第5章_智能结构系统-zhang

1、1智能结构系统 张光磊：智能材料与结构【本章学习目标】掌握：u智能结构系统的基本组成、功能与发展趋势。智能结构系统的基本组成、功能与发展趋势。了解：u光纤在线实时监控系统的构成与功能；光纤在线实时监控系统的构成与功能；u三种振动主动控制系统的构成与应用；三种振动主动控制系统的构成与应用；u大型结构温度场实时监测系统的组成与设计。大型结构温度场实时监测系统的组成与设计。张光磊：智能材料与结构【本章教学要点】知识要点能力要求相关知识光纤在线实时监光纤在线实时监控系统控系统了解光纤传感器，实时监了解光纤传感器，实时监测，在线控制等技术的具测，在线控制等技术的具体应用体应用结构健康监测结构健康监测振动

2、主动控制系振动主动控制系统统了解凸轮机构、连杆机构了解凸轮机构、连杆机构以及基于压电元件的振动以及基于压电元件的振动主动控制系统的构成与应主动控制系统的构成与应用用振动的危害与控制振动的危害与控制大型结构温度场大型结构温度场实时监测系统实时监测系统了解测温系统的组成，温了解测温系统的组成，温度监测系统软件设计度监测系统软件设计温度场温度场张光磊：智能材料与结构内容纲要1.光纤在线实时监控系统（2学时） 2.振动主动控制系统 （2学时） 3.大型结构温度场实时监测系统 （2学时） 4.智能结构系统的其他典型应用（2学时） 张光磊：智能材料与结构1.光纤在线实时监控系统 1.1 树脂基复合材料成型

3、过程的基本模型 1.2 光纤固化监测传感器的研究现状 1.3 应用多模模斑谱光纤传感器监测复合材料固化过程 1.4 应用光纤微弯传感器监测复合材料固化过程 1.5 复合材料成型工艺过程在线控制专家系统 1.6 在线监控系统在其它领域的应用 张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 先进复合材料的发展正推动着宇航飞行器、航海船舶潜艇及陆地建筑桥梁等设计的变革。u随着光纤传感技术的发展，把光纤引入复合材料达到在三维方随着光纤传感技术的发展，把光纤引入复合材料达到在三维方向上测量力学量的目的成为可能。向上测量力学量的目的成为可能。u如果加入作动器和处理器，甚至可以做到实时自动修

4、补和调整，如果加入作动器和处理器，甚至可以做到实时自动修补和调整，这就形成了智能材料结构。这就形成了智能材料结构。利用光纤传感技术可以对材料内部的固化情况进行全面有效的监测。 张光磊：智能材料与结构复合材料成型过程的光纤在线实时监控系统原理 1. 对复合材料成型工艺在线监控模型的基本要求复合材料成型工艺在线控制系统的研究始于80年代初。相关技术领域主要包括工艺过程机理模型和固化监测传感器的研究等。张光磊：智能材料与结构复合材料成型过程的光纤在线实时监控系统原理 温度温度压力压力树脂粘度树脂粘度固化度固化度湿度湿度加热加热冷却冷却压力压力若和或则若和或则高压釜高压釜控制控制传感器传感器判断判断复

5、合材料复合材料张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 纤维增韧复合材料固化装置示意图:金属板金属板吸脂层吸脂层预浸层板预浸层板挡板挡板张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 固化温度、固化压力及其随时间的变化会影响如下主要参数：1)复合材料内温度、固化度和粘度的分布及变化；2)树脂和纤维中压力的分布及变化，排出的树脂量和复合材料的尺寸随时间的变化；张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 3)气泡含量及尺寸分布；4)残余应力、残余应变的分布；5)固化周期，即整个过程所需时间。张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过

6、程的基本模型 为保证产品质量，操作过程需满足如下要求：任何时刻，体系内温度分布均匀，且低于最大容许值，不能出现因反应过快而导致的温度骤变，尤其不能在局部出现这种现象；任一时刻，固化度分布均匀，且副反应少；操作结束时，各层的固化度都达到颈定值；张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 达到凝胶点之前，各预浸层被完全压紧，即多余树脂完全被挤出；固化结束时，材料中气泡数量最少，尺寸最小且分布均匀；操作结束后，各层的残余应力和残余应变尽量小或消除；固化周期短。张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 固化工艺条件主要包括以下几个方面：温度、压力及其随时间的变

7、化。好的工艺条件应使固化操作过程中材料内的各参数（包括温度、压力、固化度、气泡含量等）及其分布处于合理区域内。 张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 2. 热化学模型热化学机理:研究热传递和化学反应在树脂固化过程中的作用。 张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 化学机理的目的化学机理的目的 ：使材料内的温度和固化度的分布在固化过程保持均匀，且它们的变化平缓，从而使材料内的力学等性能均匀，保证产品质量。（这也是优化操作工艺条件的一个方面）张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 影响体系内温度的分布和固化度和粘度的分影响体

8、系内温度的分布和固化度和粘度的分布的因素主要包括：布的因素主要包括：1.树脂固化反应释放热量；2.固化体系内部及内部与外部环境之间存在温差导致热量传递； 除此之外还包括反应速度、反应热、材料物性、几何形状和尺寸等，研究热。张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 3. 树脂流动纤维作用模型树脂流动纤维作用模型是研究固化体系承受釜压的作用下，树脂流动和纤维变形对固化进程的影响 。张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 随着因树脂的流动使预浸层被压缩的逐渐进行，纤维受压迫而变形并产生弹力，部分负荷被纤维承担，树脂中的平均压力减小；张光磊：智能材料与结构

9、1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 随着预浸层被继续压缩，纤维承担负荷的比例越来越大，最终纤维体积分数完全取决于纤维束的弹性性能，与树脂流动无关。张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 伴随着树脂的流动过程，还存在着纤维的弹力作用，预浸层板可被看作是充满粘性流体的具有非线性弹性形变性能的多孔介质，所施负荷完全由树脂承担。 张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 4. 气泡活动模型气泡是影响复合材料产品质量的重要因素之一。如何减少并消除气泡，是保障复合材料制品的关键。这方面的研究主要包括：气泡的形成、成长和传递。张光磊：智能材料与结构1.1

10、树脂基复合材料成型过程的基本模型 1)气泡的形成： 一般出现在层间交界和树脂纤维交界处。它的形成主要有两种原因：制作预浸层板过程中空气的夹杂；因受热析出挥发的气体而导致内部成核。张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 2）气泡的生长(或缩小)气泡内成分是空气和树脂中的挥发组分(主要是水蒸气。如果树脂内压力或温度发生变化，将导致气泡涨缩或水的饱和蒸气压发生变化，进而导致水分在界面处扩散而使气泡生长或缩小。张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 3)气泡的传递气泡可随树脂的流动而运动，因此可借助树脂的流动将气泡排出复合材料。由于树脂是在由纤维床架构成

11、的网中流动，可将这个问题与多孔介质中多相流动过程或多孔介质中不互溶的流体的置换过程进行类比。张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 为使气泡能够运动，树脂流动的动力应大于阻碍气泡运动的阻力，即沿树脂流动方向的压力梯度必须大于某个临界值。张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 如果借温度、压力将分布于各处的气泡的尺寸控制在果临界范围内，而在这一尺寸范围内的气泡正好可以在压差作用下克服纤维网的阻碍被流动的树脂带走，这就可以原则上彻底消除气泡，从而提高复合材料产品的质量。张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 5. 残余应力模型

12、当固化操作结束，并恢复到室温，取向不同的铺层在某一方向的收缩不一致，因而产生内部应力和应变，称为残余应力和残余应变。它们的存在会降低材料的力学性能，严重时会使复合材料刚出炉就遭到破坏。因此研究如何消除残余应力的影响是优化操作工艺的一个方面。张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 综述：以上四部分模型是相互联系的：1.由反应放热和体系内外的传热而导致的温度分布决定了树脂的粘度分布；这又影响到加压时机，同时，材料的温度还决定了固化反应速率和到达凝胶点的时间，而后者又同样影响到加压时机。张光磊：智能材料与结构1.1 树脂基复合材料成型过程的基本模型 2.温度、压力与粘度的分布

13、及树脂流动又对气泡的活动和消除有很大影响。固化操作中的温度历程又影响到产品内的残余应力的大小等。因此，在进行固化工艺的研究中需要把这四部分模型结合起来应用。 张光磊：智能材料与结构1.2 光纤固化监测传感器的研究现状 光纤荧光固化传感器的原理是基于树脂粘度与荧光性的关系。分子在激发态由于扭曲运动而进行非辐射退化造成了与其粘密切相关的荧光性。 张光磊：智能材料与结构1.2 光纤固化监测传感器的研究现状 FOCSFOS光纤荧光固化传感器示意图 ：白光灯白光灯激发滤波激发滤波发射滤波发射滤波比放大器比放大器FOCS信号显示信号显示热电偶热电偶温度显示温度显示电源电源内置纤维的内置纤维的复合材料层板复

14、合材料层板张光磊：智能材料与结构1.2 光纤固化监测传感器的研究现状 1.光纤超声固化传感器超声检测技术由超声产生和检测两部分组成。通过光纤传输高能量激光脉冲在试件表面产生超声波，再通过干涉型光纤传感器检测，就形成了光纤超声方法。张光磊：智能材料与结构1.2 光纤固化监测传感器的研究现状 1.光纤超声固化传感器埋入的干涉型光纤传感器对材料内弹性波的响应由超声波的传播和偏振方向以及光纤的取向和传输光的偏振态决定。 张光磊：智能材料与结构1.2 光纤固化监测传感器的研究现状 固化传感器示意图： Q-开关Nd-YAG激光器数字示波器光电探测参考光纤传输光纤传感光纤复合材料信号处理模块张光磊：智能材料

15、与结构1.2 光纤固化监测传感器的研究现状 2.光纤红外频谱固化传感器傅立叶红外频谱法作为化学反应中功能基团的检测方法是已成熟的研究手段，将其用于复合材料固化在线监测。检测时通过对吸收峰的测量可直接得到化学反应动力学的信息。张光磊：智能材料与结构1.2 光纤固化监测传感器的研究现状 数据处理系统激光二极管耦合器光电管传感头多模（反射）光纤散射光纤端头单模（入射）光纤空心光纤环氧胶张光磊：智能材料与结构1.2 光纤固化监测传感器的研究现状 该法优点在于：可获得固化化学反应的直接信息且不受温度、压力等因素的干扰，可反映主要固化反应进程。缺点是：无法检测非化学反应因素如树脂流动、残余应力等对固化质量

16、的影响，且设备较为昂贵。 张光磊：智能材料与结构1.2 光纤固化监测传感器的研究现状 3.光纤EFPI固化传感器外置式Fabry-Perot光纤传感器也被用于对复合材料的固化过程进行监测。常规EFPI应变传感器结构图： 张光磊：智能材料与结构1.2 光纤固化监测传感器的研究现状 原始的不能满足所需，因此对EFPI传感原理进行了改进，即：改换反射多模光纤，换为折射率均匀的玻璃纤维。改进的固化检测EFPI应变传感器结构图： 张光磊：智能材料与结构1.2 光纤固化监测传感器的研究现状 数据处理系统S-LED耦合器探测器传感头均匀(反射)光纤抛光光纤端头单模（入射）光纤空心光纤环氧胶锁相放大器张光磊：

17、智能材料与结构1.3应用多模模斑谱光纤传感器监测复合材料固化过程1. 监测树脂折射率的光纤固化传感器在复合材料聚合物基体固化期间，分子键组分权重发生在复合材料聚合物基体固化期间，分子键组分权重发生变化，导致材料的折射率变化。变化，导致材料的折射率变化。因此因此对材料折射率的传感就会反映材料的固化状态对材料折射率的传感就会反映材料的固化状态。下表给出几种普通聚合分子键的体折射系数下表给出几种普通聚合分子键的体折射系数 : 张光磊：智能材料与结构1.3应用多模模斑谱光纤传感器监测复合材料固化过程张光磊：智能材料与结构1.3应用多模模斑谱光纤传感器监测复合材料固化过程对于多种分子键混合的材料，及可用

18、分子键的组分权重平均值近似表示。根据介电常数或折射率随树脂交联而变化的原理，发展了许多固化传感器，例如：在5MHz到10MHz的频带内使用电子频谱介电仪测量树脂交联度相关的介电特性等。 张光磊：智能材料与结构1.3应用多模模斑谱光纤传感器监测复合材料固化过程2. 多模光纤的模斑功率谱密度n 色相干光束在多模光纤中传输时，各个传输模色相干光束在多模光纤中传输时，各个传输模态会发生相互干涉，态会发生相互干涉，光纤末端会形成许多干涉光纤末端会形成许多干涉模斑。模斑。n 模斑分布会受到模斑分布会受到光线人射角、光纤数值孔径及光线人射角、光纤数值孔径及作用于光纤的外界扰动作用于光纤的外界扰动等因素的影响

19、。等因素的影响。 张光磊：智能材料与结构1.3应用多模模斑谱光纤传感器监测复合材料固化过程3. 模斑谱光纤传感器机理模斑谱光纤传感器机理u由于玻璃可经过处理而提高折射率，所以可直接制作折射率较大的玻璃纤芯，使其折射率大于树脂的折射率。u由于树脂折射率小于纤芯折射率，形成光波导，光线可在其中传播。当树脂固化过程中折射率变化时，就可通过测量传输光信号来反映。张光磊：智能材料与结构1.3应用多模模斑谱光纤传感器监测复合材料固化过程3. 模斑谱光纤传感器机理模斑谱光纤传感器机理u普通光纤玻璃纤芯外是折射率稍低的玻璃包层，为便于剥掉包层特殊制作了PCS光纤，其聚合物包层同时具有普通玻璃包层的作用，且易于

20、用化学方法去除。 张光磊：智能材料与结构1.3应用多模模斑谱光纤传感器监测复合材料固化过程4. 应用多模模斑谱光纤传感器监测复合材料的固化 利用模斑谱方法测量和处理数据，利用模斑谱方法测量和处理数据，从机理从机理上讲，测量的对象是模斑的分布，上讲，测量的对象是模斑的分布，显然比显然比只有当模态总数发生变化才有效的测量强只有当模态总数发生变化才有效的测量强度的方法更加敏感。度的方法更加敏感。张光磊：智能材料与结构1.3应用多模模斑谱光纤传感器监测复合材料固化过程4. 应用多模模斑谱光纤传感器监测复合材料的固化 利用光纤传感器对利用光纤传感器对不同温度，压力，不同不同温度，压力，不同固化剂等工艺参

21、数的固化过程进行在线监固化剂等工艺参数的固化过程进行在线监测研究测研究，为以后的复合材料工艺过程在线，为以后的复合材料工艺过程在线实时监控系统奠定基础。实时监控系统奠定基础。 张光磊：智能材料与结构1.3应用多模模斑谱光纤传感器监测复合材料固化过程由于固化后光纤仍保持光波导特性，该光纤还可用来监测结构受环境的扰动如温度变化、振动等。固化后期保温阶段的温度发生波动，这是由于热压机精度所致。 张光磊：智能材料与结构1.4应用光纤微弯传感器监测复合材料固化过程复合材料预浸带成型过程初期，树脂粘度由于温度上升而降低至最低点。通过测量粘度的变化可确定固化结束时间，避免不完全因化和过度固化。在工艺过程中监

22、测粘度的变化是改进产品质量、降低成本的关键。 张光磊：智能材料与结构1.4应用光纤微弯传感器监测复合材料固化过程1. 光纤微弯传感器原理光纤微弯传感器原理l微弯造成光纤传输能量损失，主要是微弯造成光纤传输能量损失，主要是由于纤芯由于纤芯最高阶传导模耦合到包层的辐射模，然后很快最高阶传导模耦合到包层的辐射模，然后很快衰减。衰减。l这种模态间的耦合可由许多环境效果造成，这种模态间的耦合可由许多环境效果造成，如如温度、压力、碰撞或引起结构应变的声波。温度、压力、碰撞或引起结构应变的声波。张光磊：智能材料与结构1.4应用光纤微弯传感器监测复合材料固化过程光纤微弯与普通弯曲的比较示意图如下：光纤微弯与普

23、通弯曲的比较示意图如下：只有了解微弯对模态传输影响的方式才能有效利用这种现象。 光纤光纤R光纤光纤微弯微弯普通宏观弯曲普通宏观弯曲张光磊：智能材料与结构1.4应用光纤微弯传感器监测复合材料固化过程2. 复合材料固化过程的实时监测复合材料固化过程的实时监测l光源采用光源采用He-Ne激光器，光电探测采用硅光电二极管。激光器，光电探测采用硅光电二极管。l依据依据树脂流动树脂流动纤维作用机理的模型纤维作用机理的模型，可以把预浸层板，可以把预浸层板看作是充满黏性流体的具有非线性弹性形变性能的看作是充满黏性流体的具有非线性弹性形变性能的多孔多孔介质介质，对其施以釜压后，树脂和纤维共同承担负荷。，对其施以

24、釜压后，树脂和纤维共同承担负荷。 张光磊：智能材料与结构1.4应用光纤微弯传感器监测复合材料固化过程在初始阶段纤维尚未发生变形，所施负荷完全由树脂承担；随着温度升高树脂黏度降低，此时若层板边缘处树脂压力较低，在内、外压差作用下树脂将流动，由纤维造成的光纤微弯减弱；张光磊：智能材料与结构1.4应用光纤微弯传感器监测复合材料固化过程当温度降至最低点时，预浸层被压缩，纤维受压迫而变形并产生弹力，此时部分负荷被纤维承担，光纤微弯开始增强，树脂中的平均压力减小；随着预浸层被继续压缩，纤维所承担负荷的比例越来越大，光纤微弯也越来越强， 张光磊：智能材料与结构1.4应用光纤微弯传感器监测复合材料固化过程最终

25、的纤维体积分数完全取决于纤维束的弹性性能，与树脂的流动过程无关，直至固化结束，光纤微弯也保持最强，不再改变 。张光磊：智能材料与结构1.5复合材料成型工艺过程在线控制专家系统1. 复合材料成型过程的优化设计 复合材料结构成型工艺过程非常复杂，不同的工艺过程和条件对最终复合材料制品的质量有很大影响。对复合材料的工艺过程进行优化设计，是提高复合材料制品质量和可靠性的关键。 张光磊：智能材料与结构1.5复合材料成型工艺过程在线控制专家系统通常采用方法：根据固化过程机理建立描述固化过程的模型，通过数值计算方式描述整个固化过程，设计和优化固化工艺，最终给出优化的工艺参数。张光磊：智能材料与结构1.5复合

26、材料成型工艺过程在线控制专家系统具体步骤如下：a)选择操作过程(温度、压力及其随时间的变化)；b)计算各参数变量的分布及其随时间的变化。 张光磊：智能材料与结构1.5复合材料成型工艺过程在线控制专家系统在复合材料固化过程中，由于存在各种因素的相互作用，各参数变量不可能同时满足要求，因此需要综合考虑，处理好主次关系。张光磊：智能材料与结构1.5复合材料成型工艺过程在线控制专家系统利用数值模拟对固化过程进行设计，可以反映固化体系的变化历程，了解内部过程机制，设计和优化操作工艺，从而缩短了设计周期，有利于提高产品质量和可靠性，并降低生产成本。 张光磊：智能材料与结构1.5复合材料成型工艺过程在线控制

27、专家系统2. 复合材料成型工艺过程的专家系统复合材料成型设备复合材料成型设备1.热压机热压机2.高压机高压机3.缠绕机缠绕机埋入的光纤传感器埋入的光纤传感器压力传感器压力传感器固化传感器固化传感器温度传感器温度传感器工艺控制设备工艺控制设备加热器加热器冷却器冷却器压力调节器压力调节器实时评价专家系统实时评价专家系统不同的判断规则不同的判断规则固化监测固化监测专家评价专家评价实时检测实时检测控制指令控制指令张光磊：智能材料与结构1.5复合材料成型工艺过程在线控制专家系统专家系统对各参数变量的要求与复合材料成型过程的优化设计对各参数变量的要求一样，即：1)固化过程中复合材料内任何位置任意时刻的温度

28、不能超过某一允许值；2)固化过程中体系内温度分布均匀，内外温差在允许界限内；张光磊：智能材料与结构1.5复合材料成型工艺过程在线控制专家系统3)固化结束时各铺层的固化度达到设计值，且各铺层被压缩后的厚度达到所设定的尺寸；4)体系内残留的气泡尺寸小、数量少；5)固化周期短。 张光磊：智能材料与结构1.5复合材料成型工艺过程在线控制专家系统温度控制压缩进程控制气泡生长控制判据规则残余应力控制固化结束控制生产结束控制综合判断等张光磊：智能材料与结构1.5复合材料成型工艺过程在线控制专家系统将光纤传感器埋入复合材料中，与专家系统相结合，所组成的复合材料工艺过程在线实时监控系统，是该领域研究的发展方向。

29、张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用1.超高频局部放电实时监视系统超高频(UHF)局部放电实时监视系统是将超高频传感器设计技术、高速信号处理技术、多频道检测及分析技术、变电站外界杂波对策、程序运行及分析技术等相结合的综合电力IT技术。张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用超高频局部放电实时监视系统的工作原理是：u当局部放电发生时，检测其中超高频波段的电磁波信号，达到监视GIS状态的目的。u现场操作容易，信号对噪声比(SNR)的比值更高，可达到精密监视GIS状态的目的。 张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用监视系统由：a)超高频传感器(U

30、HF Sensor)b)高级监控系统(Advanced Monitoring System，AMoS)c)分站在线监控系统(Substation Online Monitoring System，SOMoS)等部分组成。 张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用传感器AMoS 1AMoS nDB服务服务SOMoS主服务器主服务器控制单元控制单元交流电源回路交流电源回路传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器AMoS 1AMoS nDB服务服务SOMoS主服务器主服务器控制单元控制单元交流电源回路交流电源回路传感

31、器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器AMoS 1AMoS nDB服务服务SOMoS主服务器主服务器控制单元控制单元交流电源回路交流电源回路传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用光纤传感器特别是利用光纤光缆采集和传输信号，可以做到现场无电检测，本质安全防爆，特别适于易燃易爆场所的计量、检测和管理。张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用罐区实时监控系统主要包括如下功能： (1)报告各储罐的当前状态信息；包括

32、储罐储藏的物品、液位、是否泄漏等信息。 (2)设定日常信号报警系统用于罐区的日常安全管理； (3)监铡罐区火警信息，并进行初步火警处理。张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用超高频传感器分为外置型和内置型传感器。（1）外置型传感器安装在GIS绝缘子的外部，检测GIS内部发生的局部放电信号。（2）内置型传感器安装在GIS的内部。张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用由于不同电压等级和生产单位所使用GIS的结构不同，所以他们所使用的传感器也应针对不同电压等级和生产单位来设计开发。 张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用2. 罐区无电实时监控系统

33、在我国的石油化工、冶金以及国防等部门，如何对油品和化工产品等易燃易爆液体类物质进行自动化计量、安全检测和安全管理一直是个难题。张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用在高新技术的推动下，测量技术已跨入了数字化、智能化、网络化的时代，其主流发展呈现测量信息数字化、检测控制仪表智能化及控制管理集成化的趋势。张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用下面将对此系统进行一一学习：I.光纤传感器系统 根据对罐区整体结构模型的优化分析，需要在罐区安装的传感器及有关附件包括：光纤液位传感器、管线泄漏监测分布式光纤传感器、分布式光纤温度传感器、信号放大器、调理器等。 张光磊：智能

34、材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用传感器也在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在此过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐，它的出现给石油、化工工业的自动化计量、安全检测和安全管理技术带来重大变革。 张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用整个监测系统包括硬件和软件两个部分，其中硬件部分包括四个系统，即：光纤传感器系统、数据采集系统、数据通信与传输系统、数据分析和处理系统。 控制保护装置数据处理和分析系统数据通信和传输系统数据采集系统光纤传感系统储罐张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用光纤传感器在传感网络应用中具有非常明显的

35、技术优势，主要包括：可靠性好、抗干扰能力强这是因为光纤光栅对被测信息用波长编码不受光源功率波动和光纤弯曲等因素引起的系统损耗的影响。测量精度高 精确的透射和反射特征(小误差)使其更加准确的反映丁应力和温度的变化。张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用单路光纤上可以制作多个光栅 这样便可以对大型工程进行分布式测量。传感器头部结构简单、尺寸小，适于各种应用场合，尤其适合于埋入材料内部构成所谓的智能材料或结构。抗电磁干扰、抗腐蚀。 张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用II.数据采集系统 主要包括安装在罐区外的由微电脑控制的数据采集站，每个采集站都是基于PC的数据

36、采集分站。它们的主要功能是收集由光纤传感器传来的数据，进行信号调理、实现数据的初步处理和储存，然后传输到监控中心数据处理和分析系统中。 张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用III.数据通信与传输系统 包括了网络操作系统平台、安全监测局域网的网络协议以及与其他局域网或主干网的连接等。各系统之间的通信通过光纤传输，实现了全光通信，做到了本质上的安全防爆。张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用罐区数据通信与传输系统采用的是集计算机技术、网络通讯技术、过程控制技术于一体的计算机测控管理系统，系统将高性能、高可靠性工业控制计算机、可编程控制器和各类现场仪表有机的结合

37、起来，实现各部分信息的共享和协调工作，完成综合测控与管理功能。 张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用IV.数据处理和分析系统在数据处理和分析系统中主要以面向对象编程技术、数据库应用技术和虚拟仪器技术为基础的罐区信息管理系统软件。张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用它最主要的功能是能够提供各种简洁直观的储运系统信息，使管理人员能够及时了解、掌握罐区的所有油品的各种动、静态信息，为安全生产提供参考。 张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用无电实时监控系统的应用：A.满足了石油化工、冶金以及国防等部门对易燃易爆液体类物质的自动化计量、安全检测

38、和安全管理的发展要求；B.大大提高了罐区的自动化管理及运营能力、张光磊：智能材料与结构1.6在线监控系统在其它领域的应用去除和减少不必要中间环节；C.加强了内部管理、提高了整体运营效率；D.实现整个系统运营的经济、合理和高效。张光磊：智能材料与结构2.振动主动控制系统2.1 凸轮机构的振动主动控制系统 2.2 连杆机构的振动主动控制系统2.3 基于压电元件的振动主动控制系统张光磊：智能材料与结构2.1 凸轮机构的振动主动控制系统 1. 一个凸轮机构的振动主动控制系统 1等速马达；2凸轮轴；3盘形凸轮；4凸轮轴位置/速度传感器；5控制器；6液压缸；7活塞杆位置/速度传感器；8减振盘；9弹性扭杆1

39、0加速度传感器；11从动转盘；12从动轴；13从动摆杆；14滚子张光磊：智能材料与结构2.1 凸轮机构的振动主动控制系统主系统主系统动力系动力系统统传动系统传动系统执行系统执行系统控制系统控制系统等速马达等速马达1作为主系统的动力机作为主系统的动力机盘形凸轮盘形凸轮3安装凸轮轴安装凸轮轴2上，安装在从上，安装在从动摆杆动摆杆13上的滚子上的滚子14与盘形凸轮与盘形凸轮3滚动接触，从动摆杆滚动接触，从动摆杆13、从动转盘、从动转盘U均安装在从动轴均安装在从动轴12上。上。系统系统由由主系统主系统和和附加控制系统附加控制系统组成组成张光磊：智能材料与结构2.1 凸轮机构的振动主动控制系统附加控制系

40、统附加控制系统 信息处理与控制单元信息处理与控制单元 检测传感单元检测传感单元 执行单元执行单元 5为信息处理与控制单元为信息处理与控制单元 在凸轮轴在凸轮轴2上安装位置肠度传感器上安装位置肠度传感器4，检，检测凸轮的转角和转速；在液压缸测凸轮的转角和转速；在液压缸6的活塞的活塞杆上安装位置避度传感器杆上安装位置避度传感器7，检测与活塞，检测与活塞杆固定连接的减振盘杆固定连接的减振盘8的位置和速度；在的位置和速度；在从动转盘从动转盘U上安装加速度传感器上安装加速度传感器10，检，检测从动转盘测从动转盘11的加速度的加速度在从动转盘在从动转盘11上固定连接一个弹性拉杆上固定连接一个弹性拉杆9。减

41、振盘减振盘8与弹性扔杆与弹性扔杆9以移动副连接，两者可以移动副连接，两者可以作相对直线移动而不能作相对转动。液压以作相对直线移动而不能作相对转动。液压缸缸6的推杆与减振盘的推杆与减振盘8固接，驱动减振盘固接，驱动减振盘8沿沿弹性扭杆弹性扭杆9移动移动 张光磊：智能材料与结构2.1 凸轮机构的振动主动控制系统2. 凸轮机构振动主动控制系统的工组原理 控制器刚度函数1刚度函数2刚度函数n信息处理与控制单元存储器液压缸减振盘从动转盘凸轮等速马达位置/速度传感器时间位置/速度传感器运动规律张光磊：智能材料与结构2.1 凸轮机构的振动主动控制系统主系统的运动原理为： 等速马达等速马达1驱动盘形凸轮驱动盘

42、形凸轮3等速转动，推动滚子等速转动，推动滚子14和从动摆杆和从动摆杆13往复摆动，从动转盘往复摆动，从动转盘U将绕从动将绕从动轴轴12往复摆动作为输出。往复摆动作为输出。 张光磊：智能材料与结构2.1 凸轮机构的振动主动控制系统 在信息处理与控制单元在信息处理与控制单元5的存储器中，预先存储的存储器中，预先存储有若干个弹性扭杆有若干个弹性扭杆9的刚度函数，在不同的凸轮的刚度函数，在不同的凸轮转速下将选择不同的刚度函数。转速下将选择不同的刚度函数。张光磊：智能材料与结构2.1 凸轮机构的振动主动控制系统3.设计方法（1）刚度函数的计算步骤刚度函数的计算步骤l步骤一、建立凸轮从动件系统的动力学模型

43、。l步骤二、综合减振器的动力学参数，建立总体系统的动力学模型。张光磊：智能材料与结构2.1 凸轮机构的振动主动控制系统3.设计方法（1）刚度函数的计算步骤）刚度函数的计算步骤l步骤三、描述减振器刚度待定函数，建立动力优化综合模型。l步骤四、求解动力综合优化模型，获得主动减振器的刚度函数 张光磊：智能材料与结构2.1 凸轮机构的振动主动控制系统（2） 凸轮机构振动主动控制系统的刚度函数设计流程 总体系统动力学模型总体系统动力学模型动力优化综合模型动力优化综合模型减震器刚度函数减震器刚度函数主动减振器动力学模型主动减振器动力学模型减振器刚度待定函数减振器刚度待定函数模型求解模型求解凸轮凸轮-从动件

44、系统动力学模型从动件系统动力学模型张光磊：智能材料与结构2.2 连杆机构的振动主动控制系统弹性连杆机构的连杆曲线弹性连杆机构的连杆曲线 张光磊：智能材料与结构2.2 连杆机构的振动主动控制系统弹性连杆机构的振动主动控制系统组成1.等速马达；2曲柄；3连杆；4摇杆；5电阻应变计；6压电陶瓷作动器7马达轴位置/速度传感器；8信息处理与控制单元；9驱动器张光磊：智能材料与结构2.2 连杆机构的振动主动控制系统主系统主系统动力系动力系统统传动系统传动系统执行系统执行系统等速马达等速马达1作为主系统的作为主系统的动力机。动力机。 执行系统是一个曲柄摇杆机构，执行系统是一个曲柄摇杆机构，由曲柄由曲柄2、连

45、杆、连杆3、摇杆、摇杆4组成。组成。其中摇杆其中摇杆4为弹性构件，其他杆为弹性构件，其他杆均为刚性构件。均为刚性构件。 系统系统由由主系统主系统和和附加控制系统附加控制系统组成组成张光磊：智能材料与结构2.2 连杆机构的振动主动控制系统附加控制系统附加控制系统 信息处理与控制单元信息处理与控制单元 检测传感单元检测传感单元 执行单元执行单元 信息处理单元负责接收和处理传信息处理单元负责接收和处理传感器的信号；控制单元负责计算感器的信号；控制单元负责计算控制算法并发出控制指令给执行控制算法并发出控制指令给执行单元。单元。 在马达轴上安装位置在马达轴上安装位置/速度传感器速度传感器7，检，检测曲柄

46、测曲柄2的转角转速；在弹性摇杆的转角转速；在弹性摇杆4上上一点的上下表面粘贴一点的上下表面粘贴l对电阻应变计对电阻应变计5，检，检测该点的弹性应变。测该点的弹性应变。在弹性摇杆在弹性摇杆4中点的上下表面粘贴中点的上下表面粘贴l对片状压对片状压电陶瓷作动器电陶瓷作动器6，由驱动器，由驱动器9驱动。驱动。张光磊：智能材料与结构2.2 连杆机构的振动主动控制系统工作原理：工作原理： 以电阻应变计以电阻应变计5拾取弹性摇杆拾取弹性摇杆4的应变信的应变信号传至信息处理与控制单元号传至信息处理与控制单元8，输出控制电压，输出控制电压给驱动器给驱动器9，驱动压电陶瓷作动器，驱动压电陶瓷作动器6，压电陶，压电

47、陶瓷作动器瓷作动器6生成控制力矩来抑制摇杆生成控制力矩来抑制摇杆4的弹性的弹性变形变形张光磊：智能材料与结构2.2 连杆机构的振动主动控制系统压电陶瓷作动器的安装与接线方式 压电陶瓷作动器原始构件V 容易看出，压电陶瓷作动器对弹性杆形成的控制力矩与所加的电压成正比。因此，通过对输入电压的控制，即可实现对弹性机构的振动控制。张光磊：智能材料与结构压电陶瓷张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统智能结构振动主动控制系统的控制思想是：将压电材料作为传感器和驱动器粘贴在结构材料表面，压电传感器感受因振动而产生的结构应变，通过信号调理电路将振动响应转变为相应的电压信号，该电压信号被输入

48、控制系统，经过相应控制算法的计算，生成相应的控制信号，再通过功率放大器作用于驱动器，由驱动器将电能转换为机械能，使之产生变形，从而改变结构材料的应力状态或阻尼，达到振动主动控制的目的。 张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统基本思想 u在致动过程中提取出独立于作动器激励信号的在致动过程中提取出独立于作动器激励信号的运动状态信息，所以压电自传感作动器在实际运动状态信息，所以压电自传感作动器在实际应用中的核心问题是如何将自感式压电传感作应用中的核心问题是如何将自感式压电传感作动器的传感信号同加在该元件上的激励信号真动器的传感信号同加在该元件上的激励信号真正地分离。正地分离。 张

49、光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统压电自传感作动器物理模型 qrqcCrRrVcVpCpRp(a)(b)张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统控制系统结构图 压电陶瓷传感器电荷放大电路控制电路高压放大器压电陶瓷作动器张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统控制策略分析u机械振动都是围绕平衡位置进行振动的，机械机械振动都是围绕平衡位置进行振动的，机械振动的运动轨迹就是物体或物体的一部分偏离振动的运动轨迹就是物体或物体的一部分偏离平衡位置和返回平衡位置的运动。平衡位置和返回平衡位置的运动。u根据模态控制理论的原理，任何形式的振动都根据模态

50、控制理论的原理，任何形式的振动都可以由最基本的各阶模态的振动累加而成。可以由最基本的各阶模态的振动累加而成。张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统u考虑到实际应用中的可实现性，可采用一种四考虑到实际应用中的可实现性，可采用一种四分之一周期振动控制方案，即对机构偏离平衡分之一周期振动控制方案，即对机构偏离平衡位置运动的四分之一个振动周期施加最大的作位置运动的四分之一个振动周期施加最大的作用力，让振动速度尽快趋近于零，从而使结构用力，让振动速度尽快趋近于零，从而使结构较少的偏离平衡位置。较少的偏离平衡位置。张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统在纯弯曲条件下

51、，当结构发生小形变时，在压电陶瓷片表面产生的电荷量为：u其中：其中：EI压电传感器的弹性模量；压电传感器的弹性模量；ud31压电系数；压电系数；ub 压电传感器的宽度；压电传感器的宽度；uy悬臂梁的挠度；悬臂梁的挠度；经电荷放大器放大后，可得到与电荷量成正比的电压信号。xxtxybEIddAtqxd),()(12231张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统力矩大小与控制电压的关系为：u其中：其中：d31静压电系数；静压电系数；uh1 悬臂梁的厚度；悬臂梁的厚度；uh2 压电元件的厚度；压电元件的厚度；uEl悬臂梁的弹性模量；悬臂梁的弹性模量；uE2压电陶瓷的弹性模量；压电陶

52、瓷的弹性模量；uV(t)控制电压。控制电压。221121121312)()(EhEhEEhhhdtVtM张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统u由上式可以看出控制力矩的大小与控制电由上式可以看出控制力矩的大小与控制电压成正比，如果想得到较大的控制力，只压成正比，如果想得到较大的控制力，只需要施加较大的电压到压电陶瓷作动器两需要施加较大的电压到压电陶瓷作动器两端即可。端即可。张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统u因此，为了实现上述控制方法，只需要设因此，为了实现上述控制方法，只需要设计一个转换电路，将电荷放大器送出的分计一个转换电路，将电荷放大器送出的分

53、段正弦电压信号转换为电压信号，施加到段正弦电压信号转换为电压信号，施加到压电陶瓷作动器的两端即可。压电陶瓷作动器的两端即可。张光磊：智能材料与结构压电陶瓷张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统移动质量激励悬臂梁振动主动控制系统u移动质量载荷激励作用下，梁动态响应移动质量载荷激励作用下，梁动态响应的分析与研究一直是结构动力学的热点问的分析与研究一直是结构动力学的热点问题，类似于梁等柔性结构受移动载荷质题，类似于梁等柔性结构受移动载荷质量作用在交通、工业生产和军事上都有应量作用在交通、工业生产和军事上都有应用。用。张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统移动质

54、量激励悬臂梁振动主动控制系统u因此，对移动质量载荷激励作用下梁动因此，对移动质量载荷激励作用下梁动态特性进行分析，进而从振动控制的理论态特性进行分析，进而从振动控制的理论和技术出发，从根本上抑制梁结构的振动和技术出发，从根本上抑制梁结构的振动是一项有学术价值，而且，将产生巨大经是一项有学术价值，而且，将产生巨大经济效益和社会效益的研究。济效益和社会效益的研究。 张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统移动质量激励悬臂梁振动主动控制系统u压电材料由于具有良好的机电耦合性能，可以压电材料由于具有良好的机电耦合性能，可以做成分布传感器、分布作动器内嵌或外粘到柔做成分布传感器、分布作

55、动器内嵌或外粘到柔性结构中，感知结构所受激励，并通过控制系性结构中，感知结构所受激励，并通过控制系统做出相应的动作，以补偿或消除无益效应，统做出相应的动作，以补偿或消除无益效应，加强有益效应。加强有益效应。张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统u压电材料受到外力作用而发生形变时，将压电材料受到外力作用而发生形变时，将产生电荷。在纯弯曲条件下，当结构发生产生电荷。在纯弯曲条件下，当结构发生小变形时，压电元表面产生的电荷量经过小变形时，压电元表面产生的电荷量经过电荷放大器放大后，得到与电荷成正比的电荷放大器放大后，得到与电荷成正比的传感电压信号，即传感电压信号，即张光磊：智能材

56、料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统)(),(),(2),()(),(),(2222224444vtxxtxyvyxtxyvxtxymvtxmgxtxymxtxyIEb221)()(xxFtUciaiNi式中，c=kad31/hp，ka为与材料特性有关的常数；d31为压电应力常数，mV；为Dirac函数；Fi(x)为第i片压电元位置分布函数；Uai(t)为施加于第i片压电元的电压，V；N为压电元的个数。张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统u压电材料受到外力作用而发生形变时，将产生压电材料受到外力作用而发生形变时，将产生电荷。在纯弯曲条件下，当结构发生小变形时，电荷

57、。在纯弯曲条件下，当结构发生小变形时，压电元表面产生的电荷量经过电荷放大器放大压电元表面产生的电荷量经过电荷放大器放大后，得到与电荷成正比的传感电压信号，即后，得到与电荷成正比的传感电压信号，即xxtxybdEktUiixxppaid),()(212231式中Uai(t)为传感电压信号，k为电荷放大器的放大倍数。张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统针对上述移动质量激励悬臂梁横向振动主动控制压电元的作动方程和传感方程，通过分离变量法将其分别转化为状态空间模型中的系统状态方程和输出方程。将各阶振动方程在模态坐标系中进行迭加，则由前n阶模态振动方程组装得到移动质量激励悬臂梁横向

58、振动系统的状态方程和输出方程。张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元件的振动主动控制系统柔性冗余度机器人振动主动控制系统 u冗余规划方法，虽然可以改善柔性冗余度机器冗余规划方法，虽然可以改善柔性冗余度机器人的动力学品质，但却势必影响其操作性能，人的动力学品质，但却势必影响其操作性能，如消除奇异、避免障碍等，故难以适应复杂的如消除奇异、避免障碍等，故难以适应复杂的工作任务与环境的要求。工作任务与环境的要求。u此外，该方法所规划的关节自运动一般比较复此外，该方法所规划的关节自运动一般比较复杂，难以实时控制，且算法稳定性较差。杂，难以实时控制，且算法稳定性较差。张光磊：智能材料与结构2.3基于压电元

59、件的振动主动控制系统u宋轶民等研究了具有压电作动器与应变传感器宋轶民等研究了具有压电作动器与应变传感器的柔性冗余度机器人的振动主动控制问题，在的柔性冗余度机器人的振动主动控制问题，在假定受控系统完全可控、完全可观的前提下，假定受控系统完全可控、完全可观的前提下，设计了，设计了，LQG状态反馈控制器与状态反馈控制器与Kalman最优最优滤波器，有效地抑制了，柔性冗余度机器人的滤波器，有效地抑制了，柔性冗余度机器人的弹性动力响应。弹性动力响应。张光磊：智能材料与结构3.大型结构温度场实时监测系统3.1 背景3.2 测温系统的组成3.3 温度检测系统软件设计3.4 应用与结论张光磊：智能材料与结构3

60、.1 背景u大型结构的安全性和可靠性十分重要，对大型大型结构的安全性和可靠性十分重要，对大型结构的健康状况进行监测、诊断、控制及评价，结构的健康状况进行监测、诊断、控制及评价，从而及时发现并消除结构的安全隐患，确保结从而及时发现并消除结构的安全隐患，确保结构的安全性和可靠性，是当前国际学术界和工构的安全性和可靠性，是当前国际学术界和工程界普遍关注和高度重视的热点。程界普遍关注和高度重视的热点。 u当环境温度发生变化时，桥梁等结构的温度也当环境温度发生变化时，桥梁等结构的温度也会随着发生变化。会随着发生变化。 张光磊：智能材料与结构热敏电阻张光磊：智能材料与结构3.1 背景u传统的温度检测大都采