本章小 壓電傳感器新材料研 背景介 壓電陶 壓電效 無鉛壓電陶瓷的分 鈮酸鉀鈉（KNN）無鉛壓電陶瓷及力學性能研 水熱法鈮酸鉀、鈮酸鈉粉 鈮酸鉀鈉（KNN）無鉛壓電陶瓷的壓電性 鈮酸鉀鈉（KNN）無鉛壓電陶瓷的力學性能研 通過特殊的燒結工藝提高陶瓷強 結 參考文 飛行器結構的性能或破壞。無論是金屬還是復合材料的飛行器結構，損傷通常發(fā)生在不易觀察的隱藏部位給檢測帶來特別是隨著飛行器結構的復合材料化1損傷模式更復雜多樣，且不易從表面觀察到。如果這些損傷在產(chǎn)生的初期不能被及時發(fā)現(xiàn)，就可能導致突發(fā)性破壞。通過使用以永久安裝在結構上的傳感器網(wǎng)絡為基礎的結構健康監(jiān)測(tructurlhealthmonitring,)低成本的性創(chuàng)新技術2波音公司在多個機型(包括787)上探索M在結構微M、、0、0等型號上實現(xiàn)3。飛行器結構健康監(jiān)測的一個關鍵因素是先進傳感技術及其系統(tǒng)。國內(nèi)外學者對包括光纖傳感、壓電傳感、電磁傳感、無線傳感系統(tǒng)、S和納米傳感在內(nèi)的結構健康監(jiān)測傳感技術進行了不懈研究4,5-331800個傳感器，用來完成機上系統(tǒng)健康狀態(tài)信息的獲取6。ser等7(2004)比較了不同類型傳感器(壓電傳感器、光纖傳感器、碳納米管傳感器)在航天器上應用的優(yōu)缺點。型的結構健康監(jiān)測技術(如基于振動法[8]、基于波法[9]和基于阻抗法[10])，從而被廣泛采用?；诓ǚǖ拇硇缘墓ぷ魇撬固垢４髮W研發(fā)的壓電智能夾層傳感器網(wǎng)絡[11,12]，目前已在飛行器上進行了超聲導波健康監(jiān)測技術的驗證。NASALangley中心目前正在研究基模態(tài)聲波，同時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Kernel的主元分析技術對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，并在機身和機翼連接結構處的螺栓松動監(jiān)測試驗中進行了驗證。Annamdas和Radhika[10](2013)SHM技術在金屬和非金屬結構的研究進展。盡管SHM技術取得了長足進步但數(shù)健康監(jiān)測和損傷檢測系統(tǒng)在航空航天工業(yè)上進SHM性耐久性和診斷結果的可靠性提出了嚴峻飛機服役環(huán)境十分復雜和惡劣對壓電傳感器的選擇、設計和操作以適應這種獨特的環(huán)境提出了嚴峻。用于航空航天結構健康監(jiān)測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型)、高分子壓電傳感器(如聚乙烯聚合物，PVDF)和復合壓電傳感器(PVDFPZT復合)。這一類壓電傳感器一般都要經(jīng)采用理論分析數(shù)值模擬與實驗驗證相結合的方法首先從傳感器層次上采用實驗，根據(jù)現(xiàn)有文獻[1718]20GPa40GPa50MPaDht（12。利用有限元軟件圖1120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)的冷卻收縮效應使得空心圓環(huán)內(nèi)壁會對壓電晶片施加一定的壓縮應力，能夠抵消結構對傳感器施加的部分拉伸應力，圖2根據(jù)預應力施加方案，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傳感器施加不同的預緊力。為了能夠最大限度的提高傳感器的高應變承受能力，在傳感器設計表1彈性模量（GPa）2024-銅比較穩(wěn)定的金屬進行相關的計算和對比，所選擇的材料以及材料屬性如表1所示。利用有限元軟件ABAQUS建立如圖3所示的有限元模型，其中傳感器半徑4mm，厚度圖3 T3（a）2024-T34所示。傳感器上的最632.3高應變區(qū)域一般都是在傳感器中心部位，所以主要關注傳感器中心部位的平均應變，作5所示，由于不同金屬材料的熱膨脹系數(shù)不同，傳感器會產(chǎn)生不同的454.4圖5到室溫，使傳感器產(chǎn)生預緊力，加工好的試件如圖6所示。圖6就產(chǎn)生19.76MPa的收縮應力，296.5的收縮變形。根據(jù)文獻[18]57.6Mpa19.76MPa34%緊力越大可以為后續(xù)傳感器的加工提供指導最終根據(jù)預應力施加方案以及有限元分25%以上，滿足了任務書的要求。Lamb波信號的激勵和接收，并且建立了相關的數(shù)學模型[2]。EdwardF.Crawley等人[19]建立了傳感器、有限厚度的膠層和基底結構的數(shù)學模型，主要用來分析傳感器激勵信號時，應變的傳遞過程。VictorGiurgiutiu等人[20]進行了類似的工作，建立壓電傳感器監(jiān)測系統(tǒng)一般如圖7所示，傳感器通過膠粘劑永久粘貼到監(jiān)測結構上。傳感器與基底結構粘接的問題都是三維實體問題，但此類問題很難進行準確的數(shù)學分析，所以通過一這樣在確保數(shù)值分析可行的同時，也保證了足夠的準確性。圖78所示的單元體進行分析，在外載荷的作用下，基底結構受到的拉應力為b，膠層通過純剪切的作用，將應變傳遞到傳感器上。由于將三[21]（1）（2）（3）（4）（5）（6）圖8數(shù)值分析以及建模過程中涉及到的符號以及取值在表2表2符 含 取 傳感器半 傳感器厚 傳感器彈性模 膠層厚 膠層彈性模 基底結構彈性模 PZT傳感器只產(chǎn)生水平位移ub和up，根據(jù)彈性力學連續(xù)性假設和位移與應變之間PZT傳感器的應變分別為[19]dub

dup,up

Bernoulli-Euler

0,dbb

其中，α與應變的分布情況有關，此處為均勻拉伸，2pEpp,

Ebb,

Ga

由于pba，所以將式子（3）帶入式子（2）EdpGaupua H Ha d Gu

a

a

對上面的式子進行求導，消去up和uaE

p

Hp

E a b

Hbd

p

d

d

b

db0b

pp

其中，和2

B

BxBsinhx

cosh

1

b

1

1xl/2處，pd31V/hpd31為壓電材料的壓電常數(shù)，由于我們只考慮水平方向的應變，所以這里我們只需要考慮d31，即徑向伸縮式的傳感器。而基底結構由于外載荷的作用，存在非零的應變，所以問題的邊界條件如下所示。

pd31V/hp,bxl dV/h,

B （d31V,

B0,

(d31V)

()cosh 將四個待定系數(shù)代入式（8）后就可以到的傳感器上的應變p和鋁板上的應變b的表達式。GaEa(d31V)sinh

Gp 因 主要針對高應變區(qū)域的應變傳遞情況，所以由傳感器壓電性能產(chǎn)生的應變與d31V

coshx

()cosh

coef

1coshl 2中給定的數(shù)值，同時給定邊界條件19所示910可以直觀的看出，傳感器上的高應變區(qū)域主要集中在傳感器中心部位，這圖9基底結構和傳感器上的應變分布情 圖10傳感器徑向上的應變傳遞系111111的結果來看，膠層的厚度、彈性模量，以及傳感器有限元模型，比較準確的分析應變的傳遞情況。因此，我們分別結合與ABAQUS表3尺寸 彈性模量 ABAQUS軟件提供了強大的線性和非線性有限元模擬功能，幫助我們更直觀的分析和認識料參數(shù)如表3所示。部區(qū)域的有限元模型，如圖12所示。XX方向位移場。（C3D80.5mm40196。圖1213ABAQUS327950000.6558力集中的情況，可能會導致膠層的開裂或者是脫粘情況的發(fā)生。傳感器表面的應變分布與理論LE11帶入13中得到傳感器上的理論應變分布情況與ABAQUS計算結果對比從結果來看，0，與理論分析結果一致，如圖14所示。圖13圖14最終得到了應變傳遞效率計算（14。軟件具有強大的數(shù)值計算功能，通過計算，ABAQUS計算得到的結果相對比。Chopra（2000）也進行了類似的探討，他們都從數(shù)值分析上得出了剪力滯后系數(shù)。剪力滯Maziar等人對粘貼到結構表面的微電子系統(tǒng)應（MEMS）變傳感器的應變傳遞情況進行了2中的初始數(shù)據(jù)，建立數(shù)學模型。但是為了分析每個變量對應變傳遞效率的影圖15ABAQUS0.02mm~0.2mm之間變化時，應變傳遞效率的作為當前厚度膠層的應變傳遞效率。同時利用前面的應變傳遞效率，計算不同厚度時的傳遞效率，進行對比，結果如圖15和圖16所示。16不同膠層厚度時傳感器上的應變分布（25m、50m、100m增加將導致應變傳遞效率的降低，相同厚度時，ABAQUS計算的結果小于理論分析的結果。導X方向的應力應變小于理論分析結果。圖17導致應變傳遞效率的改變同樣利用ABAQUS和軟件在其他參數(shù)不改變的情況下，1GPa10GPa之間取值，分析膠層彈性模量對應變傳遞效率的影響。17中可以看出，無論是還是ABAQUS，兩者的計算結果都表明傳遞效率隨著膠層彈性模量的增大而增大，而且計算結果相對ABAQUS偏大。18不同膠層彈性模量時傳感器上的應變分布（2GPa、4GPa、從傳感器上的應變分布云圖18減小傳感器上的高應變區(qū)域。同時還需要考慮到膠層的損傷或者脫粘的問題，因為在拉伸方向圖19圖20不同傳感器厚度時傳感器上的應變分布（0.4mm、0.6mm、加，有利于更充分的發(fā)揮傳感器承受高應變能力的性能，如圖20所示。圖21圖22不同半徑時傳感器上的應變分布（2mm、4mm、2190MPa圖2324所示。所以為了充分發(fā)揮傳感器承受高應變的能力，應選擇較低彈性模量的材料，同時提高圖24不同彈性模量時傳感器上的應變分布（40GPa、60GPa、100GPaABAQUS和數(shù)值計算軟件通過改變單一變量的方法，分析考慮各個因素對應變傳遞效率的影響。分析主要可以分為兩個0.6mm后應變基本維持不變；4mm后基行為膠層在拉升方向的邊緣處會出現(xiàn)應力集中的情況導致膠層損壞或是脫粘所以面理以及近些年出現(xiàn)的新型光線應變傳感器測量法，如圖25所示[22]。圖25為電阻率和安裝應變計處構件的應變a）1；b）1%；c）0~2104由于傳感器上的應變值很小，所以需要較高的應變測量精度，所以實驗方案選擇應變片和光纖傳感器同時進量其中應變片選擇的是黃巖測試儀器廠生產(chǎn)的B120-0.5AA型號產(chǎn)品3mm*2.mm。為了使傳感器承受變的載荷環(huán)境，實驗中選擇了如圖26所示的試件，總體尺寸為其中5個傳感器位于中間變區(qū)域，一個傳感器位于左側低應變區(qū)域。同時，在傳感器下表面的變區(qū)域相同位置布置5個傳感器，變區(qū)域上下表面的傳感器對稱分布，在非33個試件。Lamb圖2625mLamb271Lamb2~6號傳感器進行信號的接收。同時在傳感器和鋁板5個傳感器同樣焊接導線，通過阻抗分析儀測試傳感器的阻抗信息。整體實驗測試系統(tǒng)如圖28所示，包括拉伸機、應變分析儀、阻抗分析儀、ScanGenie以及引伸計。 圖27粘接傳感器的試 圖28實驗測試系29HysolEA9395。在試件拉伸過程中通過引伸計控制位移載荷，使鋁板上的應變以500間隔增加，對傳感器上的應變進量膠層厚度為75m100

100m（圖中未畫出圖29不同膠層厚度時鋁板和傳感器上表面應變圖30不同厚度時的應變傳遞系數(shù)圖31實驗結果與理論分析結果對比HysolEA9396圖32不同膠層厚度時鋁板和傳感器上表面應變圖33不同厚度時的應變傳遞系數(shù)HysolEA939633所示，從圖中可以看出，厚度一定

0.3271圖34不同膠層厚度時鋁板和傳感器上表面應變（愛牢達341253000500125m的傳感器粘貼時可能出現(xiàn)問題，導致應變的傳遞效率過低。35所示，6圖35不同厚度時的應變傳遞系數(shù)（愛牢達3改變，有著比較明顯的變化。HysolEA9395環(huán)氧樹脂膠的應變傳遞效率最高，有利于結構應變

圖36膠層彈性模量對應變傳遞效率的影響（25m從圖36EA9390.9左右，愛牢達環(huán)氧樹脂膠的應變傳EA9395HysolEA939625m時一致。根據(jù)3種膠給出的使用說明，25°C時，HysolEA9395環(huán)氧樹脂膠后的剪切彈性模1543MPaHysol2750MPa9395>9396>25m125m圖37不同楊氏模量膠層、膠層厚度對壓電傳感器激勵/感應技術可應用于校準過程來校準不同的傳感器。不同的粘結狀況改部的動態(tài)特性并且機壓電傳感器和結構之間的動態(tài)相互作用可以用一個簡單的一維模型來描述,38所示。)圖38Zd2YE Yja(a31 dY

Za

31Za——Zs———— 1Ks/Km2jc Km2jc k2

EYY11E通常要乘以系數(shù)1EKsKb0,i.e.KbKs圖39阻抗與系數(shù)39所示，當KsKKbKb的厚度hs和剪切模量GsKb有顯著的影響.關于剪切滯后的影響，研究表明系數(shù)與Gs和hs

1Ks1Ks

1C11spwpGs和C是常數(shù)。該式表明隨著站膠層厚度h1C11sZshs模量Gs的減小系數(shù)試驗中通過對比壓電傳感器粘接在結構上的阻抗參數(shù)及激勵/Lamb波信號的幅值和穩(wěn)500mm500mm202421A1150mm分為四組，每組膠層厚度從25m到125m依次遞增，每25m具體傳感器布置如圖40和圖41表4名 APC尺寸 ?= ???????=密度 機電耦合系數(shù) 壓電電壓常數(shù)??33 24.8×壓電常數(shù)??33 400×相對介電常數(shù) 頻率常數(shù)????????. 彈性模量E 圖40不同楊氏模量的膠層及其厚度對壓電傳感器激勵/在壓電傳感器激勵/接收Lamb波信號的試驗中使用Acellent公司的ScanGenie設備進行信號的激勵和激勵信號為Hanning窗調(diào)制的5周期正弦脈沖掃頻范圍為50kHz-400kHz，25kHz12MHz25V。圖41不同楊氏模量的膠層及其厚度對壓電傳感器激勵/接收信號影響的試驗在壓電傳感器的阻抗參數(shù)測量試驗中試驗WayneKerrElectronics根據(jù)3種膠給出的使用說明書，25°C時，HysolEA9395環(huán)氧樹脂膠后的剪切模量1543MPa，HysolEA9396環(huán)氧樹脂膠后的剪切模量約為1508.8MPa，愛牢達環(huán)氧樹脂膠0°C1200Mpa。DW-1膠的說明書未給出其相應的剪切模量，但文獻中均指DW-1E可由剪切模量G及泊松比E2(10.3表593959396剪切模量，重復性在同樣試驗條件下共Lamb波信號5次以下可用于計算信號差異指（DamageSSAS

AreaScatAreaBase

AreafhU(f

l lfl

fh表示由激勵信號決定的信號帶寬，而U*f42為膠層厚度25μm10k-19k時的不同模量膠層的阻抗圖，此時模量減小而系數(shù)隨之減小，從而阻抗減小，與理論中圖39的情況一致。膠層厚度ImpedanceImpedance圖42膠層厚度25m圖43為膠層厚度25m200k-500k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，愛牢達、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左膠層厚度Re(Z)Re(Z)圖43膠層厚度25μm圖44不同膠層激勵/Lamb圖44為膠層厚度25m過Hilbert變換處理，最后得到結果與圖43所測得頻率情況較為一致，即在頻率處信4510k-19k時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)39的情況一致。

x圖45圖46愛牢達作粘接劑時不同膠層厚度激勵/Lamb46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一致。10號傳感器的膠層厚度依次增大，由圖中可以看出隨著膠層厚度從25m到125m傳感器頻率約由420k向后偏移至320k左右，相對應傳感器的信號幅值見圖48，Lamb波度較大時，信號達到最大幅值的頻率減小，其中膠層厚度為100m時，頻率約為Re(Z)Re(Z) Frequency

x圖479395489395環(huán)氧膠作粘接劑時不同膠層厚度激勵/Lamb圖499396200k-500k15號傳感器的膠層厚度依次增大，由圖中可以看出隨著厚度膠層從25m到125m依次遞增，傳感器頻率約由420k向后偏移至300k左右。相對應傳感器的信號幅值見圖50，Lamb波信號達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，頻

Re(Z)Re(Z)

9396 Frequency

x圖499396509396環(huán)氧膠作粘接劑時不同膠層厚度激勵/Lamb51DW-1200k-500k頻率范圍內(nèi)所測得的阻抗實部圖，16-20號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。相對應傳感器的信275kHz225kHz。Re(Z)Re(Z)51DW-152DW-1作粘接劑時不同膠層厚度激勵/Lamb同膠層厚度的Lamb波信號來說，在頻率處，信號幅值達到最大。接下來通過試驗不同楊氏模量膠層及其厚度對信號穩(wěn)定性的影響，從而在不影響監(jiān)測效率的情況下選擇不同楊氏模量膠層及膠層厚度。試驗測試頻率范圍50kHz-400kHz，測試了4種楊氏模量膠層，5205Data01-Data05SASSSASS指數(shù)減小。SASS0.03水平以下，說明同樣條件下不同路徑的信號穩(wěn)定性良好。因此不同楊氏模量膠層及厚300kHz時的信號產(chǎn)生顯著性影響。PathA1toDamageDamage0507510012515017520022525027530032535037553Data01A12DamageDamage054Data01300kHz總體來說，使用楊氏模量越大粘接劑的傳感器所接收到的信號幅值更大一些，并且對于不同膠層厚度的Lamb波信號來說，在頻率處，信號幅值達到最大。從信號穩(wěn)定性方面來說不同楊氏模量膠層及厚度并不會對其產(chǎn)生顯著性影響。因此選擇粘接劑的楊氏模量越大的，所激勵中心頻率范圍越接近頻率，信號幅值越大，監(jiān)測效率越高。結構變區(qū)傳感器安裝方行了分析，并且得到了影響應變傳遞的因素，這對于變區(qū)域的傳感器安裝起到非常重要的圖55變區(qū)域傳感器安裝方變區(qū)域傳感器的安裝方案基本如圖55圖56器之間的應變傳遞理論模型，分析不同楊氏模量的環(huán)氧樹脂及其膠層厚度對應變傳遞的影響，以及傳感器的尺寸和彈性模量。之后結合有限元分析軟件ABAQUS和數(shù)學分析軟件HysolEA9396Lamb波信最終結合前面得到的所有結論提出了變區(qū)域的傳感器安裝方案使傳感器可以承受Lamb波信號。檢查傳感器是否出現(xiàn)脫粘和斷裂的情況；二是利用壓電傳感器到的Lamb波信號對傳感器Lamb波信號和阻抗信號。將試件夾持到拉伸機后進行一次信號，作為Baseline信號，之后通過引申計控制500

進行一次知道當試件上的應變達到

m

到初始狀態(tài)，進行一次信號，同樣在關閉拉伸機之后再進行一次信號HysolEA939557（b）2000 圖57不同載荷下傳感器的阻抗信號（9395-25m圖58拉伸前后傳感器的電阻值信號（9395-25mI(n)2I(n)2Ih0I0NNRMSD 其中N

為膠層厚度為h

為Baseline 之RMSD增長的比較均勻鋁板上變形每增加500 RMSD增加0.2但是在2000到2500Lamb60LambHilbert變換，得到信號的包絡信號，并且對比第一個達到的波包的信61250059RMSD（9395- 60Lamb波信號：（a）原始信號；（b）Hilbert變換后的信號（9395-25002500改Lamb2500幅值開始降低。根據(jù)應變測量結果，此時傳感器上表面1447.761Lamb信號幅值（9395-25mSDASSSETLamb波信號損傷指數(shù)最大時的應變作為一個臨界值，對比62Lamb信號損傷指數(shù)（9395-25m25m的傳感器阻抗值信號相比，傳感器的應變承受能力得到了提高。從6463RMSD（9395-50m64LambSDAS（9395-50m65LambSDAS值來看，65RMSD（9395-100m66LambSDAS（9395-100m125m4000以下傳感器阻抗值信號并沒有發(fā)生很明顯的改變，400025004000。67RMSD（9395-125m通過對比傳感器在拉伸實驗前后的阻抗信號我們發(fā)現(xiàn)傳感器可以承受4000的變LambSDASHysolEA10KHz10MHz，關注高頻時的諧振頻率。感器的性能比較穩(wěn)定，如圖69所示。68不同載荷下的阻抗值信號（9396-25m69RMSD（9396-25mLamb702500時2500時傳感器的壓電性能發(fā)生了改變，Lamb波發(fā)生了比較大的變化。70LambSDAS（9396-25m50m的傳感器的阻抗值信號同樣在均勻變化，信號71RMSD（9396-50m72RMSD（9396-75m加。相同載荷時，膠層越厚，RMSD值越小。Lamb73所示，我們發(fā)現(xiàn)73LambSDAS（9396-75m74RMSD（9396-100m7525003000的過程中出現(xiàn)減小的情況，SDAS100mSDAS75LambSDAS（9396-100m76RMSD（9396-125m125m76所示。RMSD74中100m的傳感器阻抗值信號相比，信號變化指數(shù)仍然偏大。7725m2000出現(xiàn)了比77RMSD（愛牢達-25mLamb波信號的傳感器中前三個的膠層厚度十分接Lamb波損傷指數(shù)相差不大，如圖78所示。（a）75m30003500過程中發(fā)生明顯的變125m時，Lamb波信號損傷變化趨勢沒有改變，但幅值都隨著厚度的增加而減小，如圖79和圖8079RMSD（愛牢達-75m80RMSD（愛牢達-125m81LambSDAS（愛牢達-125mLamb波信號，我們得到了每種環(huán)氧樹脂在不同厚度時Lamb波損傷指數(shù)，我們可以得到傳感器應變承受能力與膠層彈性模量和厚度的關系。在4000的變環(huán)境下，傳感器的性能沒有受到損壞，傳感器的阻抗值信號LambEA939525m2500，當膠層厚125m4000Lamb愛牢達兩組環(huán)氧樹脂膠粘貼的傳感器的阻抗信號發(fā)現(xiàn)，在膠層厚度25m、應變載荷30000.1；82Lamb波信號對壓電傳感器變承受能力進行了表征，并且對比了不同膠層厚度和膠層彈性模量對傳感器變承受能力的影響。針對不同彈性模量的環(huán)氧樹脂膠及膠層厚度下，傳感器對回復初始狀態(tài)，說明傳感器在4000的變環(huán)境下沒有損壞，能夠承受變載荷。收到的Lamb信號同樣出現(xiàn)變化。傳感器的監(jiān)測能力在變環(huán)境下會受到不同程度的影響。Lamb波信號發(fā)現(xiàn)，膠層厚度的增加會提高傳感器的應變承受能力。主要表面在膠層厚度增加后傳感器阻抗值信號更穩(wěn)定，變環(huán)境下不會產(chǎn)生很大的變化；Lamb波信號損傷指數(shù)更小，提高傳感器損傷監(jiān)測的準確率。通過對膠層厚度的控制、選擇合適彈性模量的膠層，可以使傳感器在承受變載荷的同適用于結構變區(qū)域的新型傳感器封裝技傳感器是結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的器件，其通過粘接方式安裝于結構表面實現(xiàn)對結構的在線實時監(jiān)測然而結構中變區(qū)域的存在往往會對傳感器性能產(chǎn)生影響甚至對傳感器造成破壞。上述幾個章節(jié)分別從對傳感器施加預應力和傳感器變區(qū)安裝技術的角度做了相應的研究，來提高傳感器的變承受能力。然而若壓電傳感器直接安裝在結構上容易因其自身氧本章提出以下兩項適應于變區(qū)域的新型傳感器封裝技術：將壓電晶片及連接壓電晶片壓電晶片與空氣進而免受氧化另一方面封裝后的壓電智能層具有輕質(zhì)易安裝的特點使用于結構的變區(qū)域，并具有安裝靈活方便的特點，從而滿足傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測的要求。適用于結構變區(qū)域的新型傳感器封裝技以下將對所兩項新型傳感器封裝技術分別進行闡述組成，圖中給出了壓電傳感器和柔性夾層部分示意圖。壓電夾層的柔性夾層由兩層柔性基材通

圖83面，均可使壓電晶片與空氣進而免受氧化；智能層可以針對不同應用對象進行三維設計，同時可應用于各種工況尤其是結構壓電智能層可以一次完成，保證了生產(chǎn)工藝對傳感元件性能影響的一致性d為聲波波長的(2n1)/4d，相當于薄膜?？紤]匹配層的機械防護作用，匹配層的厚度還不能太薄。綜合上述各種因素，此處采0.5mm。665437211.匹配層，2.壓電晶片，3.阻尼層4.正電極引線，5.負電極引線，6.射頻接口，7.圖84

圖85計不但起到了良好的電磁作用，同時也方便了傳感器的安裝和拆卸。8485。通過對傳感器施加一定的預緊力使之與管道外壁良好耦合也就是說傳感器與管道是通過干耦合方式進行聲波能量傳遞而不需要任何的諸膠等耦合劑本章提出了兩項適應于變區(qū)域的新型傳感器封裝技術：壓電智能層封裝設計和探頭封過傳感器封裝方式的層次上提高了傳感器變承受能力。結構變區(qū)傳感器網(wǎng)絡布設技臨的關鍵問題之一。結構中的變區(qū)域既是健康監(jiān)測的重點區(qū)域，也是結構健康監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡的區(qū)域。因此針對變區(qū)，以在避開可能造成傳感器損傷的區(qū)域的前提下覆蓋本章針對結構中的變區(qū)域提出壓電傳感器網(wǎng)絡優(yōu)化設計方法在本章中結構變對象，以使傳感器網(wǎng)絡在避開可能造成傳感器損傷的區(qū)域的前提下達到預期覆蓋率為優(yōu)化目標的優(yōu)化問題。結構變區(qū)傳感器網(wǎng)絡布設技術分為傳感器網(wǎng)絡布置形式模塊、傳感器單元布置區(qū)域模塊和傳感器網(wǎng)絡優(yōu)化設計模塊。利用本章傳感器網(wǎng)絡布設技術可以在保證變區(qū)傳感器的前提下滿足傳感器網(wǎng)絡檢測效率的要求。結構變區(qū)傳感器網(wǎng)絡布設方析，得出結構變區(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)域作為重點監(jiān)測區(qū)域在傳感器布置形式確定模塊中首先針對變區(qū)可能出現(xiàn)的典型損傷提出檢測算法然后根據(jù)檢測算法確定傳感器的布置形式并利用變區(qū)信號試驗確定傳感器單元的覆蓋范圍。在傳感器布置區(qū)域模塊中，首先利用膠層應變傳遞實驗結合壓電材料失效準則確定傳感器95%，在施降低傳感器失效的。在傳感器網(wǎng)絡優(yōu)化設計模塊中利用傳感器網(wǎng)絡優(yōu)化設計方法[1]與高應變區(qū)傳感器網(wǎng)絡冗余度要求相結合進行迭代模擬計算，最終輸出結構變區(qū)傳感器網(wǎng)絡布圖86變區(qū)傳感器網(wǎng)絡設計方（第二強度理論）狀態(tài)，只要最大伸長線應變1達到單向應力狀態(tài)下的極限值，就要發(fā)生脆性斷裂破壞。1

3)[前文提到的傳感器膠層傳遞試驗可以計算出變狀態(tài)下以該膠層形式粘貼于結構表面的傳感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）并提高該位置的冗余度，這樣就可以降低布置在變區(qū)的傳感器的失效概率。以變多加強筋區(qū)域的健康監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡為例詳細傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)化設計方法。經(jīng)過Pitch-Catch信號模式的損傷指數(shù)診斷方法；根據(jù)檢測區(qū)域的結構形式確定傳感器Pitch-Catch信號路徑有效范圍的輪廓是橢圓，其焦點為激發(fā)傳感器和接收傳感器。在傳1所示： (P)

l

path(i

lpath(iiPlP點再到接收傳感器的波程，le為路徑的有效波程范圍。式(20)P在有效波程le0。個邊和對角線為信號路徑，具體設置形式如圖87信號路徑3-信號路徑1-1#傳感 4#傳感信號路徑3-信號路徑1-2#傳感 3#傳感圖8721所示：MM

Cpath(i

(P)

P1

Cpath(i)(P)

CnetworkA

A為監(jiān)測區(qū)域的面積，K為像素點個數(shù)，M為路徑總數(shù)，M=6+(n-2)×5+6×5+(n-×4×7，、、，，針對傳感器網(wǎng)絡檢出概率的優(yōu)化方法一般有兩種設置優(yōu)化目標函數(shù)的方法：覆蓋區(qū)中著物影響傳感器網(wǎng)絡能夠承受結構合攏、裝夾以及反復加載等一系列過程造成的損失采用的目標函數(shù)是傳感器網(wǎng)絡的覆蓋率歸納起來的優(yōu)化問題可以提煉成，求最優(yōu)的傳感器個數(shù)n，使目標函數(shù)最大，即：，、、，，

Cnetwork 2n 傳感器網(wǎng)絡優(yōu)化設計計算流程如圖88

圖88本章針對變區(qū)域傳感器網(wǎng)絡布設問題提出了相應的布設方案。本章結構變優(yōu)化設計模塊。利用本章傳感器網(wǎng)絡布設技術結合變區(qū)信號試驗和膠層傳遞效率試驗可以在保證變區(qū)傳感器的前提下滿足傳感器網(wǎng)絡檢測效率的要求。（PZT濾一些波形我們可以把壓電陶瓷當成一個濾波器這種濾波器廣泛應用于計算機和當中；壓電效應最先是被居里兄弟rreCurie和acquesCuie在電氣石的研究中發(fā)現(xiàn)。此后，電材料必須不是中心對稱結構，因為如果中心對稱，無論如何加力，它的正負電荷中心都會重”壓電效應”指的是當對壓電材料作用一定的壓力時，壓電材料體本身的電偶極矩會由于力的作用壓縮而縮短，此時，壓電材料體本身為了抵抗這種變化會在自身的表面上產(chǎn)生等量的正負電“逆壓電效應”指的是壓電材料可以作為電介質(zhì)，當把這種電介質(zhì)置于與自身極化相同方向的BaTiO3BaTiO3（a（1- (A=Ba、（b（1- （c（1- (A=Ba、Ca；B=Zr、一些環(huán)境下就無法得到應用，使用起來很不方便；2）BaTiO3無鉛壓電陶瓷只有在較高的3）通過摻雜改性，BaTiO3無鉛壓電陶瓷的壓電性能Bi0.5Na0.5TiO3xABO3（A=BixANbO3（A=KxTiO3（A=的提高，同時，我們還可以通過其它的形式對它進行改性，主要有以下幾個方面：1）在鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷最早被Aurivllius所發(fā)現(xiàn)，鉍層狀結構化合物的化學通式為：(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷是由鈣鈦礦層(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-ABi3+、Pb2+、Na+、Sr2+、K+、Ba2+、Ca2+和稀Cr3+6的離子或由組成的復合離子。于溫度較高等一些環(huán)境下?？梢詫G層狀結構無鉛壓電陶瓷分為以下幾種：]Bi3TiNO9基無鉛壓電陶瓷（N=Nb、MBi2Nb2O9基無鉛壓電陶瓷（M=Sr、Ca；N=Nb、MBi4TiO15Bi4TiO12同時不同的工藝也會對鉍層狀結構無鉛壓電陶瓷性能產(chǎn)生較大的影響。因此，除了應用一些傳統(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溫度(SrxBa1-x)Nb206(Axsr1-x)NaNb5O15基無鉛壓電陶瓷；(A=Ba、Ca、Mg等Ba2AgNb5O15ABO3型化合物。1949Mattiasmm2的難實現(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題。MattiasNaNbO3介電常數(shù)和 (A=Ba，Ca，Sr或它們組成的復合離子 ，，界矚目的陶瓷材料研究領域的課題。，如果在使用和廢棄過程中處理不當極易造成環(huán)境污染以及危害人類健康因此從環(huán)境保護的角度出發(fā)，迫切需要無鉛壓電材料取代當前的壓電材料。綜上所述，對于壓電陶瓷，鈮酸鉀鈉（KNN）無鉛壓電陶瓷及力學性能研水熱法鈮酸鉀、鈮酸鈉粉BaTiO3基無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷（BNT具有高的溫度和壓電性能成為最重要的無鉛壓電材料之一目前提高KNN的壓電性能主要組成與結構及性能都受粉體性能的直接影響，因此粉體 對陶瓷的性能起到十分關鍵的不需要球磨和高溫煅燒便可直接得到粉體等特點而越來越受到關注。本研究主要針對近年來水表6溶膠-低-高中中展開中/優(yōu)良良中中良良良良（1（2（3）相反應法、溶膠凝膠法，共沉淀法、水熱法等。具體比較詳見表6。水熱法的壓電陶瓷粉體有如下特點：(1)粉體晶粒物相和形貌受水熱反應條件影響，Y.SaitoKOH、NaOH、Nb2O5Nb2O5KOH、200℃保溫24h，成陶瓷粉體，結構較致密，有較高的壓電性能，壓電常數(shù)d33為94pC/NTakafumiMaedatKNbO3NaNbO3粉體混合后進行水熱反應，得到理想的壓電傳感器，26.9KHZVousdenNaNbO3Nomura等以Na8[Nb6O9]?13H2O為原料以NaOH為礦化劑了NaNbO3Santos等用水熱法合成了單相正交晶系的NaNbO3KNN的研究，并取得了初步進展。水熱法的超細粉體具有高純超細流動性好粒徑分布窄顆粒團聚程度輕等特點。用。本中的粉體通過水熱法單獨，將好的粉體進行燒結得到需要的KNN無鉛壓電陶瓷，具體的流程如圖89所示。圖89流K/(K+Na)0.5時，得到的粉體物相結構只K：Na1:1210oC24小時，最終通過改變KOH溶液濃度最終得到不含雜質(zhì)峰純的粉體，并且對得到的粉體進行XRD衍射圖譜，SEM測試。反應的進行，Na+K+K+離子的反應占主導地位，同時又少量Na+離子固溶，形成富鉀的(K，Na)NbO3固溶體。 90（1）24NaNbO3粉體(2)24KNbO3多面體，且可以看出粉體的顆粒由多個晶粒生長而成，符合鈮酸鉀結構的形貌特征。圖 NaNbO3粉體的XRD圖92KNbO3XRD91NaNbO3XRD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235o-40o101220峰出現(xiàn)雜峰，但峰值較小，說明2角4o-57o范圍的三個衍射峰上觀察到，其中NaNbO3粉體為四方相，但還沒有達到正交-MPB92KNbO3XRD圖譜，從圖反應良好，當244o-57o46o左右的衍射峰常被用來說明相結構狀態(tài)，純KNbO3粉體為四方相，但還沒有達到正交-MPB結構。鈮酸鉀鈉（KNN）通過對的陶瓷進行電性能和壓電性能的測量，得到圖93，可以看出陶瓷具有明顯的電和壓電性能，通過大量實驗和計算，壓電常數(shù)d33的值平均保持在120pc/n左右，在同類產(chǎn) 圖93陶瓷電性能和壓電性鈮酸鉀鈉（KNN）納米級粉體提高壓電陶瓷強陶瓷材料在通常情況下呈脆性,脆性敏感性強這是陶瓷材料的致命弱點然而由納米粒子成的納米陶瓷卻有良好的韌性KNiihara使納米陶瓷復合材料強度韌性得到顯著提高。眾多研究結果表明,IO0nm時,A12O3SICSEM觀察裂紋擴展情況后，（2）（4）大納米顆粒熔化時所須的內(nèi)能較小使其急劇下降一般由納米級粉末燒結加工的材料，圖94（a）燒結成型的陶瓷（b）主要根據(jù)壓電傳感 變承受能力研究項目任務書，針對壓電傳感器 變57.6Mpa34%。針對壓電傳感器的原材料，為提高壓電陶瓷的應變承受能力，主要進行了以下兩方性能進行改性，得到了(K,Na)（Nb1-xTax）O3無鉛壓電陶瓷壓電陶瓷。元軟件ABAQUS建立了結構-膠層-傳感器的有限元模型，同時結合數(shù)學分析軟件對90%左右，而通過選30%。與理論分析結果Lamb4阻抗值信號和傳感器接收到Lamb波信號在不同載荷下的變化，表征傳感器在變環(huán)境下性能。實驗結果表明，在4000的變載荷環(huán)境下，傳感器的性能受到了一定的影響，表現(xiàn)為傳感器的阻抗信號和LambLamb信號都回復初始狀態(tài)，說明傳感器在4000的變環(huán)境下沒有損壞，能夠承受變載荷的Lamb信號同樣出現(xiàn)變化。傳感器的監(jiān)測能力在變環(huán)境下會受到不同程度的影響。三個層面對問題進行了深入徹底的研究，通過傳感器預應力施加技術和安裝技術，提高了變區(qū)域傳感器的存活能力，并在此基礎上發(fā)展結構變區(qū)傳感器安裝及優(yōu)化布設方法。杜善義先進復合材料與航空航天,"復合材料學報vol.24,pp.1-12,袁慎芳邱雷吳鍵等.大型飛機的發(fā)展對結構健康監(jiān)測的需求與[J].航空制造技術,2009,22:6卿新林,王奕首,and趙琳,"結構健康監(jiān)測技術及其在航空航天領域中的應用,"實驗力學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.李宏男,"結構健康監(jiān)測中的傳感器布置方法及評價準則,"力學進展,vol.pp.39-50,R.AandC.C.E.S.,"Reviewofguidedwavestructuralhealthmonitoring,"TheShockandVibrationDigest,vol.2,p.23,2007.A.V.G.MandRadhikaMA,"Electromechanicalimpedanceofpiezoelectrictransducersformonitoringmetallicandnon-metallicstructures:Areviewofwired,wirelessandenergy-harvestingmethods,"InligentMaterialandStructuralSystem,vol.24,pp.102