智能涂层传感器外观
ICMS具有多通道电阻巡检测量的功能。系统安装、调试完成后，首先测量并保存每一个传感器的初始电阻值（即被测点未产生裂纹前的电阻值），作为基准值；以后每一次的测量值都和基准值比较，产生差值，通过检查差值，了解被监测点的健康状态；当差值大于某设定阈值时表示已产生裂纹；当差值无穷大时表示传感器已断裂，基体裂纹已大于智能涂层监测的范围。
智能涂层传感器的优点是可根据被监测对象定制传感器、可在螺栓垫片下的孔边布置、可承压、灵敏度高；缺点是只能监测传感器覆盖区域。智能涂层是为数不多的已经计划用于在役飞机上的损伤监测技术。
（4）比较真空监测
下图中蓝色和红色部位，一边维持真空，一边维持正常气压，两者相互间隔，维持一个压差。当没有裂纹的时候，压差保持不变，当出现裂纹的时候，裂纹使得两者的间隔中间形成一个通路，导致气体在压差驱动下流动，从而导致压差的变化。通过监测压差和流量，就可以发现裂纹以及裂纹的大小、数量。
CVM传感器裂纹检测原理
CVM传感器采用聚合物构成，可以形成各种形状和大小，以适应各种不同表面形状的要求，可以监测几乎任何位置裂纹的产生和发展，包括起落架、机翼，机身、浆叶等。CVM传感器具有高可靠性，可以忍受诸如高温等极端的环境，不对结构产生影响。缺点是只能监测传感器覆盖区域，传感器不能承压。
CVM裂纹检测系统是澳大利亚SMS公司基于其专利的传感器技术开发的实时裂纹检测系统。CVM技术目前是波音、空客、BAE系统公司等首选的飞机结构裂纹检测系统，被广泛应用到部件和全机疲劳试验、材料试验中；并开始被波音和空客公司集成到飞机结构健康监测系统的一部分，从而大量地减少日常检查所需的工时。CVM系统可以实时监测裂纹的产生及发展。
（5）基于应力应变分析的损伤监测
应变监测的优势是监测手段成熟，劣势是需要先验的理论数据库和比对基准，还有就是只能指示该区域是否有异常，还需要后续通过无损检测进行再确认。
结构发生损伤/异常的应变变化情况
近年来快速发展的光纤光栅（FBG）监测技术，本质上来说，还是一种应变监测技术，只是应变的测量手段变了而已。
基于应力应变分析的损伤监测技术，在实际工作中，对多次应变异常区域的后续检测中，都发现了结构中的损伤/缺陷。
3 结构健康监测技术发展现状
国内重点发展的主要有声发射损伤监测、智能涂层裂纹监测技术、基于应力应变分析的应变监测技术、光纤传感器应变监测技术与压电传感器损伤监测技术。针对上述传感技术，国内在传感器封装、安装技术、传感器环境补偿技术、损伤定位方法、损伤识别和评估技术、结构健康监测系统集成等方面进行了大量深入的研究。
中国飞机强度研究所、中国商飞北研中心、中航工业计量所、南京航空航天大学、厦门大学、西安交通大学、大连理工大学、哈尔滨工业大学等单位相继开发出了拥有自主知识产权的监测设备和传感器封装技术；在压电技术、光纤光栅传感技术、智能涂层技术等的研发和工程化应用方面做了大量的工作，一些技术已经在地面试验中进行了验证，有些已经开始进入飞行测试验证阶段。
节选自《2016中国无损检测年度报告》
本文作者：宁宁，中国飞机强度研究所结构损伤监测技术研究室
