高应变研究报告压电传感器承受能力

研究目的和意 结构高应变区传感器安装技术研 应变传递研 应变传递理论模 应变传递影响因素分 应变传递理论模型验证实 胶层对压电传感器激励/接收信号的影 理论模型研 试验设 胶层对信号幅值的影 胶层对信号稳定性的影 结构高应变区传感器安装方 小 传感器应变承受能力测试技 现有研究方 传感器应变承受能力测试实验平 传感器应变承受能力实验结 高应变载荷对阻抗信号的影 小 传感器预压应力施加技术研 预应力施加技术方 预紧圆环研究与设 预应力传感器加 预紧力传感器性能测 小 适用于结构高应变区域的新型传感器封装技 压电智能层封装设 探头封装设 小 结构高应变区传感器阵列布设技 高应变区传感器阵列设计方 结构高应变区传感器阵列布设方 传感器分区布置策 传感器阵列优化设计方 小 压电传感器新材料研 无铅压电陶 BaTiO3无铅压电陶 Bi0.5Na0.5TiO3无铅压电陶 铋层状结构无铅压电陶 钨青铜结构无铅压电陶 铌酸钾钠（KNbO3-NaNbO3）基无铅压电陶 铌酸钾钠（KNN）无铅压电陶 水热法铌酸钾、铌酸钠粉 铌酸钾钠（KNN）无铅压电陶瓷的压电性 铌酸钾钠（KNN）无铅压电陶瓷的力学性 结 参考文 均可导致飞行器结构的性能或破坏。无论是金属还是复合材料的飞行器结构，损伤通常发生在不易观察的隐藏部位，给检测带来。特别是随着飞行器结构的复合材料化[1]，损伤模healthmonitoring,SHM)是确保飞行器结构设计先进性、确定结构完整性和耐久性、提高服役安全性和降低成本的性创新技术[2]。波音公司在多个机型(包括Boeing787)上探索SHMSHM在A320A340、A350、A380等型号上实现[3]。系统健康状态信息的获取[6]。Prosser等[7](2004)比较了不同类型传感器(压电传感器、光纤传感压电传感器由于其灵敏度高，控制系统简单，且能同时用作主动与监测，可实现不同类型的结构健康监测技术(如基于振动法[8基于波法9和基于阻抗法10)从而被广泛采用。基于波法的代表性的工作是斯坦福大学研发的压电智能夹层传感器阵列1,12，目前已在飞行器上进行了超声导波健康监测技术的验证SA Langley中目前正在研究基于压电光纤的传感新概念技术，同时也在研究新的模型以更好地了解和预测薄板结构中的可导模态声波，同时也在研究基于自然界仿生的传感器连接方式使数据获取硬件最小化，并提高数据处理效率。基于阻抗法的代表性工作是SALangley心Learjt5机身结构和-17机身上验证了基于阻抗法结构健康监测技术的可行性13。已有试验研究表明，阻抗信号也受温度和载荷变化影响在飞行环境下应用M的可靠性还有待提高14,15Lim等16(20)了提高阻抗法在变温度和变载荷环境下的监测能力采用基于l的主元分析技术对数据进行规范化处理，并在机身和机翼连接结构处的螺栓松动监测试验中进行了验证。s和Radhika10(201)综述了基于阻抗的M技术在金属和非金属结构的研究进展。尽管SHM技术取得了长足进步，但数健康监测和损伤检测系统在航空航天工业上SHM传感系统的适应性、耐久性和诊断结果的可靠性提出了严峻。飞机服役环境十分复杂和恶劣，对压电传感器的选择、设计和操作以适应这种独特的环境提出了严峻聚乙烯聚合物，PVDF)和复合压电传感器(如PVDF和PZT复合)。这一类压电传感器一般能力。如何保证压电传感器在服役过的生存能力是结构健康监测工程应用的技术难点。为了保证结构健康监测系统在长期实际使用过的可靠性，需提高压电传感元件的应变承受能25%，并在此基础上发展结构高应变区传感器安装及优化布设方法。采用理论分析数值模拟与实验验证相结合的方法首先从传感器层次上采用实验，Lamb波信号的激励和接收，并且建立了相关的数学模型。EdwardFCrawley等人[17]建立了传感器、胶层和基底结构的数学模型，主要用来分析传感论胶层上的剪应要分布在边缘位置MaziarMoradi[19]利用相同的方法对MEMS传感器监胶监测结胶监测结图12[19]（1）（2（3）（4）（5）（6）图2数值分析以及建模过涉及到的符号以及取值在表1中列出表1LPZT传感器只产生水平位移ub和upPZT传感器的应变分别为[17]dub

dup，=up

Bernoulli-Euler梁应变分布理论，可dpp0,dbb

其中，α与应变的分布情况有关，此处为均匀拉伸，所以2。pEpp,bEbb,aGa由于pba，所以将式子（3）带入式子（2）

EdpGaupua H Gu

a

a

对上面的式子进行求导，消去up和uaE

p

Hp

E a b

HbHad

p

d

d

b

d

b

pp

其中，和2

(1),

p B

BxBsinhx

1

1

b

1 1xl/2处，传感器的应变由施加的电压、压电常数以及传感器的厚度决定，即pd31Vhp。其中d31为压电材料的压电常数，由于我们只考虑水平方向的应变，所以这里我们只需要考虑d31，即径向伸缩式的传感器。而基底结构由于外载荷的作用，变形为0，所以问题的边界条件如下所示。xl

pd31V/hp,bxl dV/h,

B

d31V,

B0,

d31V

()cosh （8）后就可以到的传感器上的应变p和铝板上的应变b的表达式。0GaEa(d31V)sinh0

Gp 因为主要针对高应变区域的应变传递情况，所以由传感器压电性能产生的应变与结 1coshx

b

1coshx

coshl4所示的应变传递图3基底结构和传感器上的应变分布情 图4传感器径向上的应变传递系（a）胶层厚 （c）传感器弹性模 图5维有限元模型，比较准确的分析应变的传递情况。因此，我们分别结合ABAQUS表2尺寸弹性模量8*58*SS部区域的有限元模型，如图6所示。XYZ方向位移，XX方向位移场。由于问题只需要进行静力学分析，采用隐式算法，所以单元类型选择8节点实体单元（C3D80.5mm40196。图67ABAQUS图7LE1作为边界13S计算结果对比。从结US选择的是与胶层接触的一层单元上的应变，所以会导致在传感器边缘处，与理论分析的结果有0，与理论分析结果一致，如图8所示。图8（14。ABAQUS计算得到的结果相对比。Chopra（2000）也进行了类似的探讨，他们都从数值分析上得出了剪力滞后系数。剪力滞后效应在结构工是一个普遍存在的力学现象，小至一个构件，大至一栋层建筑，都会Maziar等人对粘贴到结构表面的微电子系统应变传感器（MEMS）的应变传递情况进行了1中的初始数据，建立数学模型。但是为了分析每个变量对应变传递效率的影响，所以在分析时，每次只改变单一变量的取值范围，以得到各个参数的。x000。图9一般情况下，传感器粘贴到结构上时，胶层厚度一般为几十微米到几百微米之间，所以利用和S软件分别计算胶层厚度在0.02mm~0.2m之间变化时应变传递效率US作为当前厚度胶层的应变传递效率。同时利用前面的应变传递效率公式，计算不同厚度时的传递效率，进行对比，结果如图9和图10所示。 （a）25

（b）50

（c）100图10不同胶层厚度时传感器上的应变分布（25m、50m、100m从计算结果可以看出，无论是理论分析的结果，还有有限元计算的结果都表明胶层厚度的US计算的结果小0.05SX度的增加，传感器上的高应变区域越来越向中间集中，如图10所示。11从公式（7）和公式（14）coshl将逐渐趋于无穷大，导致应变传递效率逐渐趋近于/(a)，这个极限值主要有传感器和基底结构的强度比决定。同样利用ABAQUS和软件，在其他参数不改变的情况下，控制胶层的弹性模1GPa10GPa11中可以看出，无论是ABAQUS，两者的计算结果都表明传递效率随着胶层弹性模量的增大而增大，而且计算结果相对ABAQUS偏大。当胶层弹性模量增加到一定程度后，应变传递系数逐渐近极限值，与理论分析结果一致。 图12不同胶层弹性模量时传感器上的应变分布（2GPa、4GPa、6GPa）12可以看出，随着胶层弹性模量的增加，高应变区域越来越目前实际工使用的传感器多为圆片式和矩形的传感器在厚度以及半径上有很大区别，从计算结果图13来看，应变的传递同样受到传感器尺寸的影响，而且传感器厚度对应变0.2mmABAQUS计算结0.6~0.71mm后，应变传递系数迅速降低到0.3~0.4。但根据ABAQUS计算结果显示，当传感器厚度达到0.6mm以后，应变传递域也在增加，如图14所示。图13 图14不同传感器厚度时传感器上的应变分布（0.4mm、0.6mm、1mm）图15 图16不同半径时传感器上的应变分布（2mm、4mm、6mm）传感器承受高应变的能力降低。从ABAQUS模拟的结果来看，当传感器的半径为2mm时，应变传递系数仅为0.37，随着半径的增加，传递系数在增加。当半径达到4mm左右后，应变传递17所示。从分析结果压电陶瓷弹性模量可以达到30GPa左右，强度能够达到90MPa，此时最大可以承受5500左图17图18所示。（a）40GPa （b）60GPa （c）100GPa图18不同弹性模量时传感器上的应变分布（40GPa、60GPa、100GPa）ABAQUS和数值计算软件对该问题进行了分析在给定了一个初始的参数设置之后，0.6mm后应变基本维持不变；法，以及近些年出现的新型光线应变传感器测量法，如图19所示[20]。电测法中的电阻应变计时一种成，应用范围最为广泛的应变测量方法，距今已有60多其变化率和安装应变计处构件的应变成正比。测出此电阻的变化，即可按公式算出构件表面19常规应变测量方法a）1；b）1%；c）0~2104涉条纹图。测量此条纹，通过计算，就能确定结构模型在受载荷情况下的应力应变分布。的光探测器发生。形成及极大值对应的入射光的波长与多模光纤纤芯的折射率、纤芯光纤应变传感器现在广泛应用于土木工，这是由于光纤应变传感器独有的技术优势。BX120-0.5AA3mm*2.5mm。为了使传感器承受高应变的载荷环境，实验中选择了如图20所示的试件，总体尺寸为400mm*50mm，厚度3mm2024试件上表面等间隔布置6个传感器间距为35mm，55个传感器，高应变区域上下表面的传感器对称分布，在非高应LambLamb波信号25m、50m、75m、100mm。为了对比胶层弹性模量对应变传递效率的影响，进而得到最合适的环氧树脂胶，实验时33个试件。Lamb波信号，用于后面的分析。图2021所示，胶层厚度通过控制聚酰亚胺薄膜的层数进行控制，每1Lamb2~6号传感器进行信号的接收。同时在传感器和铝5个传感器同样焊接导线，通过阻抗分析仪测试传感器的阻抗信息。整体实验测试系统如图22所示，包括拉伸机、应变分析仪、阻抗分析仪、ScanGenie以及引伸计。 图21粘接传感器的试 图22实验测试系测量。胶层厚度为75m的传感器在粘贴的过出现问题，应变测量结果不正确，与其他100

以在结果分析的过同样没有考虑。从图23来看，随着铝板上应变的增加，传感器上表面的应变也在增加，传感器上表面的面的应变越小。当铝板的变形为3000时，胶层厚度为125m的传感器上表面的应变高于胶100m24所示，总体上来看应变传递效率随着载荷增加呈现降低的趋（11图23不同胶层厚度时铝板和传感器上表面应变图24不同厚度时的应变传递系数HysolEA939625所示，其中胶层厚度为50m的传感器在粘接过损坏，没有粘贴应变片进行应变测量。从3500时，胶层厚度为25m的传感器上表面的应变最大，为2500左右。胶层厚度为125m的传感器1600左右。图25不同胶层厚度时铝板和传感器上表面应变图26不同厚度时的应变传递系数HysolEA939626m时，应变的传递系数降低到0.3271。这说明相对于载荷条件，胶层厚度对应变传递的影响27不同胶层厚度时铝板和传感器上表面应变27Araldite9395环氧树脂胶时的应变传递情况类似。图28不同厚度时的应变传递系数3种环氧树脂胶的应变传递情况，我们可以发现随着胶层厚度增加，传感器上表面应变同样保持线性增加的趋势相同载荷下应变传递系数随胶层厚度增加而减小其中HysolEA9396环氧树脂胶区别最明显，而其余两种胶应变传递系数随胶层厚度的改变不是很显著。HysolEA9396基本维持不变,HysolEA9395Araldite环30MPa左右，但是粘度相差很大。HysolEA9395的粘度为100-300PaS，而HysolEA9395的粘度仅为3.5PaS，所以导致两种环氧树脂胶的应25m的传感器Araldite环氧树脂胶粘贴的试件，四个传感器上表面的应变都十分接近，说明图29胶层弹性模量对应变传递效率的影响（25m从图29EA93950.9左右，Araldite环氧树脂胶的应变胶层厚度的平均应变传递系数，结果如图30所示。从结果来看，无论在哪一种胶层厚度下，HysolEA9395HysolEA9396环氧树脂胶的应变传递系数。而Araldite环氧树脂胶由于在胶层厚度控制时出现问题应变传递效率十分接近所以50m、75m125m25m根据3种胶给出的使用说明，25°C时，HysolEA9395环氧树脂胶后的剪切弹性模为1543MPalEA9396环氧树脂胶后的拉伸弹性模量为2750MPa泊松比按0.3处理，1508.8MPa，e0°C1200MPa。9395>9396>e25m125m的应变传递系数大小关系相一致，说明厚度相同时，随着胶层弹性模量的增大，应变传递效率在降低。图30胶层对压电传感器激励/压电传感器和结构之间的动态相互作用可以用一个简单的一维模型来描述,31所示。粘贴在结构上的传感器可认为是一种薄块，当施加交流电压vsin(t)时，它会产生轴向振动。图31Zd2YE Yja(a31 d2YEZa

31

Y——电导纳（逆阻抗）Za——压电晶片的机械阻抗Zs——结构的机械阻抗d31——在零应力下的压电耦合常—— 1Ks/Km2jc Km2jc k2

EY11E通常要乘以系数,1EKsKb0,i.e.KbKs频率图32阻抗与系数32所示，当由KsKbKb由粘结层决定。粘结层的厚度hs和剪切模量GsKb有显著的影响.关于剪切滞后的影响，研究表明系数与Gs和hs有关，如下式1Ks11Ks1C1

1spwpGs和Ch的增加系数1sZshs模量Gs的减小系数试验中通过对比压电传感器粘接在结构上的阻抗参数及激励/Lamb波信号的幅值和稳500mm500mm202421个压电传感器，传感器参数和尺寸如表3所示。其中铝板正中间为一个激励传感器A1，另外二十个传感器在激励传A1150mm的圆周上，每五个传感器为一组，使用同样杨氏模量胶层粘接，共分为四组每组胶层厚度从25m到125m依次递增25m为一个传感器的胶层厚度间隔。具体传感器布置如图33和图34所示。在压电传感器激励/接收Lamb波信号的试验中使用Acellent公司的ScanGenie设备进行信号的激励和激励信号为Hanning窗调制的5周期正弦脉冲扫频范围为50kHz-400kHz，25kHz12MHz50V。表3名 APC尺寸 ∅= ℎ𝑃𝑍𝑇=密度 机电耦合系数 压电电压常数𝑔33 24.8×压电常数𝑑33 400×相对介电常数 频率常数𝑁𝑇𝐻𝑧. 弹性模量E 图33不同杨氏模量的胶层及其厚度对压电传感器激励/在压电传感器的阻抗参数测量试验中试验WayneKerrElectronics公司的阻抗分析仪6500B，测量参数为阻抗及阻抗实部（即电阻，测量频率范围为10k-1M，在该范围内传感器主要有两个振动模态的频率。根据3种胶给出的使用说明书，25°C时，HysolEA9395环氧树脂胶后的剪切模量为1543MPa，HysolEA9396环氧树脂胶后的剪切模量约为1508.8MPa，Araldite环氧树脂胶0°C1200Mpa。DW-1DW-1E可由剪切模量G及泊松比根据公式E2(1)G得到。一般情况下泊松比设为0.3，因此杨氏模量与剪切模量为线性增长图34不同杨氏模量的胶层及其厚度对压电传感器激励/接收信号影响的试验表493959396剪切模量重复性，在同样试验条件下共Lamb波信号5次。以下公式可用于计算信号差异指（DamageIndex）SSAS

fArea hU(f

l l其中fl和fh表示由激励信号决定的信号带宽，而U*f表示信号的频谱接下来通过得到所测量阻抗值的频率及信号的幅值说明对压电传感器激励/接收信号35为胶层厚度25μm10k-19k时的不同模量胶层的阻抗图，此时模量减小而系数随之减小，从而阻抗减小，与理论中图32的情况一致。胶层厚度爱牢爱牢ImpedanceImpedance Frequency

x35胶层厚度25m胶层厚度爱牢爱牢Re(Z)Re(Z) Frequency

x图36胶层厚度25μm36为胶层厚度25m200k-500k时的不同杨氏模量胶层的阻抗实部频率均在400kHz左右，9395环氧胶频率在350kHz左右，DW-1的频率在300kHz左37为胶层厚度25m过Hilbert变换处理，最后得到结果与图36所测得频率情况较为一致，即在频率处信图37不同胶层激励/Lamb45Araldite10k-19k时的不同胶层厚度的阻抗图，可看出随着胶层厚度增大而系数39的情况一致。爱牢Impedance Frequency

x38Araldite不同的胶层厚度下，传感器与结构间耦合程度不同，导致所测的传感器频率不同，由39可以看出随着胶层厚度增加，Lamb400k逐渐后移至275k左右，与阻抗频率的变化趋势一致。39Araldite作粘接剂时不同胶层厚度激励/Lamb，图40为9395环氧胶粘接的传感器放大至200k-500k频率范围内所测得的阻抗实部图，06-10号传感器的胶层厚度依次增大由图中可以看出随着胶层厚度从25m到125m依次递增，传感器频率约由420k向后偏移至320k左右，相对应传感器的信号幅值见图41，Lamb波信号达到最大幅值的频率虽然未如Araldite粘结时的情况完全一样，但变化趋势一致，即胶层厚度较大时，信号达到最大幅值的频率减小，其中胶层厚度为100m时频率约为250kHz.，9395环氧Re(Z)Re(Z) Frequency

x图409395419395环氧胶作粘接剂时不同胶层厚度激励/Lamb图42为9396环氧胶粘接的传感器放大至200k-500k频率范围内所测得的阻抗实部图，11-1525m到125m依次递增，传感器频率约由420k向后偏移至300k左右。相对应传感器的信号幅值见图43，Lamb波信号达到最大幅值的频率随着胶层厚度增加而逐渐减小，其中胶层厚度为125m时，频率300kHz.Re(Z)Re(Z) Frequency

x图429396439396环氧胶作粘接剂时不同胶层厚度激励/Lamb，图44W-1200k-500k16-20传感器的胶层厚度依次增大对于W-1粘接的传感器来说胶层厚度为m时频率为320kHz而其他胶层厚度的传感器频率约为300kH相比于使用其他杨氏模量粘接剂的感器频率的变化较小，可能是由于W-1在常温下的模量较小的缘故。相对应传感器的号幅值见图45275kHz225kH。，Re(Z)Re(Z) Frequency

x44DW-145DW-1作粘接剂时不同胶层厚度激励/Lamb同胶层厚度的Lamb波信号来说，在频率处，信号幅值达到最大。接下来通过试验不同杨氏模量胶层及其厚度对信号稳定性的影响，从而在不影响监测50kHz-400kHz4种杨氏模量胶层，5205Data01-Data05图46给出了以Data01为参考信号路径为A12在扫频范围50kHz-400kHz时各组数据SASS0.0450kHz，SASS0.03SASS值0.10.8SASS0.04以下说明同样条件下不同中心激励频率的信SASS指数减小。300kHz的中心激励下所接收到的信号幅值都比较理想，因此下面重点以300kHz为中心激励频率各路径的信号图47给出以Data01为参考信号，SASSSASS0.03水平以下，说明同样条件下不同路径的信号稳定性良好。因此不同杨氏模量胶300kHz时的信号产生显著性影响。PathA1toDamageDamage0507510012515017520022525027530032535037546Data01A12DamageDamageA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1to47Data01300kHz激励中心频率范围越接近频率，信号幅值越大，监测效率越高。图48高应变区域传感器的安装方案基本如图48数值仿真、有限元分析等方法模拟监测结构的可能载荷条件，得到结构在不同载荷条件下的应变情况，最终选择结构应变最大的结果作为监测区域最大应变，保证传感器在极限最大载荷下不会损坏；层数。根据这一思路，我们可以结合传感器的封装技术，在对传感器进行封装的过，同时在对压电陶瓷传感器进行预紧力施加的研究过，我们得到了封装压电传感器，在传感56图49度，以及传感器的尺寸和弹性模量。之后结合有限元分析软件ABAQUS和数学分析软件对应变传递进行了分析，初步得出了以下结论：同种环氧树脂胶，结构变形4000m以前，传感器上表面的应变与铝板上应变基本维持度为25m时传递系数为0.75，当胶层厚度增加到125m后，应变传递系数减小到0.3。环氧HysolEA9396Lamb波信号，实验结果表明使用杨Lamb波信号来说，在频率处，信号幅值达到最大。从信号稳定性方面来说，不同杨氏模量胶层及Lamb波信号。检查传感器是否出现脱粘和断裂的情况；二是利用压电传感器到的Lamb波信号对传感器试验时分别将传感器粘贴到飞机2024-T3级铝试件上，在拉伸机上进行加载实现高应变承受能力测试。通过试验发现在3000-4000以前，压电阻抗的信号并没有很明显的差异，只是峰值发生很小的改变，而且在卸载之后，阻抗信号与初始的信号几乎一致。在4000之后，压电阻抗信号开始发生改变，并且卸载后的信号与初始信号不一致。在6000后变化已经变7200Acellent科技公司研究了他们生产的SMARTLayerTM集成PZT传感器，在基底结构受循环PZTSMARTLayerTMPZT传感器在循环载荷作用时，如效模式与以下因素密切相关：(1)(2)(3)(4)基体材料理工学院Eric等研究循环应变对PZT性能的影响同时还考虑不同粘接剂(MBond200和双组分环氧胶)Pitch-catch模式的主动监测方法，响应变量采取传感器接收信号的积分幅值，即在给定Lamb波飞行时间窗口内的信号幅值的平方和的平方根。Underwood33006000PZT积分幅值发生了显著降低。Lamb波的激励接收和阻抗信息的测量。在对试件进行拉伸的过，分别测量了不同应变下传感器所接收到的Lamb波信号和阻抗信号。将试件夹持到拉伸机后进行一次信号，作为Baseline信号，之后通过引伸计控制件上的应变每间隔500进行一次知道当试件上的应变达到4000时停止加载，4500时铝板将进入塑形屈服阶段。之后进行卸载，载荷回复到初Lamb波激励和接收时，采取扫频的方式激励Lamb波，频率区间为50KHz到400KHz，间隔25Khz。对阻抗信号进行时，频率范围是10Khz到10MHz。接收Lamb波信号的传感器Lamb信号共同分析H3816NH3816N静态应变测试系统是全智能化的巡回系统适用于测点相对较集中的模型及其他试验，实现对应变应力、力、压力、扭矩、位移、温度等物理量的测量。每台数据采样箱可测6060点/60～20000Ω1.0～3.0可进行任意修正；测量应变范围为±19999με1με0.5%±3με；零漂不4με/4h；自动平衡范围:±15000με（1.5%0.0～100Ω。100KN100KN全数字电液伺服动静试验机系统是长春机械科学开发研制的系列产品主要用于测试各种金属材料、高强塑料以及类似材料的动静力学性能。主要技术参数：静负荷以及动负荷量100k1（20%起50m1%0.00150z0.001z，控制波形包括正弦波、三角波、方波、斜波、梯形波、组合波、外部输入波等。6500BWK6500B，该仪器有强大的阻抗分析功能，使用自动平衡电桥技术，20Hz15MHz，可以测量的参数包括阻抗(Z)(Y)()-Re(Z)、电抗(X)(G)(B)(C)(L)，消耗因素(D)及品质因素(Q)(C)Re(Z)、采用Acellent公司生产的集成设备ScanGenie，支持多通道激励/接收，可调整带通滤波和增益， HysolEA939551可以看出，2000时传感器阻抗信号发生了很明显的改变，谐振频率发生了改变。试件最终加载到4000，此时阻抗信号的谐振频率发生了明显的向右偏移，由372KHz增加到598KHz由于在拉伸过铝板产生了塑性变形所说卸载后铝板残余应变大800左右从图51没有使传感器产生不可逆的损伤，加载过传感器阻抗值虚部的改变主要是由于结构-胶层-512000前传感器的阻形式发生很明显的改变，谐振频率向右偏移。卸载之后的阻抗信号为图51图50不同应变下的阻抗曲线（9395-25m800KHz（9395-（19）NRMSDN

Ih

nI0n2

00

In2其中N为阻抗信号采样点数，Ih为胶层厚度为h时的信号幅值，I0Baseline信号的幅值。52522000之前RMSD2000RMSD0.5增加到2500后，RMSD突然增长到2以上，说明在这个拉伸过传感器的性能发生很明显的改变。为了表征传感器对高应变载荷的承受能力，定义阻抗值信号突变载荷n，此n=2500。卸载 ，由于是通过位移控制，导致铝板上产生了800的压缩变形，RMSD图52RMSD（9395-25m2500时，阻抗信号发5425m时的阻抗信号变化趋势对比发现，随着胶层厚度由25m增加到50m阻抗信号突变载荷由2000增加到2500，说明传感器的应800KHz（9395-图54RMSD（9395-50m变化，信号整体向下偏移。当载荷达到3000之后，阻抗信号的谐振频率由436.1KHz增加到分影响同时，说明这部分影响是可逆的，传感器并没有发生不可逆的损伤。5625000.52.5，说明传感器的阻抗信号发生了非常明显的变800KHz（9395-图56RMSD（9395-75m100m75m时相同，如图所示。在500之前，传感器阻抗信号变化很小，整体信号随载荷增加出现向下偏移，但是在谐振频率附近阻抗信号基本重合。载荷继续增大，阻抗信号出现突变，传感器阻抗信号谐振403Kz436.1KHz0100m75m时的变化指数曲线基本一致，如图57所示。800KHz（9395-图58RMSD（9395-100m75m100m125m在整个拉伸过传感器阻抗信号都没有发生很明显的改变，这说明随着胶层厚度的增加，传75m100m的传感器在粘贴时可能4000RMSD0.5左右。800KHz（9395-图60RMSD（9395-125m61中可以明显看出，阻抗信号突变载荷随着胶层厚度增加在逐渐增大，表明我们可以通过图61HysolEA当胶层厚度为25m时，高应变载荷并没有对传感器阻抗信号产生很大的影响，如图6263RMSD基本呈线性增长的趋势。当铝板变形达到3000，阻抗信号变化指数RMSD只有1左右，在整个加载过RMSD指数也没有发生突变的情况，这说应变载荷并没有对传感器的阻抗800KHz（9396-800KHz（9396-一定的影响，阻抗信号的幅值随载荷增加而逐渐降低，但谐振频率并没有发生改变。如图65800KHz（9396-800KHz（9396-Araldite胶层厚度为25m时，传感器阻抗信号突变载荷为20002000载荷之前，阻抗信态，如图64中天蓝色曲线所示。800KHz（Araldite-65RMSD仍比较大，导致这个现象的64中卸载之后的阻抗信号曲线，即天蓝色曲线。我们可以看出阻抗信号的一阶谐图65RMSD（Araldite-25m当胶层厚度增加到50m阻抗信号的突变载荷同样为2000与胶层厚度为25m时800KHz（Araldite-RMSD125m2表明随胶层厚度增加载荷对传感器阻抗信号造成的影响更大，如图67图67RMSD（Araldite-50m6875m时传感器阻抗信号变化趋势，高应变载荷对传感器造成了不可逆的影响。当载荷增加到2500时，传感器阻抗信号发生了非常明显的变化，谐振频率由407KHz593.2KHz。800KHz（Araldite-2500时，RMSD0.52RMSD0.7图69RMSD（Araldite-75m当胶层厚度增加到100m时，传感器的应变承受能力明显得到了提升。在3000载荷以前，阻抗信号基本保持稳定的状态。当继续加载到3500后，传感器阻抗信号同样发生了突变，如图70所示。载荷卸去后，阻抗信号基本回复到加载前的状态，但通过对阻抗信号变化指数RMSD进行分析后发现卸载后的阻抗信号与加载前的阻抗信号之间仍存在比较大的区别， 800KHz（Araldite-图71RMSD（Araldite-100mRMSD进行分析可以得出同样的结论，在拉伸过RMSD值基本没有发生太大变化，如图所示。800KHz（Araldite-图73RMSD（Araldite-100m；3图74lEA9395RMSD有了很明显的增大，这部分变化主要是由于胶层破坏所导致。因为两组试件的尺寸、材质与传感器粘贴位置都完全一RMSD值差别的原因只能是环氧树脂胶的不lEA9395温和长时间放置后发现，e环氧树脂胶粘接性能，已经出现脱粘的情况。所以咋拉伸过e环树脂胶很有可能出现损坏出现胶层的脱粘或者是胶层开裂的情况。LambLamb损伤指数。通过对比不同环氧树脂胶、不同厚度时的阻抗值变化指数和Lamb4000Lamb125m4000；LambHysolEA9396和Araldite25m30000.1；75Lamb波信号对压电传感器高应变承受能力进行了表征，并且对比了不同胶层厚度和胶层弹性模量对传感器高应变承受能力的影响。针对不同弹性模量的环氧树脂胶及胶层厚度下，传感器对高应变载荷环境的承受能力进行了分析。4000的高应变载荷环境下，传感器的性能受到了一定的影响，传感LambLamb信4000的高应变环境下没有损坏，能够承受高应变载荷。接收到的LambLamb载荷随胶层厚度增大；Lamb波信号损伤指数更小，提高传感器损伤监测的准确率。23]40GPa1000左右。利用金属圆环对传感器施加预紧力，使传感器在粘贴之前d压电晶片的直径D，圆环高度与压电晶片厚度t相同（如图76与图77。利用有限元软件图76120℃，则由于空心圆环的热膨胀效应使得压电晶片能够恰好置于圆环内部；图77表5弹性模量（）泊松比密度（kg3）2024-T3Q195HT350铜比较稳定的金属进行相关的计算和对比，所选择的材料以及材料属性如表5所示。S建立如图784mmm5mm给传感器和金属圆环施加不同温度初始条件，计算分析传感器上的应变分布情况，对比不同材料带来的预紧力，从而选择最优的材料。25120℃的温度场，无位移边25℃，由于传感器的温度不发生改变，图78 T3（a）2024-T379所示。传感器上的632.3，在传感器与金属圆环接触的边缘位置。但是由于传感器在受到拉伸载荷时高应变区域一般都是在传感器中心部位所以主要关注传感器中心部位的平均应变，有限元计算结果如图80所示，由于不同金属材料的热膨胀系数不同，传感器会产生不同的应变从计算结果来看金属铜圆环会使传感器产生最大的应变铸铁和碳素钢的效果。454.4，可以最大程度的提高传感器的5.5mm382.6，图805120257m7m度0.4mm，宽度0.5mm。对金属圆环进行升温至120度后，将传感器嵌套到金属圆环内，之后冷却到室温，使传感器产生预紧力，加工好的试件如图81所示。19.76MPa的收缩应力，296.5的收缩变形。根据文献[23]，压电陶瓷在拉断时应力为57.6Mpa19.76MPa34%。图81贴相同的条件之后在拉伸机上对试件进行拉伸通过铝板的应变控制载荷每隔500进行一次传感器阻抗值信号，扫频区间为10KHz到10MHz。图82无环传感器的阻抗值信号如图83所示，在扫频区间内传感器主要有两个谐振频率。从结2000时，阻抗值发生了施加预紧力的传感器的阻抗值信号如图84所示，在扫频区间内同样有两个谐振频率，并从结果来看，随着载荷的增加传感器的阻抗值信号基本没有发生改变，说明4000的高应变载荷并没有使传感器性能发生改变。与无环传感器相比，加环后传感器的应变承受能力得到了大大提升。（a）2000之前 （b）2000之后图83无环传感器的阻抗值信号图84N

为h

BaselineNNRMSDI(nI(n)2Ih0I085所示，两种传感器的阻抗值信号随载荷增加而发40000.85。与之相比，施加预紧力的传感器的阻抗值信20004000，传感器阻抗信号突变载荷增加以一倍以上。图85紧力越大，可以为后续传感器的加工提供指导。最终，根据预应力施加方案以及有限元传感器是结构健康监测系统的器件，其通过粘接方式安装于结构表面实现对结构的在压电晶片与空气进而免受氧化，另一方面封装后的压电智能层具有轻质、易安装的特点，图8686所示。压电夹层由压电传感器、柔性夹层和信号接口三部压电智能层可以一次完成，保证了生产工艺对传感元件性能影响的一致性上一般要求匹配层的声阻抗为压电元件与被检测试件声阻抗乘积的平方根而且其厚度d为声波波长的(2n1)/4倍，其中n0,12,，以达到最佳的声波能量透射效率。但在传感器声学的声阻抗相近，此时声阻抗全透射条件为声阻抗厚度d，相当于薄膜。考虑匹配层的机械0.5mm。所选材料要有较强的吸声作用。本技术选用超声波传感器中常用的钨粉和环氧树脂的混合物作为传感器的阻尼材料。665437211.匹配层，2.压电晶片，3.阻尼层4.正电极引线，5.负电极引线，6.射频接口，7.外壳图87探头封装结构示意图图88气接口采用了圆锥状射频接口设计，该设计不但起到了良好的电磁作用，同时也方便了传8788。通过对传感器施加一定的预紧力使之任何的诸、胶等耦合剂。阵列的区域。因此针对高应变区，以在避开可能造成传感器损伤的区域的前提下覆盖化对象，以使传感器阵列在避开可能造成传感器损伤的区域的前提下达到预期覆盖率为优单元布置区域模块和传感器阵列优化设计模块。利用本章传感器阵列布设技术可以在保图89如图89所示，在高应变区传感器阵列设计方法中，首先对高应变区进行结构特征与载荷然后根据检测算法确定传感器的布置形式并利用高应变区信号试验确定传感器单元的覆盖（第二强度理论）状态，只要最大伸长线应变1达到单向应力状态下的极限值，就要发生脆性断裂破坏。1(23)[1所示： (P)

l

l

path(iiPl为导波从激发传感器到P点再到接收传感器的波程，le为路径的有效波程范围。式(20)表示如果点P在有效波程le围成的范围0。个边和对角线为信号路径，具体设置形式如图90所示。信号路径3-信号路径1-信号路径3-信号路径1-2#传感 3#传感图90

K P1

Cpath(i)(P)

Cpath(i)(P)

CnetworkA

A为监测区域的面积，K为像素点个数，M为路径总数，M=6+(n-2)×5+6×5+(n-×4×7针对传感器阵列检出概率的优化方法一般有两种设置优化目标函数的方法：覆盖区中着物影响，传感器阵列能够承受结构合拢、、、装夹以及反复加载等一系列过程造成的损失，采用的目标函数是传感器阵列的覆盖率。归纳起来，的优化问题可以提炼成，求最优的传感器个数n，使目标函数最大，即：

Cnetwork 2n

传感器阵列优化设计计算流程如图91图91感器阵列对结构监测区域的覆盖率；如果覆盖率高于95%，则输出n+1作为结果，否则在每条本章针对高应变区域传感器阵列布设问题提出了相应的布设方案。本章结构高应变优化设计模块。利用本章传感器阵列布设技术结合高应变区信号试验和胶层传递效BaTiO3BaTiO3（钛酸钡）无铅压电陶瓷的温度、压电常数很高，并且它也是最早被研究者发现的无铅类的压电陶瓷，它的出现使得压电材料的领域得到了更深入和广泛的应用。虽然（a（1- （b（1- （c（1- 1）BaTiO3无铅压电陶瓷的温度较低，可以应用的温度范围和区间也就比较有限，因此，在一些环境下就无法得到应用，使用起来很不方便；2）BaTiO3无铅压电陶瓷只有在较高3）通过掺杂改性，BaTiO3无铅压电陶瓷的压电Bi0.5Na0.5TiO3i0.5a0.5i3（钛酸铋钠）无铅压电陶瓷是钙钛矿型铁电体。在室温时，陶瓷内部是晶系温度是320℃i0.50.5i（酸铋钠无铅压电陶瓷具有铁电性压电常数较强等特性，尤其是其烧结温度较低使得对于烧结设备要求不高，烧结较容易，因此，越来越多研i05a0.5i（钛酸铋钠）导率高不容易被电极化，因此，体现出来的压电性能不高。为了提高它的压电性能，主要的改进方式有以下几种：（a）(1-x-y)NBT-xMNbO3-（b）(1-x-y)NBT-xBaTiO3-xABO3（A=BixANbO3（A=KxTiO3（A=、（f）(1-x)NBT-xk0.5Bi0.5TiO3大量的研究表明，i0.a0.5i3（钛酸铋钠）无铅压电陶瓷被改性后其压电性能有了一定的提高，同时，我们还可以通过其它的形式对它进行改性，主要有以下几个方面：1）在i0.5a0.5i3（钛酸铋钠）无铅压电陶瓷基体中加入其它助溶剂形成分散性较好固溶体，从而i0.5a0.i（钛酸铋钠2i0.5a0.5i钛酸铋钠）i05a0.5i（钛酸铋钠3i0.5a0.5i（钛酸铋钠无铅压电陶瓷掺杂改性或者引入第二相来改变陶瓷材料的化学组成，从而提高其压电性能。铋层状结构无铅压电陶瓷最早被Aurivllius所发现，铋层状结构化合物的化学通式为：(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2-铋层状结构无铅压电陶瓷是由钙钛矿层(Bi2O2)2+和(Am-1BmO3m+1)2-层交替排列形成。其中A为Bi3+、Pb2+、Na+、Sr2+、K+、Ba2+、Ca2+和稀土元素等一些配位数为用于温度较高等一些环境下。可以将铋层状结构无铅压电陶瓷分为以下几种：同时不同的工艺也会对铋层状结构无铅压电陶瓷性能产生较大的影响。因此，除了应用一些传统的方法之外，还可以采取一些其它的工艺，例如可以为了降低陶瓷的烧结温度10CBa2NaNb5O15为斜方钨青铜型结构。由于铌酸盐在成分和结构上的差别对钨青铜结构的铁电性产生重要影响，陶瓷的机电耦合系数和温度较高，可以将乌青铜结构无铅压电(AxSr1-x)NaNb5O15基无铅压电陶瓷；(A=Ba、Ca、Mg等Ba2AgNb5O15铌酸钾钠（KNbO3-NaNbO3）基无铅压电陶ABO3型化合物。1949Mattiasmm2的NaNbO3NaNbO3基无铅压电陶瓷在室温下是类钙钛矿(1-x)NaNbO3- (1-x)NaNbO3-xA (A=Ba，Ca，Sr或它们组成的复合离子(1-x)NaNbO3-xA 众所周知，陶瓷具有高硬度、高、高化学稳定性、耐磨损、耐腐蚀等特点。被广泛运成了世界瞩目的陶瓷材料研究领域的课题。另外，考虑到环境因素，传统的锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷铅的含量占总质量的70%左右，如果在、使用和废弃过处理不当极易造成环境污染以及危害人类健康，因此，从环境水热法铌酸钾、铌酸钠粉BaTiO3基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠基无铅压电陶瓷（BNT具有高的温度和压电性能成为最重要的无铅压电材料之一。目前提高KNN的压电性能主TGG（模版晶粒定向生长）RTGG（反应模版晶粒定向生长组成与结构及性能都受粉体性能的直接影响，因此粉体的对陶瓷的性能起到十分关键的作但得到的粉体组成形态不好。而水热法由于的粉体具有结晶良好、颗粒分布均匀、纯度较来水热法铌酸钾钠无铅压电陶瓷粉体进行实验研究。表6溶胶-低-高中中展开中/优良良中中良良良良（1）（2）（3）织结构对其性能产生很大的影响，尤其是缺陷影响的敏感性比其他材料高。目前的工艺主要有固相反应法、溶胶凝胶法，共沉淀法、水热法等。具体比较详见表6。固相反应法的粉体由于成本低、产量高、工艺较简单等优点而成为无铅压电陶瓷最常用的方法，但是该方法的粉体很难混合均匀、煅烧温度高、易造成组分的挥发，烧结温度较低，烧结出的陶瓷较致密，压电性能比较优异，但是过添加的对有害，粉体工艺较复杂，干燥的过收缩率大，较难大规模工业化等；共沉淀法得水热法的压电陶瓷粉体有如下特点：(1)粉体晶粒物相和形貌受水热反应条件影响，因此，适度的调节反应温度、反应时间、前驱物的用量，可改变晶粒的结构和尺寸；(2)粉体结晶良好、颗粒分布均匀、分散性好。由于水热过不需要高温煅烧处理，避免了烧结过程中形成团聚；(3)粉体中杂质较少、纯度高。由于水热法可剔除前驱物中的杂质，因而大大提YSaitoKOHNaOHNb2O5Nb2O5KOH60%，保温24h成陶瓷粉体结构较致密有较高的压电性能压电常数d33为94pC/NTakafumiMaedat等以KNbO3和NaNbO3粉体混合后进行水热反应，得到理想的压电传感器，频率26.9KHZ。VousdenNaNbO3粉体。NomuraNa8[Nb6O9]•13H2O为原料，以NaOH为矿化剂了NaNbO3。Santos等用水热法合成了单相正交晶系的NaNbO3粉体，并了不同反应时间，不同摩尔比对产物的影响。近期WangSP等已经开始进行水热合成纯KNN的研究，并取得了初步进展。，水热法的超细粉体具有高纯、超细、流动性好、粒径分布窄、颗粒团聚程度轻等特点。陶瓷的分为粉体的、烧结、涂银、极化等工艺，其中粉体的和烧结工艺起到重要作用。本中的粉体通过水热法单独，将好的粉体进行烧结得到需要的KNN无铅压电陶瓷，具体的流程如图92所示。图92流K/(K+Na)0.5时，得到的粉体物相结构只是富钠的（K，Na）NbO3，为了得到单相的（K，Na）NbO3固溶体，我们设计了一些列实验，K：Na1:1210oC24小时，最终通过改变KOH溶液浓度最终得到不含杂质峰纯的粉体，并且对得到的粉体进行XRD衍射图谱，SEM测试。由于钠离子半径比钾离子半径小反应过活性高优先与五氧化二铌反应生成铌酸钠，反应的进行，Na+离子的相对浓度势必下降，此时K+离子的相对活性比钠离子高，此时K+离子的反应占主导地位，同时又少量Na+离子固溶，形成富钾的(K，Na)NbO3固溶体。 93（1）24NaNbO3粉体(2)24KNbO3面体，且可以看出粉体的颗粒由多个晶粒生长而成，符合铌酸钾结构的形貌特征。94NaNbO3XRD图谱，从图中可以看出，图中给出了2角20o-95o区间的发大图，当235o-40o101220峰出现杂峰，但峰值较小，说明2角4o-57o范围的三个衍射峰上观察到，其中NaNbO3粉体为四方相，但还没有达到正交-MPB95KNbO3XRD图谱，从图中可以看出，图中给出了220o-95o区间的发大图，当235o-40o时没有出现杂峰，说明反应良好，当244o-57o46o左右的衍射峰常被用来说明相结构状态，KNbO3粉体为四方相，但还没有达到正交-MPB结构。图 NaNbO3粉体的XRD图95KNbO3XRD介电和压电性能，通过大量实验和计算，压电常数d33120pc/n左右，在同类产TaLi元素，性能 图96陶瓷材料在通常情况下呈脆性,对于无机非金属化合物的陶瓷来讲，其化学键是离子键和大，脆性敏感性强，这是陶瓷材料的致命弱点。然而由纳米粒子成的纳米陶瓷，却有良好纳米化效应使晶粒内部产生微裂纹,当纳米粒子与基质晶粒的热膨胀失配和弹性失配造成纳米相周围产生局部拉应力，就会引起穿晶断裂；纳米粒子使裂纹二次偏折。沿晶内微裂纹或次界面扩展的主裂纹前端遇到纳米粒子后，无法穿过而发生偏转,耗散了断裂能量。KNiihara等人认为纳米相的加入能抑制基体晶粒的异常长大，使基体结构均匀细化，由此使纳米陶瓷复合材料强度韧性得到显著提高。众多研究结果表明,当纳米相尺寸小于10nm时,，A12O3-SiCSEM观察裂纹扩展情况后（2），（4）的敏感性，削弱裂纹尖端的应力集中效应，这是提高陶瓷材料强韧性的重要途径。例如LevinA12O3-SiC3.5%-5.0%SiC获得的增韧效果最佳。这是因为晶内粒子数将其原料粉体成纳米级可以大幅度改善其强度、韧性、塑性。同时，对其力学性能也有显大纳米颗粒熔化时所须的内能较小使其急剧下降一般由纳米级粉末烧结加工的材料，烧结过，致密化总伴随着显微组织的粗化。换言之，致密化越好，晶粒就长得越粗，最终温速率小于3oC/min，在1080oC保温1小时来保证最终烧结出的陶瓷的致密性，致密性越好，图97（a）烧结成型的陶瓷（b）有限元软件ABAQUS建立了结构-胶层-传感器的有限元模型同时结合数学分析软件939525m时，应变传递效率最高可以达到90%左右；而通过选择较低弹性模量的9396环氧树脂胶，控制胶层厚度为125m，应变传递可以降低到30%。与理论分析结果进行对比后发现，两者基本一Lamb4种Lamb波信号来说，19.76MPa57.6MPa相比，可以使传感Lamb波信号在不同4000的高应变载荷Lamb波信号都产生一Lamb4000Lamb信号同样出现变化。传感器的监3种环氧树脂胶、5种胶层厚度对传感器性能的影响，通过对比传感器阻Lamb波信号发现，胶层厚度的增加会提高传感器的应变承受能力，主要表面在： ,"先进复合材料与航空航天,"复合材料学报,vol.24,pp.1-12,卿新林,,and,"结构健康监测技术及其在航空航天领域中的应用,"实验力学,vol.27,pp.517-526,2012.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,"W.H.Prosser,S.G.Allison,S.E.Woodard,ande.al.,"StructureHealthMonitoringforFutureSpaceVehicles,"inProceedingsofthe2ndAustralasianworkshoponstructuralhealthmonitoring,MonashUniv.,Melbourne,Australia,2004.李.张.任.男,"结构健康监测中的传感器布置方法及评价准则,"力学进展,vol.pp.39-50,R.AandC.C.E.S.,"Reviewofguidedwavestructuralhealthmonitoring,"TheShockandVibrationDigest,vol.2,p.23,2007.A.V.G.Mand