项目报告高应变研究

研究目的和意 传感器预压应力施加技术研 预应力施加技术方案（装配图环+碟子 姜又 预紧圆环研究与设计...............................................................................................预应力传感器设 小 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 结构、胶层、传感器应变传递理论模型验证实 胶层对Lamb波信号的影响分 简单高效的胶层粘接厚度控制技术研 小 传感器应变承受能力测试技 传感器应变承受能力测试实验平 胶层厚度对传感器应变承受能力影响测试实 胶层弹性模量对传感器应变承受能力影响测试实 结构高应变区域Lamb波特性研 小 适用于结构高应变区域的新型传感器封装技术.................................................结构高应变区传感器网络优化布设技术高东 压电传感器新材料研究姜春 结 参考文 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损伤模式更复杂多样，且不易从表面观察到。如果这些损伤在产生的初期不能被及时发现，就可能导致突发性破坏。通过使用以永久安装在结构上的传感器网络为基础的结构健康监测(tructurlhealthmonitring,)2波音公司在多个机型(包括787)上探索M在结构微M、、0、0等型号上实现3。飞行器结构健康监测的一个关键因素是先进传感技术及其系统。国内外学者对包括光纤传感、压电传感、电磁传感、无线传感系统、S和纳米传感在内的结构健康监测传感技术进行了不懈研究4,5-331800个传感器，用来完成机上系统健康状态信息的获取6。ser等7(2004)比较了不同类型传感器(压电传感器、光纤传感器、碳纳米管传感器)在航天器上应用的优缺点。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网络[11,12]，目前已在飞行器上进行了超声导波健康监测技术的验证。NASALangley中心目前正在研究基Kernel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。Annamdas和Radhika[10](2013)SHM技术在金属和非金属结构的研究进展。乙烯聚合物，PVDF)和复合压电传感器(PVDFPZT复合)。这一类压电传感器一般都要经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。通过使用以永久安装在结构上的传感器网络为基础的结构健康监测(Structuralhealthmonitoring,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、提高服役安全性和考虑到压电陶瓷本身就是一种脆性材料，其脆性是造成压电陶瓷破坏的重要原因。由于压20GPa40GPa1000m,250m的压缩变形。当胶层的应变50%而通过对传感器施加预紧力，传感器可承受的基底结构最大应变至少为2500m，此时传感器25%。d要求略小于圆片型压电1.2120℃，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1图2根据预应力施加方案，利用圆环在温度降低之后的收缩变形，为传感器提供在粘贴之前的传感器施加不同的预紧力。为了能够最大限度的提高传感器的高应变承受能力，在传感器设计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1弹性模量弹性模量（kg/）2024-Lamb波信号的激励和接收，并且建立了相关的数学模型[17-19]。EdwardF.Crawley等人[17]建立了传感器、有限厚度的胶层和基底结构的数学模型，主要用来分析传感器激励信号时，应变的传递过程。VictorGiurgiutiu等人[20]进行了类似的工作，建立压电传感器监测系统一般如图1所示，传感器通过胶粘剂永久粘贴到监测结构上。传感器与基底结构粘接的问题都是三维实体问题，但此类问题很难进行准确的数学分析，所以通过一Lamb器上的载荷通过胶层传感器到待测结构上；作为使用时，胶层将基底结构的应变图32所示的单元体进行分析，在外载荷的作用[21]（1）（2）（3）（4）（5）（6）数值分析以及建模过程中涉及到的符号以及取值在表1图4表2LPZT传感器只产生水平位移ub和up，根据弹性力学连续性假设和位移与应变之间的PZT传感器的应变分别为[17]dub

dup,upub

Bernoulli-Eulerdp

0,dbb

其中，α与应变的分布情况有关，此处为均匀拉伸，2。pEpp,

Ebb,

Ga

由于pba，所以将式子（6-3）带入式子（6-2）EdpGaupua d Gu a

a

对上面的式子进行求导，消去up和uaE

p

Hp E a b

Hb

ppd

p

d

d

b

db0b

其中，和2

(1

Ephp

虽然将方程解耦后得到了上面的，但方程组的解仍然是耦合的，最终可以得到如下

B

BxBsinhx

cosh 1

b

1

1

xl/2处，pd31V/hpd31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存在非零的应变，所以问题的边界条件如下所示。

pd31V/hp,bxl dV/h,

B （d31V,

B0,

(d31V)

()cosh GaEa(d31V)sinh Gp cosh

coshx coshl b

()cosh

cosh

coef

1coshl

1中给定的数值，同时给定边界条件13结构和传感器上的应变分布情况，将传感器上的应变值除以基底结构的应变值，就得到如图图5图634可以直观的看出，传感器上的高应变区域主要集中在中心部位，这个区域的图75的结果来看，胶层的厚度、弹性模量，以及传感器的尺寸和弹性模量都会对传感器有限元模型，比较准确的分析应变的传递情况。因此，我们分别结合与ABAQUSABAQUS软件提供了强大的线性和非线性有限元模拟功能，帮助我们更直观的分析和认识料参数如表2表3尺寸弹性模量5部区域的有限元模型，如图6所示。XX方向位移场。（C3D86ABAQUS得到的传感器与胶层接触的面上的应变分布云图，传感器上最大应变为图8图9LE110，与理论分析结果一致。图10最终得到了计算6-14应变传递效率的表达式软件具有强大的数值计算功能，通过计算，我们就可以得到不同参数设置下的理论应变传递效率，分析每个参数对应变传递效ABAQUS计算得到的结果相对比。应变的传递起着至关重要的作用。从（6-7）可以看出，胶层的剪切模量和厚度主要会影响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Maziar等人对粘贴到结构表面的微电子系统应（MEMS）变传感器的应变传递情况进行了当胶层厚度增加时，剪力滞后系数减小，传感器上的最大应变减小，径向上的应变变化变得平ABAQUS0.02mm~0.2mm之间变化时，应变传递效率的6-66-7所示。增加将导致应变传递效率的降低，相同厚度时，ABAQUS计算的结果小于理论分析的结果。导1112不同胶层厚度时传感器上的应变分布（25m、50m、100m导致应变传递效率的改变同样利用ABAQUS和 控制胶层的弹性模量在1GPa到10GPa之间取值，分析胶层弹性模量对应变传递效率的影响。还是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6-9可以看出，随着胶层弹性模量的增加，高应变区域越来越图136-9图14 图15不同传感器厚度时传感器上的应变分布（0.4mm、0.6mm、图16 图1730GPa90MPa0.55%左右的应变。图1819不同弹性模量时传感器上的应变分布（40GPa、60GPa、100GPa6-15所示。所以为了充分发挥传感器承受高应变的能力，应选择较低弹性模量的材料，同时提ABAQUS和数值计算软件对该问题进行了分析在给定了一个初设的参数设置之后，通过改变单一变量的方法，分析考虑各个因素对应变传递效率的影响。分析主要可以分为两个0.6mm后应变基本维持不变；4mm后基为了得到压电传感器监测系统的应变传递效率，需要给被监测结构施加初始的载荷，从而以及近些年出现的新型光线应变传感器测量法，如图18所示[22]。图20为电阻率和安装应变计处构件的应变a）1；b）1%；c）0~2104由于传感器上的应变值很小，所以需要较高的应变测量精度，所以实验方案选择应变片和光纤传感器同时进量其中应变片选择的是黄岩测试仪器厂生产的B12-0.5AA型号产品3mm*2.mm。为了使传感器承受高应变的载荷环境，实验中选择了如图19所示的试件，总体尺寸为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33个试件。图21Lamb波信号，用于后面的分析。1Lamb2~6号传感器进行信号的接收。同时在传感器和铝板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23所示，包括拉伸机、应变分析仪、阻抗分析仪、ScanGenie以及引伸计。图22粘接传感器的试 图23实验测试系22HysolEA9395通过引伸计控制位移载荷使铝板上的应变以500 间隔增加，对传感器上的应变进量

传感器下表面100

Baseline23S0波基本没有变化，说明传感器没有损坏，传图24不同胶层厚度时铝板和传感器上表面应变2540005Lamb300025m时，应变的传递结果如图25所示。图26不同厚度时的应变传递系数图27实验结果与理论分析结果对比HysolEA9396

图28不同胶层厚度时铝板和传感器上表面应变图29不同厚度时的应变传递系数HysolEA939627所示，从图中可以看出，随着载荷

0.3图30不同胶层厚度时铝板和传感器上表面应变（爱牢达图28500，而其余传感器上的应变十分接近。这说明胶层厚度Baseline30所示，S0波形基本没有变化，说明传感器性能没有受到影响，传图316Lamb图32不同厚度时的应变传递系数（爱牢达28所示，6号传感器的应变传递系数远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的增加，应变的传改变，有着比较明显的变化。HysolEA9395环氧树脂胶的应变传递效率最高，有利于结构应变

33胶层弹性模量对应变传递效率的影响（25mEA9390.9左右，爱牢达环氧树脂胶的应变传递系数最低。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0.3处理，得到剪切弹性模量约为1508.8MPa，爱牢达环氧树脂胶在0°CLamb器的外部嵌套了一个金属圆环。封装后的压电传感器外径略大于原传感器的尺寸，而传感器在图34Lamb波信号Lamb波信号的能力。ABAQUS和数学分析软件

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波信号对传感器面对应变传递进行实验分析时，我们已经搭建好了一个实验平台，在对铝板和传感器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，之后通过引申计控制

进行一次知道当试件上的应变达到

m

到初始状态，进行一次信号，同样在关闭拉伸机之后再进行一次信号HysolEA939535不同载荷下传感器的阻抗信号（9395-25m36拉伸前后传感器的电阻值信号（9395-25m2Lamb波信号，对比第一个波包的信号幅值后发现，Baseline一致。LambHilbert变换，并且取第一个波包进行对比分析，结果如图所示。从结Baseline信号基本重合。图图436.1Khz575.1KHz，其次是信号幅值的减小。对比拉伸前后时间的电阻40所示。初始状态说明结构的弹性变形后加载过程中的变化拉伸过程并没有使传感器产生39不同载荷下传感器的阻抗信号（9395-50m40拉伸前后传感器的电阻值信号（9395-50m15002000时，阻抗信号发生了很明显的41不同载荷下传感器的阻抗（9395-75m250042所示，随着载荷增加，传感器的谐振1000之前，453.7KHz谐振频率从下2000，453.7KHz下的信号产575.1Khz，这主453.7KHz。43拉伸前后传感器的电阻值信号（9395-75m44不同载荷下传感器的阻抗（9395-100m100m4445拉伸前后传感器的电阻值信号（9395-100m46不同载荷下传感器的阻抗（9395-125m47拉伸前后传感器的电阻值信号（9395-125mHysolEA10KHz10MHz48不同载荷下传感器的阻抗（9396-25m49拉伸前后传感器的电阻值信号（9396-25m25m时传感器的阻抗值虚部信号和电阻值信号。对比不同载荷下的信号图50不同载荷下传感器的阻抗 号在加载过程中基本没有发生变化。说应变环境没有导致传感器的损坏，传感器的性能完图51拉伸前后传感器的电阻值信号 图58不同载荷下传感器的阻抗（爱牢达 584个传感器在不同载荷条件下的阻抗值虚部信号，随着载荷的增加，14号传59拉伸前后传感器的电阻值信号（爱牢达-25m60不同载荷下传感器的阻抗（爱牢达-50m61拉伸前后传感器的电阻值信号（爱牢达-50m62不同载荷下传感器的阻抗（爱牢达-75m63拉伸前后传感器的电阻值信号（爱牢达-75m64不同载荷下传感器的阻抗（爱牢达-125m65拉伸前后传感器的电阻值信号（爱牢达-125mLambLamb预应力情况下，Lamb 特性理论有，实验待执 电陶瓷的研究和生产依旧集中在锆钛酸铅（PZT）PZT压电陶瓷当中铅的含量约占总质量的70%左右，如果在、使用和废弃过程中处理不当极易造成环境污染以及危（BNTKNN的压电性能主要从TGG（模版晶粒定向生长）RTGG（反应模版晶粒定向生长）方法上。（1（2（3）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1溶胶-低-高中中展开中/优良良中中良良良良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程中添加的对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，YSaito等[15]KOH、NaOH、Nb2O5Nb2O5KOH、TakafumiMaedat等[16]KNbO3NaNbO3频率为26.9KHZ。Vousden[17]以水热法合成NaNbO3粉体。Nomura等[18]以Na8[Nb6O9]•13H2O为原料，以NaOH为矿化剂了NaNbO3。Santos等[19]用水热法合成了单相正交晶系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。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，溶体。实验中我们设计原料中K：Na1:1210oC24小时，最终通过改变KOH溶液浓度最终得到不含杂质的粉体，并且对得到的粉体进行XRD衍射图谱，SEM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。（1）24小时合成的NaNbO3粉 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。（a）NaNbO3XRD2θ44°~57°范围的三个衍射峰上观察KNbO3粉体为四方相，但还没有达到正交-MPB结构。（c（d） ,"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,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.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.MandRadhikaMA,"Electromechanicalimpedanceofpiezoelectrictransducersformonitoringmetallicandnon-metallicstructures:Areviewofwired,wirelessandenergy-harvestingmethods,"InligentMaterialandStructuralSystem,vol.24,pp.1021-1042,2013.N.Salowitz,Z.Guo,Y.-H.Li,K.Kim,G.Lanzara,andF.-K.Chang,"Bio-inspiredstretchablenetwork-basedinligentcomposites,"JournalofCompositeMaterials,vol.47,pp.97-105,M.Lin,X.Qing,A.Kumar,andS.J.Beard,"SMARTlayerandSMARTsuitcaseforstructuralhealthmonitoringapplications,"inSPIE's8thAnnualInternationalSymposiumonSmartStructuresandMaterials,2001,pp.98-106.R.B.Owen,A.L.Gyekenyesi,D.J.Inman,ande.al.,"HardwareSpecificIntegrationStrategyforImpedance-BasedStructuralHealthMonitoring,"NASA2011.A.V.G.M,Y.Y,andS.C.K,"Influenceofloadingontheelectromechanicaladmittanceofpiezoceramictransducers.,"SmartMaterialsandStructures,vol.16,pp.1888–1897,2007.F.G.Baptista,D.E.Budoya,V.A.deAlmeida,andJ.A.C.Ulson,"AnExperimentalStudyontheEffectofTemperatureonPiezoelectricSensorsforImpedance-BasedStructuralHealthMonitoring,"Senso