會(huì)簽 研究目的和意 結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)傳感器安裝技術(shù)研 應(yīng)變傳遞研 應(yīng)變傳遞理論模 應(yīng)變傳遞影響因素分 應(yīng)變傳遞理論模型驗(yàn)證實(shí) 膠層對(duì)壓電傳感器激勵(lì)/接收信號(hào)的影 理論模型研 試驗(yàn)設(shè) 膠層對(duì)信號(hào)幅值的影 膠層對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影 結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)傳感器安裝方 小 傳感器應(yīng)變承受能力測(cè)試技 現(xiàn)有研究方 傳感器應(yīng)變承受能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)平 傳感器應(yīng)變承受能力實(shí)驗(yàn)結(jié) 高應(yīng)變載荷對(duì)阻抗信號(hào)的影 小 傳感器預(yù)壓應(yīng)力施加技術(shù)研 預(yù)應(yīng)力施加技術(shù)方 預(yù)緊圓環(huán)研究與設(shè) 預(yù)應(yīng)力傳感器加 預(yù)緊力傳感器性能測(cè) 小 適用于結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)域的新型傳感器封裝技 壓電智能層封裝設(shè) 探頭封裝設(shè) 小 結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)傳感器陣列布設(shè)技 高應(yīng)變區(qū)傳感器陣列設(shè)計(jì)方 結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)傳感器陣列布設(shè)方 傳感器分區(qū)布置策 傳感器陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)方 小 壓電傳感器新材料研 無(wú)鉛壓電陶 BaTiO3無(wú)鉛壓電陶 鉍層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶 鎢青銅結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶 鈮酸鉀鈉（KNbO3-NaNbO3）基無(wú)鉛壓電陶 鈮酸鉀鈉（KNN）無(wú)鉛壓電陶 水熱法鈮酸鉀、鈮酸鈉粉 鈮酸鉀鈉（KNN）無(wú)鉛壓電陶瓷的壓電性 鈮酸鉀鈉（KNN）無(wú)鉛壓電陶瓷的力學(xué)性 結(jié) 參考文 行器結(jié)構(gòu)的性能或破壞。無(wú)論是金屬還是復(fù)合材料的飛行器結(jié)構(gòu)，損傷通常發(fā)生在不易觀使用以安裝在結(jié)構(gòu)上的傳感器陣列為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(Structuralhealthmonitoring,SHMA320、A340、A350A380等型飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一個(gè)關(guān)鍵因素是先進(jìn)傳感技術(shù)及其系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)包括光纖傳感、壓電傳感、電磁傳感、無(wú)線傳感系統(tǒng)、ES4,5]331800個(gè)傳感器，用來(lái)完成機(jī)上系統(tǒng)健康狀態(tài)信息的獲取[6]Pror等[7](2004比較了不同類(lèi)型傳感器()在航天器上應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)。型的結(jié)構(gòu)康監(jiān)技(基于動(dòng)法8、基法9和基阻抗1])從而廣泛用?；诓ǚǖ拇硇缘墓ぷ魇撬固垢４髮W(xué)研發(fā)的壓電智能夾層傳感器陣列[11,2]，目前已在飛行器上進(jìn)行了超聲導(dǎo)波健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的驗(yàn)證。NSAngley中心目前正在研究基于壓電光纖的傳感新概念技術(shù)，同時(shí)也在研究新的模型以更好地了解和薄板結(jié)構(gòu)中的可導(dǎo)模態(tài)聲波，同時(shí)也在研究基于自然界仿生的傳感器連接方式使數(shù)據(jù)獲取硬件最小化，并提高數(shù)據(jù)處理效率。基于阻抗法的代表性工作是NASALangey中心Leret25機(jī)身結(jié)構(gòu)和C17機(jī)身上驗(yàn)證了基于阻抗法結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性[3]SHM的可靠14,15。m等1]21)rnl的主元分析技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，并在機(jī)身和機(jī)翼連接結(jié)構(gòu)處的螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。Annmdas和adhika[10](2013)SHM技術(shù)在金屬和非金屬結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展。設(shè)計(jì)和操作以適應(yīng)這種獨(dú)特的環(huán)境提出了嚴(yán)峻。用于航空航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電傳感器一般包括壓電陶瓷傳感器(又分為單晶和多晶兩種類(lèi)型)、高分子壓電傳感器(如聚乙烯聚合物，PVDF)和復(fù)合壓電傳感器(如PVDF和PZT復(fù)合)。這一類(lèi)壓電傳感器一般都要經(jīng)過(guò)極化處論模型，分析不同楊氏模量的環(huán)氧樹(shù)脂及其膠層厚度對(duì)應(yīng)變傳遞的影響，為傳感器設(shè)計(jì)和膠層傳感器對(duì)Lamb波信號(hào)的激勵(lì)和接收，并且建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。EdwardF.Crawley等人[17]建立了傳感器、膠層和基底結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，主要用來(lái)分析傳感器激勵(lì)信號(hào)時(shí)，應(yīng)變的傳遞過(guò)程。VictorGiurgiutiu等人[18]進(jìn)行了類(lèi)似的工作，建立了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)論，膠層上的剪應(yīng)要分布在邊緣位置。MaziarMoradi[19]利用相同的方法對(duì)MEMS傳感器監(jiān)膠監(jiān)測(cè)結(jié)壓電傳感器監(jiān)測(cè)系般如圖1所示，傳感器通過(guò)膠粘劑粘貼到監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)上。傳感器器上的最大應(yīng)變方向與拉伸方向基本一致，這就保證了膠監(jiān)測(cè)結(jié)12[19]（1）（2）（3）只21表1模擬中涉及的符號(hào)及取值符 含 取 傳感器厚度 傳感器彈性模量 膠層彈性模量 基底結(jié)構(gòu)厚度 基底結(jié)構(gòu)彈性模量PZT傳感器只產(chǎn)生水平位移ub和up，根據(jù)彈性力學(xué)連續(xù)性假設(shè)和位移與應(yīng)變之間的關(guān)系，可以得到則基底結(jié)構(gòu)和PZT傳感器的應(yīng)變分別為[17]dub

dup，=upub

d b b 其中，α與應(yīng)變的分布情況有關(guān)，此處為均勻拉伸，所以2。pEpp,bEbb,aGa由于pba，所以將式子（3）帶入式子（2） EdpGaupua

H

aba b

a

對(duì)上面的式子進(jìn)行求導(dǎo)，消去up和ua得aE a

p H

E aH ab H ad4p2d2p0,d4b2d2b 其中，和2 (1

),

p B 4cosh 1 1 b 1 1xl2處，材料的壓電常數(shù)，由于只考慮水平方向的應(yīng)變，所以這里只需要考慮d31，即徑向伸縮式的傳感器。而基底結(jié)構(gòu)由于外載荷的作用，變形為0，所以問(wèn)題的邊界條件如下所示。 xl dV/ xl dV/h, B （d31V,BB0,B d h ()cosh

將四個(gè)待定系數(shù)代入式（8）后就可以到的傳感器上的應(yīng)變p和鋁板上的應(yīng)變b的表達(dá)式。再代入式（1）和式（3）后，最終可以得到膠層上剪切應(yīng)變的表達(dá)式。GaEa(d31V)sinh GE cosh pb 因?yàn)橹饕槍?duì)高應(yīng)變區(qū)域的應(yīng)變傳遞情況，所以由傳感器壓電性能產(chǎn)生的應(yīng)變與結(jié)構(gòu)應(yīng)變相比要小很多，基本可以忽略不計(jì)，所以在這里認(rèn)為d31V/hp0。這時(shí)，就得到 1coshx coshl0 cosh

()coshcoef 1coshx coshl1中給定的數(shù)值，同時(shí)給定邊界條件030004所示的應(yīng)變傳遞從圖3和圖4可以直觀的看出，傳感器上的高應(yīng)變區(qū)域主要集中在傳感器中心部位，這個(gè)90%。因此，安裝在高應(yīng)變區(qū)域內(nèi)的傳感器破壞時(shí)首先從傳感器中間部位開(kāi)始斷裂，圖3基底結(jié)構(gòu)和傳感器上的應(yīng)變分布情 圖4傳感器徑向上的應(yīng)變傳遞系 555的結(jié)果來(lái)看，膠層的厚度、彈性模量，以及傳感器的通過(guò)本節(jié)的內(nèi)容，對(duì)壓電傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)變傳遞情況進(jìn)行了理論分析，并且得出通過(guò)對(duì)應(yīng)變傳遞系數(shù)的分析，就可以得出影響應(yīng)變傳遞效率的主要因素。這樣就通過(guò)理論推導(dǎo)，得到了高應(yīng)變區(qū)域的壓電傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)變傳遞關(guān)系，對(duì)影響應(yīng)變傳遞效率的因素有了初步的了解。但是在求解應(yīng)變傳遞關(guān)系時(shí)，將問(wèn)題簡(jiǎn)化為了一維問(wèn)元模型，比較準(zhǔn)確的分析應(yīng)變的傳遞情況。因此，分別結(jié)合與ABAQUS計(jì)2尺寸彈性模量5ABAQUS提供了強(qiáng)大的線性和非線性有限元分析功能，幫助更直觀的分析和認(rèn)識(shí)料參數(shù)如表2所示。6件，鋁板左端面約束X方向位移，鋁板一個(gè)側(cè)面約束Y方向位移，底面約束Z方向位移，同時(shí)在基底結(jié)構(gòu)鋁板X(qián)方向的右端施加位移載荷，從而使基底產(chǎn)生均勻的X方向位移場(chǎng)。（C3D8析后，最終確定網(wǎng)格尺寸為0.5mm，網(wǎng)格數(shù)量40196。67ABAQUS得到的傳感器與膠層接觸的面上的應(yīng)變分布云圖，傳感器上最大變形為327950000.6558。由于713ABAQUS計(jì)算結(jié)果對(duì)比。從結(jié)果別，但傳感器上表面邊緣處的應(yīng)變基本趨近與0，與理論分析結(jié)果一致，如圖8所示。8面的章節(jié)中，已經(jīng)對(duì)壓電傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)變傳遞情況進(jìn)行了理論分析，并且最終得到了應(yīng)變傳遞效率計(jì)算公式（14。 同時(shí)與ABAQUS計(jì)算得到的結(jié)果相對(duì)比。Chopra（2000）也進(jìn)行了類(lèi)似的探討，他們都從數(shù)值分析上得出了剪力滯后系數(shù)。剪力滯Maziar等人對(duì)粘貼到結(jié)構(gòu)表面的微電子系統(tǒng)應(yīng)變傳感器（MEMS）的應(yīng)變傳遞情況進(jìn)行了1中的初始數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型。但是為了分析每個(gè)變量對(duì)應(yīng)變傳遞效率的影響，所以在分析時(shí)，每次只改變單一變量的取值范圍，以得到各個(gè)參數(shù)的。x0處，隨著剪力滯后系數(shù)趨于0，傳感器上最大應(yīng)變逐漸趨近0。9遞效率，進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9和圖10所示。（a）25 （b）50 （c）100圖10不同膠層厚度時(shí)傳感器上的應(yīng)變分布（25m、50m、100m從計(jì)算結(jié)果可以看出，無(wú)論分析的結(jié)果，還有有限元計(jì)算的結(jié)果都表明膠層厚度的增加將導(dǎo)致應(yīng)變傳遞效率的降低，與理論分析結(jié)果一致。相同厚度時(shí)，ABAQUS計(jì)算的結(jié)果小于理論分析的結(jié)果，但相差很小，只有0.05左右。導(dǎo)致這個(gè)現(xiàn)象的主要原因分析是建X方向的應(yīng)力應(yīng)變小于理論分析結(jié)果。從傳感器上的應(yīng)變分布情況來(lái)看，隨著膠層厚度的增加，傳感器上的高應(yīng)變區(qū)域越來(lái)越向中間集中，如圖10所示。11公式（7）和公式（14）來(lái)看，隨著膠層彈性模量的增加，coshl將逐漸趨于無(wú)窮大，導(dǎo)致應(yīng)變傳遞效率逐漸趨近于/(a)，這個(gè)極限值主要有傳感器和基底結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度比決定。同樣利用ABAQUS和，在其他參數(shù)不改變的情況下，控制膠層的彈性模量以看出，無(wú)論是還是ABAQUS，兩者的計(jì)算結(jié)果都表明傳遞效率隨著膠層彈性模量的增大而增大，而且ABAQUS偏大。當(dāng)膠層彈性模量增加到一定程度 圖12不同膠層彈性模量時(shí)傳感器上的應(yīng)變分布（2GPa、4GPa、6GPa）從傳感器上的應(yīng)變分布云圖12系數(shù)的影響較大當(dāng)傳感器厚度為0.2mm時(shí)，無(wú)論分析結(jié)果還是ABAQUS計(jì)算結(jié)果，應(yīng)變的傳遞系數(shù)都比較大，為0.6~0.7。當(dāng)傳感器的厚度增加到1mm后，應(yīng)變傳遞系數(shù)迅速降低到0.3~0.4。但根據(jù)ABAQUS計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)傳感器厚度達(dá)到0.6mm以后，應(yīng)變傳遞效率降低速如圖14所示。13 圖14不同傳感器厚度時(shí)傳感器上的應(yīng)變分布（0.4mm、0.6mm、1mm）15 圖16不同半徑時(shí)傳感器上的應(yīng)變分布（2mm、4mm、6mm）（7感器上的最大應(yīng)變產(chǎn)生影響。從公式（12）來(lái)看，傳感器上最大應(yīng)隨著傳感器半徑增加逐漸減小，應(yīng)變傳遞效率隨之降低。從圖15S2mm時(shí)，應(yīng)0.374mm0.70.85000左右的應(yīng)變。而新型的納米壓1718 （b）60 圖18不同彈性模量時(shí)傳感器上的應(yīng)變分布（40GPa、60GPa、100GPa本節(jié)中，在對(duì)壓電傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行理論數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，分別利用有限元ABAQUS和數(shù)值計(jì)算對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了分析。在給定了一個(gè)初始的參數(shù)設(shè)置之后，度增加到0.6mm后應(yīng)變基本維持不變；前面一節(jié)中，已經(jīng)從理論分析和有限元模擬的角度，對(duì)壓電傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)變傳傳感器和膠層并不是完全各向同性材料，只用彈性模量和泊松比不能真實(shí)反應(yīng)材料的力學(xué)行為；基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)變傳遞情況進(jìn)行直觀的觀察分析，并及近些年出現(xiàn)的新型光線應(yīng)變傳感器測(cè)量法，如圖19所示[20]。a）1b）測(cè)量精度高，一般小于1%；探測(cè)器發(fā)生。形成及極大值對(duì)應(yīng)的入射光的波長(zhǎng)與多模光纖纖芯的折射率、纖芯半徑由于傳感器上的應(yīng)變很小，所以需要較高的應(yīng)變測(cè)量精度，所以實(shí)驗(yàn)方案選擇應(yīng)變片進(jìn)行X120.5AA3m*2.m。為了使傳感器承受高應(yīng)變的載荷環(huán)境，實(shí)驗(yàn)中選擇了如圖20所示的試件，總體尺寸為400mm*50mm，厚3mm2024鋁。試件上表面等635mm，5個(gè)傳感器位于中間高應(yīng)變區(qū)域，一個(gè)傳感器位于左側(cè)低應(yīng)變區(qū)域。同時(shí)，在傳感器下表5個(gè)傳感器，高應(yīng)變區(qū)域上下表面的傳感器對(duì)稱分布，在非高應(yīng)變區(qū)域布置一個(gè)傳感器，進(jìn)行Lamb波信號(hào)的激勵(lì)，同一側(cè)內(nèi)的其余傳感器進(jìn)行Lamb波信號(hào)的度進(jìn)行控應(yīng)變區(qū)域的傳感器膠層厚度依25m50m75m100m125m。了3種不同的環(huán)氧樹(shù)脂膠對(duì)傳感器進(jìn)行粘貼，制作了共3個(gè)試件。同應(yīng)變等級(jí)下應(yīng)變的傳遞情況，所以每隔500進(jìn)行一次加載和，得到傳感器和鋁板的應(yīng)變，以及傳感器的阻抗信號(hào)和Lamb波信號(hào)，用于后面的分析。201Lamb2~65個(gè)傳感器同樣焊接導(dǎo)線，通過(guò)阻抗分析儀測(cè)試傳感器的阻抗信息。整體實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖22所示，包括拉伸機(jī)、應(yīng)變分析儀、阻抗分析儀、ScanGenie以及引伸計(jì)。圖21粘接傳感器的試 圖22實(shí)驗(yàn)測(cè)試系膠層厚度對(duì)應(yīng)變傳遞效率影響分23HysolEA9395環(huán)氧樹(shù)脂膠。在試件500間隔增加，對(duì)傳感器上的應(yīng)變進(jìn)行100m的傳感器上的應(yīng)3000125m的傳感器上表面的應(yīng)變高于膠層厚度為100m的傳感器上表面的應(yīng)變，導(dǎo)致這個(gè)結(jié)果的原因還是應(yīng)變片粘貼的問(wèn)題，因?yàn)殡S著載荷的增加，膠層厚度為100m的傳感器上表面的應(yīng)變出現(xiàn)了明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)點(diǎn)。膠層的應(yīng)變傳遞系數(shù)如圖24所示，總體上來(lái)看應(yīng)變傳遞效率隨著載荷增加呈現(xiàn)降低的趨（1123不同膠層厚度時(shí)鋁板和傳感器上表面應(yīng)變圖24不同厚度時(shí)的應(yīng)變傳遞系數(shù)HysolEA939625所示，其中膠層厚度為50m的傳感器在粘接過(guò)程中損壞，沒(méi)有粘貼應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。從結(jié)果25m2500125m的傳感器上表面的應(yīng)變最小，為1600左右。25不同膠層厚度時(shí)鋁板和傳感器上表面應(yīng)變26不同厚度時(shí)的應(yīng)變傳遞系數(shù)HysolEA93962627不同膠層厚度時(shí)鋁板和傳感器上表面應(yīng)變十分接近，與9395環(huán)氧樹(shù)脂膠時(shí)的應(yīng)變傳遞情況類(lèi)似。圖28不同厚度時(shí)的應(yīng)變傳遞系數(shù)通過(guò)對(duì)比3種環(huán)氧樹(shù)脂膠的應(yīng)變傳遞情況，可以發(fā)現(xiàn)隨著膠層厚度增加，傳感器上面應(yīng)變同樣保持線性增加載荷變傳遞系數(shù)隨膠層厚度增加而減HysolEA9396環(huán)氧樹(shù)脂膠區(qū)別最明顯，而其余兩種膠應(yīng)變傳遞系數(shù)隨膠層厚度的改變不是很顯著。HysolEA9396環(huán)氧樹(shù)脂膠的穩(wěn)定性最好，隨著載荷增加應(yīng)變傳遞系數(shù)基本維持不變,說(shuō)明膠層性能基本沒(méi)有受到載荷的影響。HysolEA9395Araldite環(huán)氧Henkel公司給出的使用說(shuō)明，HysolEA9395HysolEA9396兩種環(huán)氧樹(shù)脂膠力學(xué)性100-300PaSHysolEA93953.5PaS，所以導(dǎo)致兩種環(huán)氧樹(shù)脂膠的應(yīng)變膠層彈性模量對(duì)應(yīng)變傳遞的影25m的傳感器圖29膠層彈性模量對(duì)應(yīng)變傳遞效率的影響（25mEA93950.9左右，Araldite環(huán)氧樹(shù)脂膠的應(yīng)變EA9395環(huán)氧樹(shù)脂膠的應(yīng)變傳遞系數(shù)都大于HysolEA9396m125m時(shí)，三種膠層的應(yīng)變傳遞系數(shù)大小關(guān)系又與25m時(shí)一致。1543MPa，HysolEA9396環(huán)氧樹(shù)脂膠后的拉伸彈性模量為2750MPa，泊松比按0.3處理，得到剪切彈性模量約為1508.8MPa，Araldite環(huán)氧樹(shù)脂膠在0°C時(shí)剪切彈性模量為1200MPa。9395>9396>Araldite25m125m30器時(shí)選擇何種楊氏模量粘接劑及所要控制的膠層厚度給出一些參考。試驗(yàn)考慮四種楊氏模 壓電傳感器和結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)態(tài)相互作用可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的一維模型來(lái)描述,31所示。v)塊的一端是固定的,另一端通過(guò)粘結(jié)層連接到結(jié)構(gòu)上，這個(gè)結(jié)構(gòu)可以表示為一個(gè)單度系31Zd2YEYja(a31 Zd2YE Z 31 Y——電導(dǎo)納（逆阻抗）Zs——結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗 ——在零應(yīng)力下的壓電————壓電晶片的幾 1Ks/Km2jc Km2jc k2

EEE該情形僅在完美粘貼下才會(huì)發(fā)生，即當(dāng)KsKb0,i.e.KbKs。頻率圖32阻抗與系數(shù)32所示，當(dāng)減小時(shí)，阻抗也隨著減小，由KsKbKb由粘結(jié)層決定。粘結(jié)層的厚度hs和剪切模量GsKb有顯著的影響.關(guān)于剪切滯后的影響，研究表明與Gshsp p1Ks 1pwpGs和C是常數(shù)。該式表明隨著站膠層厚度h的增加系數(shù) Zshs 模量Gs的減小系數(shù)試驗(yàn)中通過(guò)對(duì)比壓電傳感器粘接在結(jié)構(gòu)上的阻抗參數(shù)及激勵(lì)/Lamb波信號(hào)的幅值和穩(wěn)分為四組，每組膠層厚度從25m到125m依次遞增，每25m為一個(gè)傳感器的膠層厚度間隔。具體傳感器布置如圖33和圖34所示。在壓電傳感器激勵(lì)/接收Lamb波信號(hào)的試驗(yàn)中使用Acellent公司的ScanGenie設(shè)備進(jìn)頻率步長(zhǎng)為25kHz，采樣頻率為12MHz，激勵(lì)電壓為50V。3名 APC尺寸 ?=8,???????=密度 機(jī)電耦合系數(shù) 壓電電壓常數(shù)??33 24.8×壓電常數(shù)??33 400×相對(duì)介電常數(shù) 頻率常數(shù)????????. 彈性模量E 33不同楊氏模量的膠層及其厚度對(duì)壓電傳感器激勵(lì)/在壓電傳感器的阻抗參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)中試驗(yàn)WayneKerrElectronics公司的阻抗6500B，振動(dòng)模態(tài)的頻率。根據(jù)3種膠給出的使用說(shuō)明書(shū)，25°C時(shí)，HysolEA9395環(huán)氧樹(shù)脂膠后的剪切模量34不同楊氏模量的膠層及其厚度對(duì)壓電傳感器激勵(lì)/接收信號(hào)影響的試驗(yàn)493959396剪切模量在掃頻范圍測(cè)量阻抗及阻抗實(shí)部（即電阻隨后各路徑的Lamb波信號(hào)，為檢測(cè)信號(hào)重復(fù)性在同樣試驗(yàn)條件下共Lamb波信號(hào)5次。以下公式可用于計(jì)算信號(hào)差異指（DamageSSAS

其中AreaScat和AreaBase分別代表差異信號(hào)的頻域面積和基準(zhǔn)參考信號(hào)的頻域面積?？捎上?/p>

Area fhU(f fl和fh表示由激勵(lì)信號(hào)決定的信號(hào)帶寬，而U*f表示信號(hào)的頻35為膠層厚度25μm10k-19k量減小而系數(shù)隨之減小，從而阻抗減小，與理論中圖32愛(ài)牢愛(ài)牢DW-ImpedanceImpedance 1 Frequency

x35膠層厚度25m愛(ài)牢愛(ài)牢Re(Z)Re(Z) Frequency x圖36膠層厚度25μm36為膠層厚度25m200k-500k時(shí)的不同楊氏模量膠層的阻抗實(shí)部圖，圖中可以看出不同楊氏模量膠層所粘接傳感器的頻率不同，Araldite、9396環(huán)氧膠頻率均在400kHz左右，9395環(huán)氧膠頻率在350kHz左右，DW-1的頻率在300kHz左37為膠層厚度25m時(shí)不同楊氏模量膠層在各頻率下所接收信號(hào)的幅值，其中信號(hào)均經(jīng)過(guò)Hilbert變換處理，最后得到結(jié)果與圖36所測(cè)得頻率情況較為一致，即在頻率處信37不同膠層激勵(lì)/Lamb45Araldite10k-19k時(shí)的不同膠層厚度的阻抗圖，可看出隨著膠層厚度增大而系數(shù)39Impedance Frequency x38Araldite結(jié)果來(lái)看，隨著膠層厚度增加，頻率出現(xiàn)后移。相對(duì)應(yīng)傳感器的信號(hào)幅值見(jiàn)圖39，由圖39可以看出隨著膠層厚度增加，Lamb400k逐漸后移至275k左右，與阻抗頻率的變化趨勢(shì)一致。39Araldite作粘接劑時(shí)不同膠層厚度激勵(lì)/Lamb409395200k-500k頻率范圍內(nèi)所測(cè)得的阻抗實(shí)部圖，06-感器頻率約由420k向后偏移至320k左右，相對(duì)應(yīng)傳感器的信號(hào)幅值見(jiàn)圖41，Lamb波信較大時(shí)，信號(hào)達(dá)到最大幅值的頻率減小，其中膠層厚度為100m時(shí)，頻率約為250kHz.Re(Z)Re(Z)2345Frequency5x409395419395環(huán)氧膠作粘接劑時(shí)不同膠層厚度激勵(lì)/Lamb429396200k-500k頻率范圍內(nèi)所測(cè)得的阻抗實(shí)部圖，11-感器頻率約由420k向后偏移至300k左右。相對(duì)應(yīng)傳感器的信號(hào)幅值見(jiàn)圖43，Lamb波信號(hào)達(dá)到最大幅值的頻率隨著膠層厚度增加而逐漸減小，其中膠層厚度為125m時(shí)，頻率約為300kHz.Re(Z)Re(Z)2345Frequency5x429396439396環(huán)氧膠作粘接劑時(shí)不同膠層厚度激勵(lì)/Lamb44DW-1200k-500k頻率范圍內(nèi)所測(cè)得的阻抗實(shí)部圖，16-20號(hào)感器頻率的變化較小，可能是由于DW-1在常溫下的模量較小的緣故。相對(duì)應(yīng)傳感器的信從275kHz后移至225kHz。Re(Z)Re(Z)2345Frequency5x44DW-145DW-1作粘接劑時(shí)不同膠層厚度激勵(lì)/Lamb同膠層厚度的Lamb波信號(hào)來(lái)說(shuō)，在頻率處，信號(hào)幅值達(dá)到最大。接下來(lái)通過(guò)試驗(yàn)不同楊氏模量膠層及其厚度對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影響，從而在不影響監(jiān)測(cè)效率的情況下選擇不同楊氏模量膠層及膠層厚度。試驗(yàn)測(cè)試頻率范圍50kHz-400kHz，測(cè)試了4種楊氏模量膠層，5205Data01-Data05。圖46給出了Data01為參考信號(hào)，路A12在掃頻范50kHz-400kHz時(shí)各組數(shù)據(jù)SASS0.04以下，若50kHz，SASS指數(shù)均0.03以下，一般情況下，出現(xiàn)微小損傷SASS值會(huì)0.1以上，甚0.8左右SASS0.04以下說(shuō)明同樣條件下不同中心激勵(lì)頻率的信號(hào)穩(wěn)定性良好，且隨著中心激勵(lì)頻率增大SASS指數(shù)減小。條路徑在頻300kHz時(shí)各組數(shù)據(jù)的信號(hào)差異（DamageIndex-SASS圖中可以看出SASS0.03水平以下，說(shuō)明同樣條件下不同路徑的信號(hào)穩(wěn)定性良好。因此不同楊氏模量膠層及厚度并不會(huì)對(duì)在中心激勵(lì)頻率為300kHz時(shí)的信號(hào)產(chǎn)生顯著性影響。PathA1toDamageDamage0507510012515017520022525027530032535037546Data01A12DamageDamageA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1to47Data01300kHz總體來(lái)說(shuō)，使用楊氏模量越大粘接劑的傳感器所接收到的信號(hào)幅值更大一些，并且對(duì)于不的mb波信號(hào)來(lái)說(shuō)，頻處，信號(hào)幅達(dá)到最大從信號(hào)穩(wěn)性方面說(shuō)不同楊氏模量膠層及厚度并不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生顯著性影響。因此選擇粘接劑的楊氏模量越大的，所激勵(lì)中心頻率范圍越接近頻率，信號(hào)幅值越大，監(jiān)測(cè)效率越高。4848情況，最終選擇結(jié)構(gòu)應(yīng)變最大的結(jié)果作為監(jiān)測(cè)區(qū)域最大應(yīng)變，保證傳感器在極限最大載荷下不在逐漸降低。所以可以選擇不同厚度的薄膜來(lái)進(jìn)行膠層厚度控制，而不是控制薄膜的層數(shù)。49及傳感器的尺寸和彈性模量。之后結(jié)合有限元ABAQUS和數(shù)學(xué)對(duì)同種環(huán)氧樹(shù)脂膠，隨著膠層厚度的增加，應(yīng)變傳遞效率在逐漸降低，與理論分析結(jié)果25m時(shí)傳遞系數(shù)為0.75，當(dāng)膠層厚度增加到125m后，應(yīng)變傳遞系數(shù)減小到0.3。環(huán)氧樹(shù)脂膠的膠層厚度相同時(shí)，隨著膠層彈性模量的減小，應(yīng)變傳遞效率在逐漸降低。HysolEALamb波信應(yīng)變載荷環(huán)境，同時(shí)不影響傳感器激勵(lì)、接收Lamb波信號(hào)。高應(yīng)變環(huán)境將導(dǎo)致傳感器的性能受到影響，為了對(duì)傳感器應(yīng)變承受能力進(jìn)試，就需要傳感器是否出現(xiàn)脫粘和斷裂的情況；二是利用壓電傳感器到的Lamb波信號(hào)對(duì)傳感器的性試驗(yàn)時(shí)分別將傳感器粘貼到飛機(jī)2024-T3級(jí)鋁試件上，在拉伸機(jī)上進(jìn)行加載實(shí)現(xiàn)高應(yīng)變承受能大；最后試件在7200時(shí)被拉壞，壓電陶瓷傳感器失效的形式是在橫截面上出現(xiàn)裂紋。載荷作用影響下性能的改變。加載歷程給定后，可以得到信號(hào)幅值的相對(duì)改變值0。Kusaka認(rèn)為，無(wú)論是靜載還是循環(huán)載荷，在應(yīng)變沒(méi)有達(dá)到構(gòu)件的靜態(tài)破壞應(yīng)變，SMARTLayerTM集成PZT傳感器的性能就保持不變。而且SMARTLayerTM集成PZT傳感器在循環(huán)載荷作用時(shí)，如果航空航天大學(xué)教授課題組研究了粘貼在結(jié)構(gòu)表面壓電陶瓷在機(jī)械載荷作用下的以下因素密切相關(guān)：(1)壓電元件的厚度(2)基體材料的厚度(3)膠層厚度(4)基體材料的彈性模理工學(xué)Eric等研究循環(huán)應(yīng)變PZT性能的影響同時(shí)還考慮不同粘接劑(MBond200和雙組分環(huán)氧膠)Pitch-catch模式的主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，響應(yīng)變量采取傳感器接收信號(hào)的積分幅值，即在給定Lamb波飛行時(shí)間窗口內(nèi)的信號(hào)幅值的平方和的平方根。Underwood33006000PZT積分幅值發(fā)生了顯著降低。面變進(jìn)實(shí)析已經(jīng)好個(gè)平，用100KN電液伺服動(dòng)靜試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行鋁板加載。100KN發(fā)研制的系列產(chǎn)品。主要用于測(cè)試各種金屬材料、高強(qiáng)塑料以及類(lèi)似材料的動(dòng)靜力學(xué)性能。主要技術(shù)參數(shù)：靜負(fù)荷以及動(dòng)負(fù)荷量為100k，靜態(tài)負(fù)荷精度為值的1（20%起50mm%FS為0.00150Hz弦0.00120HzH3816N50所可測(cè)60點(diǎn)，主要技術(shù)參數(shù)為采樣速度60點(diǎn)/秒；適用應(yīng)變計(jì)電阻值可在60～20000Ω范圍內(nèi)任1.0～3.0可進(jìn)行任意修正；測(cè)量應(yīng)變范圍為±19999με；最高分辨率為1με；系統(tǒng)示值誤差為不大于0.5%±3με；零漂不大于4με/4h；自動(dòng)平衡范圍:±15000με（應(yīng)變計(jì)阻值誤差的1.5%；長(zhǎng)導(dǎo)線電阻修正范圍為0.0～100Ω。也可以進(jìn)行Lamb波的激勵(lì)接收和50H3816N20Hz15MHz，可以測(cè)量的參數(shù)包括阻抗以及電感(L)的基本精確度能夠達(dá)到±0.05%，消耗因素(D)精確度達(dá)到±0.0005，品質(zhì)因素(Q)精516500B同時(shí)采用采用Acellent公司生產(chǎn)的集成設(shè)備ScanGenie進(jìn)行Lamb波的激勵(lì)和接收，如圖52。Acellent公司生產(chǎn)的集成設(shè)備ScanGenie，支持多通道激勵(lì)/接收，可調(diào)整帶通濾波和增益，主要技術(shù)參數(shù)：頻率范圍為10~700kHz，采樣頻率包括6,12,2448MS/s，分辨率為12Bits，功率放大器范圍±75V。將試件夾持到拉伸機(jī)后進(jìn)行一次信號(hào)，作為Baseline信號(hào)，之后通過(guò)引伸計(jì)控制試件上的應(yīng)變，每間隔500進(jìn)行一次。知道當(dāng)試件上的應(yīng)Lamb波激勵(lì)和接收時(shí)，采取掃頻的方式激勵(lì)Lamb波，頻率區(qū)間為50KHz到400KHz，間隔25Khz。對(duì)阻抗信號(hào)進(jìn)行時(shí)，頻率范圍是10Khz到10MHz。接收Lamb波信號(hào)的傳感器圖52HysolEA93955312000之前，隨著載荷增加傳感54250KHz800KHz內(nèi)傳感器的局部阻抗信號(hào)，對(duì)542000200054圖53不同應(yīng)變下的阻抗曲線（9395-25m800KHz（9395-為了計(jì)算和表征載荷對(duì)阻抗值信號(hào)產(chǎn)生的影響，定義了一個(gè)信號(hào)變化指數(shù)RMSD，計(jì)RMSD

nI0220 I0N為阻抗信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)，Ih為膠層厚h時(shí)的信號(hào)幅值，I0Baseline信號(hào)的幅值。55552000之前RMSD2000RMSD0.520002500后，RMSD2以上，說(shuō)明在這個(gè)拉伸過(guò)程中傳感器的性能發(fā)生了很明顯的改變。為了表征傳感器對(duì)高應(yīng)變載荷的承受能力，定義阻抗值信號(hào)突變載荷n，此處55RMSD（9395-25m50m562500453.7KHz673.6KHz。同樣對(duì)阻抗信號(hào)進(jìn)行變化800KHz（9395-57RMSD（9395-50m75m，傳感器的應(yīng)變承受能力又得到了提升，阻抗信號(hào)突變載荷提3000582500之前，阻抗信號(hào)隨載荷增加發(fā)生很小變化，信號(hào)整體向下偏移。當(dāng)載荷達(dá)到3000之后，阻抗信號(hào)的諧振頻率由436.1KHz增加到575.1KHz436.1KHz58中天0.52.5，說(shuō)明傳感器的阻抗信號(hào)發(fā)生了非常明顯的變圖800KHz（9395-100m75m60403KHz436.1KHz。卸載過(guò)后，阻抗信號(hào)回復(fù)初始狀態(tài)，但是由于參與塑性變形，阻抗m60800KHz（9395-61RMSD（9395-100m75m100m62125m時(shí)，在整個(gè)拉伸過(guò)程中傳感器阻抗信號(hào)都沒(méi)有發(fā)生很明顯的改變，這說(shuō)明隨著膠層厚度的增加，傳75m100m的傳感器在粘貼時(shí)可能出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致兩個(gè)傳感器的膠層厚度比較接近，應(yīng)變承受能力基本相同。從圖63隨著載荷的增加阻抗信號(hào)的變化指數(shù)增長(zhǎng)十分緩慢，當(dāng)載荷增加到4000時(shí)變化指數(shù)MSD0.5左右。800KHz（9395-RMSD曲線可以發(fā)現(xiàn)，在阻抗信號(hào)突變載荷之前，RMSD0.5500進(jìn)行一次測(cè)量，可能會(huì)導(dǎo)致一些偏差。從圖64不同膠層厚度下的阻抗信號(hào)損傷指數(shù)HysolEA66RMSD基本3000RMSD1左右，在整個(gè)加載過(guò)程中RMSD指數(shù)也沒(méi)有發(fā)生突變的情況，這說(shuō)應(yīng)變載荷并沒(méi)有對(duì)傳感器的阻抗性能圖800KHz（9396-800KHz（9396-67。68RMSD變化指數(shù)隨膠層厚度800KHz（9396-800KHz（9396-69RMSD值平緩增加，基本維持線性關(guān)系。這說(shuō)應(yīng)變載荷并沒(méi)有使傳感器阻抗性能發(fā)生很明顯的改變。與HysolEA9395環(huán)氧樹(shù)脂膠粘接下的傳感器阻抗信號(hào)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，HysolEA9396圖69不同膠層厚度下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)膠層厚度25m時(shí)，傳感器阻抗信號(hào)突變載2000。在2000載荷之前，阻抗信432.9KHz572.2KHz。載荷卸去之后，阻抗信號(hào)回復(fù)到初始狀態(tài)，如圖70中天藍(lán)色曲線所示。800KHz（Araldite-71RMSD仍比較大，導(dǎo)致這個(gè)現(xiàn)象的當(dāng)膠層厚度增加50m時(shí)，阻抗信號(hào)的突變載荷同樣2000，與膠層厚度25m時(shí)圖800KHz（Araldite-載荷卸去后，阻抗信號(hào)的變RMSD1左右，是25m2倍，表明隨膠層厚度增加載荷對(duì)傳感器阻抗信號(hào)造成的影響更大，如圖73所示。的影當(dāng)載荷增加到2500時(shí)，傳感器阻抗信號(hào)發(fā)生了非常明顯的變頻率由407KHz增加到593.2KHz。800KHz（Araldite-從阻抗信號(hào)變化指數(shù)曲線來(lái)看，當(dāng)載荷增加2500時(shí)，RMSD值迅速0.5增加2左RMSD0.7左圖76所示。載荷卸去后，阻抗信號(hào)基本回復(fù)到加載前的狀態(tài)，但通過(guò)對(duì)阻抗信號(hào)變化指數(shù)RMSD進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，卸載后的阻抗信號(hào)與加載前的阻抗信號(hào)之間仍存在比較大的區(qū)別，說(shuō)800KHz（Araldite-圖當(dāng)膠層厚125m時(shí)，4000的高應(yīng)變載荷已經(jīng)不能對(duì)傳感器阻抗信號(hào)造成影響，如分析可以得出同樣的結(jié)論，在拉伸過(guò)程中RMSD值基本沒(méi)有發(fā)生太大變化，。800KHz（Araldite-綜合對(duì)比不同膠層厚度時(shí)阻抗信號(hào)的變化指數(shù)RMSD，結(jié)果。從中可以初步突變后的RMSD值越大（不包括膠層厚度為125m的信號(hào)，未發(fā)生突變）3、卸載后阻抗信號(hào)圖80不同膠層厚度下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)HysolEA9395RMSD有了很明顯的增大，這RMSD值差別的原因只能是環(huán)氧樹(shù)脂膠的不根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，HysolEA9395環(huán)氧樹(shù)脂膠具有更優(yōu)良的粘接性能。對(duì)三種環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行室溫和長(zhǎng)時(shí)間放置后發(fā)現(xiàn)，Araldite環(huán)氧樹(shù)脂膠粘接性能，已經(jīng)出現(xiàn)脫粘的情況所以在拉伸過(guò)程中，Araldite環(huán)氧樹(shù)脂膠會(huì)出現(xiàn)損壞，出現(xiàn)膠層的脫粘或者是膠層開(kāi)裂的情況。HysolEA93959396環(huán)氧樹(shù)脂膠力學(xué)性能基本一致，根據(jù)環(huán)氧樹(shù)脂膠給出的使用說(shuō)明，主要區(qū)別在于兩種膠的粘度，9395100~300PaS93963.5PaS。實(shí)驗(yàn)結(jié)Lamb波信號(hào)的穩(wěn)定性對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有至關(guān)重要的作（1）HysolEA傷指數(shù)（DI。當(dāng)膠層厚度25m81SSET為時(shí)域內(nèi)的損傷指數(shù)。SDAS為頻域內(nèi)的損傷指數(shù)。由于載荷導(dǎo)致Lamb波的距離和速度發(fā)生改變，所以時(shí)域內(nèi)的損傷指數(shù)比頻域內(nèi)的損傷指數(shù)大很多，并且隨著載荷的增加，SSET指數(shù)越來(lái)越大，而SDAS指數(shù)基本維持不變。從圖81中可以看出，載荷卸去之后SDAS0，而外載荷達(dá)到最大時(shí)，SDASSSSET指數(shù)都達(dá)到最大值，SSET1.5左右，SDAS指數(shù)為0.2左右。當(dāng)膠層厚度達(dá)到50m時(shí)，傳感器接收的Lamb波信號(hào)基本維持相同的變化趨勢(shì)，SSET指膠層厚度為75125m，LambSSET0.55，而頻域內(nèi)的損傷指數(shù)SDAS變化不大，。HysolEA當(dāng)膠層厚度為25m時(shí)，Lamb波信號(hào)損傷指數(shù)。從圖中可以看出，無(wú)論SSET還是頻域損傷指SDSA都很小，相同厚度和相同載HysolEA9395環(huán)氧樹(shù)脂膠粘接時(shí)的最大SSETSDAS指數(shù)分別1.20.2，而使HysolEA9396粘接時(shí)時(shí)域損SSET0.35，頻域損傷指數(shù)同樣保持在0.2左右。加載出現(xiàn)問(wèn)題，鋁板變形控制出現(xiàn)誤差。當(dāng)載荷繼續(xù)增加到3000SDAS值增長(zhǎng)趨勢(shì)回復(fù)平緩。愛(ài)通過(guò)對(duì)比分析傳感器阻抗值信號(hào)和Lamb波信號(hào)，得到了每種環(huán)氧樹(shù)脂在不同厚度時(shí)數(shù)和Lamb波損傷指數(shù)，可以得到傳感器應(yīng)變承受能力與膠層彈性模量和厚度的關(guān)系。4000HysolEA939525m2500，當(dāng)膠層厚度增加到125m時(shí)臨界載荷增加到4000；指數(shù)僅為0.1；84Lamb的阻抗信號(hào)和Lamb波信號(hào)都產(chǎn)生一定的改變。但是當(dāng)載荷卸去后，阻抗值信號(hào)和Lamb信號(hào)都回復(fù)初始狀態(tài)，說(shuō)明傳感器在4000的高應(yīng)變環(huán)境下沒(méi)有損壞，能夠承受高應(yīng)變載荷。到的Lamb信號(hào)同樣出現(xiàn)變化。傳感器的監(jiān)測(cè)能力在高應(yīng)變環(huán)境下會(huì)受到不同程度的影響。Lamb波信號(hào)發(fā)現(xiàn)，膠層厚度的增加會(huì)提高傳感器的應(yīng)變承受要表面在膠層厚度增加后傳感器阻抗值信號(hào)更穩(wěn)定，阻抗信號(hào)突變載荷隨膠層厚度增大；Lamb波信號(hào)損傷指數(shù)更小，提高傳感器損傷監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)[22,23規(guī)壓電陶瓷的彈性模量約為20GPa到40GPa50MPad要求略小于圓片型壓電晶片的直徑D，圓環(huán)高度與壓電晶片厚度t相同（如圖85與圖86。利用有限元85相同，要求小于120℃，則由于空心圓環(huán)的熱膨脹效應(yīng)使得壓電晶片能夠恰好置于圓環(huán)；然后逐漸降低溫度箱中的溫度至室溫25℃，則由于空心圓環(huán)的冷卻收縮效應(yīng)使得空進(jìn)而使結(jié)構(gòu)對(duì)壓電傳感器施加的總拉伸應(yīng)力變小，達(dá)到提高傳感器承受高應(yīng)變承載能力的目的；86根據(jù)預(yù)應(yīng)力施加方案，利用圓環(huán)在溫度降低之后的收縮變形，為傳感器提供在粘貼之前的感器施加不同的預(yù)緊力。為了能夠最大限度的提高傳感器的高應(yīng)變承受能力，在傳感器設(shè)計(jì)之5彈性模量（）泊松比密度（kg3）2024-T3Q195HT350銅首先需要確定的是金屬圓環(huán)的材質(zhì)，為此選擇利用有限元對(duì)金屬圓環(huán)降溫收縮的過(guò)程進(jìn)行模擬，進(jìn)而得到不同材質(zhì)金屬圓環(huán)給傳感器施加的預(yù)緊力。為此選擇了幾種材料屬性比較穩(wěn)定的金屬進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算和對(duì)比，所選擇的材料以及材料屬性如表5所示。利用有限元ABAQUS建立如圖87所示的有限元模型，其中傳感器半徑4mm，厚25120℃的溫度場(chǎng)，無(wú)位移邊87 T3（a）應(yīng)變區(qū)域一般都是在傳感器中心部位，所以主要關(guān)注傳感器中心部位的平均應(yīng)變，作為用銅作為金屬圓環(huán)時(shí)，傳感器中心部位的應(yīng)變?yōu)?54.4，可以最大程度的提高傳感器的應(yīng)89因?yàn)樵诩庸そ饘賵A環(huán)時(shí)，圓環(huán)的內(nèi)徑需要略小于傳感器的尺寸，溫度升高后使傳感器恰好同樣利用有限元ABAQUS，建立金屬圓環(huán)的有限元模型，材料選擇為表5中的銅。給12025℃，此時(shí)金屬圓環(huán)的尺寸就可以作為加工環(huán)在加工時(shí)，內(nèi)徑需要比傳感器尺寸小7m，從而產(chǎn)生預(yù)期的預(yù)緊力。0.4mm，寬度0.5mm。對(duì)金屬圓環(huán)進(jìn)行升溫至120度后，將傳感器嵌套到金屬圓環(huán)內(nèi)，之后冷卻到室溫，使傳感器產(chǎn)生預(yù)緊力，加工好的試件如圖90所示。19.76MPa的收縮應(yīng)力，296.5的收縮變形。根據(jù)文獻(xiàn)[23]57.6Mpa19.76MPa34%90行一次傳感器阻抗值信號(hào)，掃頻區(qū)間為10KHz到10MHz。91 （a）2000之前 圖92無(wú)環(huán)傳感器的阻抗值信號(hào)93I(n)2Ih0I0I(n)2Ih0I0 2000到了4000，傳感器阻抗信號(hào)突變載荷增加以一倍以上。94傳感器是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的器件，其通過(guò)粘接方式安裝于結(jié)構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的在與鎢粉混合物，上述組成部分采用鋼制外殼密封。這種結(jié)構(gòu)一方面可以使壓電晶片免受空氣氧95接在空氣中容易出現(xiàn)氧化；壓電晶片本身較脆容易斷裂；壓電晶片的粘貼性能難以保證一匹配d為聲波波長(zhǎng)的(2n1)4倍，其中n0,1,2,，以達(dá)到最佳的聲波能量透射效率。但在傳感器聲學(xué)匹聲阻抗相近，此時(shí)聲阻抗全透射條件為聲阻抗厚度d，相當(dāng)于薄膜?？紤]匹配層的機(jī)械防護(hù)抗之間的氧化鋁硬質(zhì)陶瓷作為傳感器的匹配層，厚度選為0.5mm。阻尼665437211.匹配層，2.壓電晶片，3.阻尼層4.正電極引線，5.負(fù)電極引線，6.射頻接口，7.外殼圖96探頭封裝結(jié)構(gòu)示意圖97外殼及電氣接接口采用了圓錐狀射頻接口設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)不但起到了良好的電磁作用，同時(shí)也方便了傳感9697。通過(guò)對(duì)傳感器施加一定的預(yù)緊力使之任何的諸、膠等耦合劑。陣列的區(qū)域。因此針對(duì)高應(yīng)變區(qū)，以在避開(kāi)可能造成傳感器損傷的區(qū)域的前提下覆蓋象，以使傳感器陣列在避開(kāi)可能造成傳感器損傷的區(qū)域的前提下達(dá)到預(yù)期覆蓋率為優(yōu)化目布置區(qū)域模塊和傳感器陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊。利用本章傳感器陣列布設(shè)技術(shù)可以在保證高98得出結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)可能存在的典型損傷形式并確定損傷出現(xiàn)概率較高的區(qū)域作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。 95%，在施降低傳感器失效的。在傳感器陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊中利用傳感器陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[1]與高（第二強(qiáng)度理論）進(jìn)行狀態(tài)，只要最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變1達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值，就要發(fā)生脆性斷裂破壞。1(23)[高的位置采用傳遞效率較低的膠層（采用模量較高的膠層或提高厚度）并提高該位置的冗測(cè)算法為基于Pitch-Catch信號(hào)模式的損傷指數(shù)方法；根據(jù)檢測(cè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式確定傳感器Pitch-Catch信號(hào)路徑有效范圍的輪廓是橢圓，其焦點(diǎn)為激發(fā)傳感器和接收傳感器。在傳覆蓋范圍是由每條路徑的有效范圍疊加而成的。路徑覆蓋范圍如式1所示e (P) le

l

接收傳感器的波程，le為路徑的有效波程范(20)表示如果點(diǎn)P在有效波程le圍成的范圍內(nèi)，置損傷的檢出概率為0。個(gè)邊和對(duì)角線為信號(hào)路徑，具體設(shè)置形式如圖99所示。 9921所示：M Cpath(i) Cpath(i)(P)M P1

(P)

path(iCnetworkA

×4×7針對(duì)傳感器陣列檢出概率的優(yōu)化方法一般有兩種設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的方法：覆蓋區(qū)中造成的損失，采用的目標(biāo)函數(shù)是傳感器陣列的覆蓋率。歸納起來(lái)，的優(yōu)化問(wèn)題可以提煉成，求最優(yōu)的傳感器個(gè)數(shù)n Cnetwork 2n 100

10095%n+1作為結(jié)果，否則在每條陣本章針對(duì)高應(yīng)變區(qū)域傳感器陣列布設(shè)問(wèn)題提出了相應(yīng)的布設(shè)方案。本章結(jié)構(gòu)高應(yīng)變優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊。利用本章傳感器陣列布設(shè)技術(shù)結(jié)合高應(yīng)變區(qū)信號(hào)試驗(yàn)和膠層傳遞效前面一章中從傳感器層面出發(fā)，對(duì)傳感器預(yù)壓應(yīng)力施加技術(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)使傳感（a（1- （b（1- （c（1- (A=Ba\Ca；B=Zr\Sn)大量的研究表明，BaTiO3無(wú)鉛壓電陶瓷被摻雜后，其壓電性能有了一定的提高，可以作為BaTiO3無(wú)鉛壓電陶瓷的居里溫度較低，可以應(yīng)用的溫度范圍和區(qū)間也就比較有限，因此，在一些環(huán)境下就無(wú)法得到應(yīng)用，使用起來(lái)很不方便；2）BaTiO3無(wú)鉛壓電陶瓷只有在較高的溫不好，壓電性能和介電性能比較差；3）通過(guò)摻雜改性，BaTiO3無(wú)鉛壓電陶瓷的壓電性能沒(méi)有Bi0.5Na0.5TiO3無(wú)鉛壓電陶（a）(1-x-y)NBT-xMNbO3-（b）(1-x-y)NBT-xBaTiO3-（c）(1-x)NBT-xABO3（A=Bi、La；B=Fe、（d）(1-x)NBT-xANbO3（A=K、Li、xTiO3（A（f）(1-x)NBT-xk0.5Bi0.5TiO3：1（鈦酸鉍鈉2i050i（鈦酸鉍鈉i05i（鈦酸鉍鈉無(wú)鉛壓電陶瓷取向生長(zhǎng)較好；3i0505（鉍層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷最早被Aurivllius所發(fā)現(xiàn)，鉍層狀結(jié)構(gòu)化合物的化學(xué)通式為：(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-鉍層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷是由鈣鈦礦層(Bi2O2)2+和(Am-1BmO3m+1)2-層交替排列者組成的復(fù)合離子；BTi4+、Ta5+、Nb5+、Co3+、Mo6+、Cr3+6的離子或由組成的同時(shí)不同的工藝也會(huì)對(duì)鉍層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷性能產(chǎn)生較大的影響。因此，除了應(yīng)用一些傳統(tǒng)的方法之外，還可以采取一些其它的工藝，例如可以為了降低陶瓷的燒結(jié)溫度鎢青銅結(jié)構(gòu)有四方晶系和斜方晶系兩種，前者單元原胞都含有10個(gè)氧八面體，它們沿C軸方Ba2NaNb5O15為斜方鎢青銅型結(jié)構(gòu)。由于鈮酸鹽在成分和結(jié)構(gòu)上的差別對(duì)鎢青銅結(jié)構(gòu)(SrxBa1-x)Nb206基無(wú)鉛壓電陶(AxSr1-x)NaNb5O15基無(wú)鉛壓電陶瓷；(A=Ba、Ca、Mg等Ba2AgNb5O15基無(wú)鉛壓電陶鈮酸鉀鈉（KNbO3-NaNbO3）基無(wú)鉛壓電陶ABO3型化合物。Mattias最早發(fā)現(xiàn)了鈮酸鉀陶瓷的鐵電性及其室溫下空間群為mm2的實(shí)現(xiàn)。并且鈮酸鉀陶瓷很容易潮解，穩(wěn)定性低較差是限制鈮酸鉀陶瓷的的主要問(wèn)題。Mattias同時(shí)研究了NaNbO3基無(wú)鉛壓究發(fā)現(xiàn)NaNbO3基無(wú)鉛壓電陶瓷在室溫下是類(lèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的NaNbO3介電常數(shù)和機(jī)械品(1-x)NaNbO3- (A=Ba，Ca，Sr或它們組成的復(fù)合離子 =鈮酸鉀鈉（KNN）無(wú)鉛壓電陶水熱法鈮酸鉀、鈮酸鈉粉（BNT組成與結(jié)構(gòu)及性能都受粉體性能的直接影響，因此粉體的對(duì)陶瓷的性能起到十分關(guān)鍵的作表6粉體的各種法的比項(xiàng)目固相反應(yīng)法溶膠-凝膠法共沉淀法水熱法 發(fā)展?fàn)顩r商品化正在研究中展開(kāi)品化展開(kāi) 良 （1（2在后續(xù)熱處理工藝中很難得到改善；（3）陶瓷材料本身有硬、脆、難變形等特點(diǎn)，微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)其性能產(chǎn)生很大的影響，尤其是缺陷影響的敏感性比其他材料高。目前的工藝主要有固相反應(yīng)法、溶膠凝膠法，共沉淀法、水熱法等。具體比較詳見(jiàn)表6。固相反應(yīng)法的粉體由于成本低、產(chǎn)量高、工藝較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而成為無(wú)鉛壓電陶瓷 水熱法的壓電陶瓷粉體有如下特點(diǎn)：(1)粉體晶粒物相和形貌受水熱反應(yīng)條件影響，因此，適度的調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、前驅(qū)物的用量，可改變晶粒的結(jié)構(gòu)和尺寸；(2)粉體結(jié)YSaitoKOHNaOHNb2O5Nb2O5KOHNaOH溶液混合，加入到聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼反應(yīng)釜當(dāng)中，依據(jù)釜的容量填充60%左右，在200℃保溫24h，成陶瓷粉體，結(jié)構(gòu)較致密，有較高的壓電性能，壓電常數(shù)d33為94pC/N。Takafumi26.9KHZ。Vousden以水熱法NaNbO3粉體。Nomura等以Na8[Nb6O9]?13H2O為原料，以NaOH為礦化劑了NaNbO3Santos等用水熱法了單相正交晶系的NaNbO3粉體，并報(bào)道了不同反應(yīng)時(shí)間，不同摩爾比對(duì)產(chǎn)物的影響。近期WangSP等已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行水熱純相KNN的研究，并取得了初步進(jìn)展。具體的流程如圖101所示。圖101流通過(guò)前期工作，發(fā)現(xiàn)當(dāng)原料中K/(K+Na)的摩爾比低于0.5時(shí)，得到的粉體物相結(jié)構(gòu)只是富鈉的（K，Na）NbO3，為了得到單相的（K，Na）NbO3固溶體，設(shè)計(jì)了一些列實(shí)驗(yàn)，固溶體。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)原料中K：Na的摩爾比為1:1，反應(yīng)溫度在210oC，時(shí)間為24小時(shí)，最終通過(guò)改變KOH溶液濃度最終得到不含雜質(zhì)的粉體，并且對(duì)得到的粉體進(jìn)行XRD衍射圖譜，SEMNa+離子固溶，形成富鉀的(K，Na)NbO3 圖102（1）24小時(shí)的NaNbO3粉體(2)24小時(shí)的KNbO3粉圖103為水熱的NaNbO3粉體得到的XRD圖譜，從圖中可以看出，圖中給出了2角20o-95o區(qū)間的發(fā)大圖，當(dāng)235o-40o101220峰出現(xiàn)雜峰，但峰值較小，說(shuō)明24o-57o范圍的三個(gè)衍射峰上觀察到，其中交-四方兩相共存的MPB結(jié)構(gòu)。圖104為以水熱的KNbO3粉體得到的XRD圖譜，從圖中應(yīng)良好，當(dāng)244o-57o46o左右的衍射峰常被用來(lái)說(shuō)明相結(jié)構(gòu)狀態(tài)，純的KNbO3粉體為四方相，但還沒(méi)有達(dá)到正交-四方兩相共存的MPB結(jié)構(gòu)。圖 NaNbO3粉體的XRD圖104KNbO3XRD鈮酸鉀鈉（KNN）無(wú)鉛壓電陶瓷的通過(guò)對(duì)的陶瓷進(jìn)行介電性能和壓電性能的測(cè)量，得到圖105，可以看出陶瓷具有明顯的介電和壓電性能，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，壓電常數(shù)d33120pc/n 105鈮酸鉀鈉（KNN）無(wú)鉛壓電陶瓷的力學(xué)性納米化效應(yīng)使晶粒產(chǎn)生微裂紋,當(dāng)納米粒子與基質(zhì)晶粒的熱膨脹失配和彈性失配造成納(l)彌散細(xì)化理Khara等人認(rèn)為納米相的加入能抑制基體晶粒的異常長(zhǎng)大，使基體結(jié)構(gòu)均勻細(xì)化，由此使納米陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度韌性得到顯著提高。眾多研究結(jié)果表明,10nm時(shí),其溫度往往高于基質(zhì)，將納米顆粒在基質(zhì)晶粒，形成/內(nèi)晶型0結(jié)構(gòu)，基質(zhì)晶粒間的晶界米粒子進(jìn)入微米級(jí)基質(zhì)顆粒之后,在基體晶粒產(chǎn)生大量次界面和微裂紋，引起基體顆粒的潛:1（2裂為主，但對(duì)于形成穿晶斷裂的原因研究者有各自不同的觀點(diǎn)。在此且不管是晶內(nèi)型結(jié)構(gòu)(5)殘余應(yīng)力場(chǎng)作曾發(fā)現(xiàn)A12O3-SiC復(fù)合陶瓷中3.5%-5.0%SiC獲得的增韌效果最佳。這是因?yàn)榫?nèi)粒子數(shù)量和也大大縮短，這是由于納米顆粒表面能高，表面原子數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不性3oC/min1080oC1小時(shí)來(lái)保證最終燒結(jié)出的陶瓷的致密性，致密性越好，晶粒106（a）燒結(jié)成型的陶瓷（b）元ABAQUS建立了結(jié)構(gòu)-膠層-傳感器的有限元模型，同時(shí)結(jié)合數(shù)學(xué)對(duì)9395m時(shí)，應(yīng)變傳遞效率最高可以達(dá)到90%左右；而通過(guò)選擇較低彈性模量的9396環(huán)氧樹(shù)脂膠，控制膠層厚度為125m，應(yīng)變傳遞可以降低到30%。與理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，兩者基本在對(duì)應(yīng)變傳遞效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的同時(shí)，對(duì)Lamb波的信號(hào)同樣進(jìn)行了分析。對(duì)比了4種環(huán)從傳感器層次上，對(duì)傳感器預(yù)應(yīng)力施加技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種可行的預(yù)應(yīng)力施加方到金屬圓環(huán)內(nèi)將承受19.76Pa的預(yù)應(yīng)力，與壓電陶瓷原強(qiáng)度57.6Pa相比，可以使傳感器的應(yīng)變承34%。最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比了加環(huán)傳感器與未加環(huán)傳感器的阻抗值信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)綜合這部分的工作，以及一種膠層厚度控制技術(shù)，最終總結(jié)并提出了一種結(jié)構(gòu)通過(guò)前面的工作，可以使傳感器在高應(yīng)變環(huán)境下不會(huì)發(fā)生損壞，但是傳感器監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)Lamb4000的高應(yīng)變環(huán)境下沒(méi)有損壞，能夠承受高應(yīng)變載荷。隨著結(jié)構(gòu)載荷的增加，傳感器上的應(yīng)變?cè)谥饾u增加，導(dǎo)Lamb信號(hào)同樣出現(xiàn)變化。傳感器的監(jiān)測(cè)能力在高應(yīng)信號(hào)試驗(yàn)和膠層傳遞效率試驗(yàn)可以在保證高應(yīng)變區(qū)傳感器陣列安全的前提下滿足傳感器陣 ,"先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天,"復(fù)合材料學(xué)報(bào),vol.24,pp.1-12,!!!INVALIDCITATION卿新林,,and,"結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)及其在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用,"實(shí)驗(yàn)力學(xué)vol.27,pp.517-526,P.W.H,W.W.C,A.S.G,ande.al.,"StructuralHealthMonitoringSensorDevelopmentatNASALangleyResearchCenter,"inICCESConference,Corfu,Greece,2003.Z.SuandL.Ye,"Sensorandsensornetwork,"inIdentificationofDamageUsingLambWaves,ed:Springer,2009,pp.99-142.K.A.Schweikhard,W.L.Richards,J.Theisen,ande.al,"FlightDemonstrationOfX-33VehicleHealthManagementSystemComponentsOnTheF/A-18SystemsResearchAircraft,"2001.W.H.Prosser,S.G.Allison,S.E.Woodard,ande.al.,"StructureHealthMonitoringforFutureSpaceVehicles,"inProceedingsofthe2ndAustralasianworkshoponstructuralhealthmonitoring,MonashUniv.,Melbourne,Australia,2004.李.張.任.男,"結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的傳感器布置方法及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,"力學(xué)進(jìn)展,vol.pp.39-50,R.AandC.C.E.S.,"Reviewofguidedwavestructuralhealthmonitoring,"TheShockandVibrationDigest,vol.2,p.23,2007.A.V.G.MandRadhikaMA,"Electromechanicalimpedanceofpiezoelectrictransducersformonitorin