高应变载荷下压电传感器性能研究

健康监测技术成为了研究热点之一。传递效率的因素。结合有限元和数学，对比分析不同参数下，结构-粘接条件下传感器的阻抗信号、Lamb波信号，并且对传感器的高应变承受能力进行了Withthedevelopmentofeconomicinourcountry,varioustypesoflarge-scalestructures,civilengineeringstructures,aerospacestructuresandotherstructureshavebeenbuiltandputintouse.Becauseofthecomplexityoftheserviceenvironmentandvarioustypesofloads,damagesusuallyoccurredinthestructures,whichmayresultineconomiclossesandcasualties.Thesecurityissueshaveattractedmoreandmoreattentionsandthestructuralhealthmonitoringtechnologyhas eoneofthehotresearchestoday.Thepiezoelectric(PZT)sensorcanbeusedinactiveandpassivestructuralhealthmonitoringforitsexcellentproperties,buttheapplicationsinpracticalengineeringislimitedforthebadperformanceunderhighstrainload.Therefore,theperformanceofthepiezoelectricsensorunderhighstrainloadisinvestigatedinthispaper.,thestraintransferprocessbetweenthestructure,adhesivelayerandPZTsensorwasyzed,andthefactorsinfluencingthestraintransferefficiencywasobtainedbytheoreticalmethod.ComparisonandysesofthestraintransfercoefficientswithdifferentparameterswerepresentedbycombiningFEMsoftwareandmathematicalysissoftware.Besides,anexperimentwasdesignedandcarriedouttoverifytheresultofstraintransfermodel.TheinfluenceofYoung’smoduleandthicknessoftheadhesivelayeronthestraintransfercoefficientwasobtainedunderthedifferentbondingconditions.Then,thecapacityofthePZTsensorunderhighstrainloadwasdevelopedbyexperimentalmethod.TheimpedancesignalandLambwavesignalunderdifferentloadsandadhesiveconditionsweredefinedtocharacterizetheperformanceofthePZsorunderhighstrainload.Atlast,anewtypepre-stressedPZsorwasinvestigated.Theshrinkagedeformationofthemetalringisusedtoapplypreloadtothesensor,whichimprovesthestraincapacityofthesensor.:Structuralhealthmonitoring;Highstrainload;Adhesivelayer;Straintransfer;Impedancesignal;Lambwavesignal;Pre-stressedsenor............................................................................................................................. 绪 结构健康监测技术的应 复杂环境下压电传感器的耐久 主要研究内 传感器与基底的应变传递理论分 应变传递理论分 应变传递有限元分 小 应变传递模型实验验 实验测试平 实验结果分 小 传感器性能表征研 实验设 实验结果分 高应变载荷对阻抗信号的影 高应变载荷对Lamb波信号的影 小 新型预应力传感器研 预应力施加技术方 预应力传感器加 预紧力传感器性能测 实验设 实验结果分 小 结 参考文 攻读期间学术情 结构健康监测（structuralhealthmonitoring，SHM）技术最初的设计目的是进行结构载荷识别，对结构的安全性进行。随着压电材料、光纤的日益普及和无线技术的大的伤亡，给人民群众带来损伤。例如，1994年1月17日，加州发生了Northbridge，一些建筑物在主震后并未倒塌，但结构已经存在损伤而未及时构健康监测受到了越来越多的关注，通过对结构进行实时的损伤监测和，及时发现结构损伤的出现，同时对剩余进行以降低事故出现概率，保障人民安全。大的Confederation大桥[5]、的AkashiKaikyo大桥[6]等。 高服役安全性和降低成本的性创新技术[10]。波音公司在多个机型(包括Boeing787)上探索SHM在结构微裂纹和复合材料结构多损伤监测上的应用，空客公司也积极研究SHM在A320、A340、A350、A380等型号上实现[11]。X-33的控制测量单上已确定了1800个传感器，用来完成机上系统健康状态信息的获取[13]。测，同时实现基于振动法[14]、波法[15]和阻抗法[16]的结构健康监测技术，从而得到[21]Kernel的主元分析海洋平台结构是海洋油田开发的主要设备，在海上石油开发中处于地位，平台平台的服役环境十分复杂，长期处于海水的浸泡中，同时还要海汐的侵蚀，巴西P-36号半浮动式海上油井平台沉入，给巴西带来了巨大的经济损失和环境Saab公司在壳牌设备时间，在保证安全性的同时降低成本。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工业上进SHM传感系统感器的选择、设计和操作提出了严峻。压电传感器将形成不均匀的电场，导致应力场不协调，导致元件压电性能的，降低，而矫顽力增加。例如ZhouMarc(2004)对压电陶瓷驱动器在大电场压应力条件弹性变形、不可逆畴转变和压电效应综合影响的结果。Chaplya和Carman(2001)从非180°畴壁运动角度分析了在高电场和机械载荷作用下的介电和压电响应,电场既影响180°畴壁的运动也影响非180°畴壁的运动，而外加应力只对非畴壁的运动产生 的一个重要指标。因此，目前研究成果特别强调了压电传感网络的重要性[23]。与传统检测相比，SHM在可靠性以及耐久性等方面还存在差距南卡大学的Giurgiutiu教授课题组针对压电陶瓷传感器在空间SHM上应用，开展了一系列研究，具体包括传感实验表明低温浸泡并不会使传感器发生损坏，只是传感器阻抗信号的谐振频率发生改变；由于居里温度的影响，当温度过高后传感器将失去压电性能[24]。Wang等人研究了压电陶瓷在水、甲醇和甲酰胺中静载荷拉伸时的应力腐蚀裂纹[25]。Qing等人对PZTSMART进行低温耐受性进行了研究[26]。Park等人研究了压电陶瓷传感器的和失效以及粘贴方式对阻抗信号和Lamb的的影响[27]。Isogai等人对压电传感器对主要研究内本主要研究内容为EdwardF.Crawley等人建立了传感器、胶层和结构的数学模型，主要用于分析传感器激Lamb波信号时，结构和传感器之间应变的传递过程[29]。VictorGiurgiutiu等人进行了Moradi利用相同的方法对MEMS传感器监测系统的应变传递进行了分析，给出了不同应变传递理论分PZT传感胶监测结压电传感器监测系般如图PZT传感胶监测结2.1Fig.2.1AdiagramoftheSHM2.12.2所示的单元体进行分析，在外载构和传感器的弹性模量远大于胶层的弹性模量，所以不考虑剪切变形；（2）只考虑面内2.2Fig.2.2AdiagramofSHMsystemelementundertension2.1Table2.1SymbolusedinsimulationanditsL间的关系，可以得到则基底结构和PZT传感器的应变分别为dub

dup，=upub

dpp0,dbb pEpp,bEbb,aGa EdpGaupua

H

aba b

a

aE ap

Hp E aH ab H ad4p2d2p0,d4b2d2b

2

(1),EbEh Eb

pp pp B

4cosh 1 1

b 1 1为压电材料的压电常数，由于只考虑水平方向的应变，所以这里只需要考虑d31，即径 xl dV/ xl dV/h, B （d31V,BB0,B ()cosh 将上述四个待定系数代入式（2-8）εp和铝板上的应GaEa(0d31V)sinh GE

cosh pb 1coshx coshl0 cosh ()cosh coef 1coshx coshl2.3Fig.2.3StraindistributionalongtheradialdirectionofthePZ2.1ε0=3000με，利用理论分析结果就可2.32.4可以直观的看出，传感器上的高应变区域主要集中在传感器中心2.4Fig.2.4StraintransfercoefficientalongtheradialdirectionofthePZ际结构的三维有限元模型，比较准确的分析应变的传递情况。因此，分别结合与ABAQUS计算理论应变传递效率和进行有限元分析，为之后传感器的设计提供依ABAQUS提供了强大的线性和非线性有限元分析功能，帮助更直观的分析和认识问题。利用ABAQUS，分别建立压电传感器监测系统的有限元模型，各个部件的尺寸和材料参数如表2.2所示。利用有限元ABAQUS可以建立压电传感器监测系统的1/2模型，由于通常主2.2Table2.2Parameterofthefiniteelement尺寸（mm）弹性模量（GPa）泊松比铝 胶 传感 5000με的变形。由于问题只需要进行静力学分析，采用隐式算（C3D8为0.5mm，网格数量40196。2.5Fig.2.5ThefiniteelementmodeloftheSHM2.6ABAQUS得到的传感器与胶层接触的面上的应变分布云图，传感器上最大变形为3279με，位于传感器中部，而此时铝板的平均应变为5000με，应变的比值约LE11作为边界条件，带入式（2-13）ABAQUS计算结果对比。从结果来看，理论分析结果和有限元模拟结果基本一致，如图2.6Fig.2.6Contourofstraininthelowerfaceofthe 2.7Fig.2.7Straindistributionofthe 在传感器中心部位x=0处，随着剪力滞后系数趋于0，传感器上最大应变逐渐趋02.8Fig.2.8straintransfercoefficientwithdifferentadhesivelayer所以利用和ABAQUS分别计算胶层厚度在0.02mm~0.2mm之间变化时ABAQUS有限元模拟时，给定铝板结构指定的位移，使得板变传递效率公式，计算不同厚度时的传递效率，进行对比，结果如图2.8所示。因分析是建立在平面问题的基础上，而ABAQUS有限元模拟则是建立了三维实体模型，由于泊松效应的作用将导致X方向的应力应变小于理论分析结果。ψ/(ψ+α)，这个极限值主要有传感器和基底结构同样利用ABAQUS和，在其他参数不改变的情况下，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。从计算结果2.9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2.9Fig.2.9Straintransfercoefficientwithdifferentmoduleofadhesive目前实际工程中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，不同的传感器厚度和半径，都会对应变的传递产生不同的影响。从式（27）2.10Fig.2.10StraintransfercoefficientwithdifferentthicknessofPZ应变传递系数的影响较大，当传感器厚度为0.2mm时，无论分析结果还是ABAQUS0.6~0.7器的厚度增加到1mm后，0.3~0.4ABAQUS计算结果显示，当传感器厚度2.11Fig.2.11Straintransfercoefficientwithdifferentradiusof ABAQUS模拟的结果来看，2mm0.37，随着半径的增加，传递系数在增加。当半径达到4mm左右后，应变传递系数基本维持不变。Fig.2.12StraintransfercoefficientwithdifferentmoduleofPZ20GPa0.70.8，而当压电陶瓷的弹性模量增加到80GPa时应变传递系数仅为0.5左右，这可以使传感器的应变承受能力提高30%左右。从式（2-7）来看，传感器弹性模量提高会使剪力滞后系数和小之后结合有限元ABAQUS和数学对应变传递进行了况，导致胶层损坏或是脱粘。所以面理论分析的基础上，还需要进行相关实验分析，实验测试平3.1Fig.3.1Conventionalstrainmeasurement(2)测量精度高，一般小于1%；(3)量程范围大，可测0~2测试仪器厂生产的BX120-1AA3mm*2.5mm100KNH3816N静态应变测试系统、6500B阻抗分析仪、ScanGenie设备。100KN全数字电液伺服动静实验机系统进行铝板加载。100KN全所示。H3816N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Fig.3.2H3816Nstrainmeasurement在对试件进行拉伸的过程中，利用6500B阻抗分析仪对传感器的阻抗信号进精确度可达到±0.05。Fig.3.36500BimpedanceLamb波激励和接收采用Acellent公司生产的集成设备ScanGenie，如图3.4所示。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，主要技术参数：频率范围为10~700kHz，采样频率包括6、12、24以及48MS/s，分辨率为12Bits，功率放大器范围±75V。3.4ScanGenieFig.3.4ScanGenie3.5Fig.3.5Schematicdiagramoftension3.5所示的试件，总体尺寸为400mm*50mm，厚度3mm，材料为2024铝合金。试件上表面等间隔布置6个传感控制试件上的应变，每间隔500με进行一次。知道当试件上的应变达到4000με时4500με时铝板将进入塑形屈服阶段。之后进行卸载，载荷回复到初始状态，进行一次信号。11个传感器使用同种的环氧树脂胶进行粘贴，同时利用聚酰亚胺薄膜对胶HysolEA9396和Araldite环氧树脂胶。传感器和铝板的应变，以及传感器的阻抗信号和Lamb波信号，用于后面的分析。 3.6Fig.3.6TensionsamplewithPZ

3.7Fig.3.7Theexperiment3.6所示，胶层厚度通过控制聚酰亚胺薄膜的层数进行控25mb3.61mb2~6号传感器进行信号的接收。同时在传感器和铝板上同时粘贴应变片，利用应变仪测量铝板上和传感器上表面的应5阻抗分析仪、ScanGenie以及引伸计。实验结果分500με间隔增加，对传感器上的应变进量。胶层厚度为75μm的传感器在粘贴的过程中出现问题，应变测量结传感传感器应变[

0

铝板应变3.8不同胶层厚度时铝板和传感器上表面应变Fig.3.8StrainofthePZsorsandspecimen1应变应变传0

铝板应变3.9不同厚度时的应变传递系数Fig.3.9Straintransfercoefficient3.8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3000με125μm的传感器上表

0 3.10不同胶层厚度时铝板和传感器上表面应变Fig.3.10StrainofthePZsorsandspecimen10

铝板应变3.11不同厚度时的应变传递系数Fig.3.11Straintransfer用HysolEA9396进行传感器的粘贴，传感器上表面应变和铝板应变之间的关系如图3.10所示，其中胶层厚度为50μm的传感器在粘接过程中损坏，没有粘贴应变片进3500με25μm2500με左右。胶层厚度为125μm的传感器上表面的应变最小，为1600με左右。厚度一定时，随着载荷的增加，应变的传递效率基本保持不变，说明9396环氧树脂胶125μm0.3271。这说明相对于载荷条件，

050010001500200025003000350040003.12不同胶层厚度时铝板和传感器上表面应变Fig.3.12StrainofthePZsorsand1000με之前，传感器上的应变出现随载荷增加逐渐减小的变化趋势。可能1000με之1

5001000150020002500300035004000铝板应变3.13不同厚度时的应变传递系数Fig.3.13Straintransfer HysolEA9396环氧树脂胶区别最明显，其余两个试件由于胶层厚度的控制不够精确，HysolEA9396环氧树脂胶的稳定性最好，随着载荷增加应变传递系数基本维持不变,说明胶层性能基本没有受到载荷的影响。HysolEA9395环氧树脂Araldite环氧树脂胶粘贴的试件在整个加载过程中应变传递效率一直在降低，说明胶25μm的根据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量为1543MPa，HysolEA9396环氧树脂胶后的拉伸弹性模量为2750MPa，泊大小关系为9395>9396>Araldite。3.1不同胶层下的应变传递效率Table3.1StraintransfercoefficientofdifferentadhesivelayerthicknessHysolEAHysolEA25μm3.1所示。HysolEA应变传递效率也在减小，Araldite环氧树脂胶粘接时应变传递效率为0.7680。响相对较小。无论在哪一种胶层厚度下，HysolEA9395环氧树脂胶的应变传递系数都HysolEA9396Araldite环氧树脂胶粘贴的试件与HysolEA9396比较接近，但由于胶层受载荷影响较大，随载荷增加传递效率小4000μm以前，传感器上表面的应变随着载荷增EA9395环氧树脂胶的传递效率最高。出现损伤，影响应变的传递。从实验结果来看，HysolEA9396环氧树脂胶强度最高，3000με之前应变传递效率基本维持不变，其余两种环氧树脂胶高应变环境将导致传感器的性能受到影响，为了对传感器应变承受能力进试，性能表征主要有两种途径，一是对传感器的阻抗值进量，利用阻抗信号变化对传感器的性能进行表征；二是利用压电传感器到的Lamb波信号对传感器的性能进行表载之后，阻抗信号与初始的信号几乎一致。4000με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6000με后变化已经变得非常大。最终7200με时被拉坏。压电陶瓷传感器失效的形式是在横截面上出现裂纹，进剂采组分环氧树脂胶。同时，失效模式与以下因素密切相关：(1)压电元件的厚度；EricPZT性能的影响，同时还考虑不同粘接剂(MBond-200和双组分环氧胶)Pitch-Catch模式的主动监测方法，Lamb波飞行时间窗口内的信号幅阻抗信号、Lamb波信号以及传感器自身应变，对传感器的应变承受能力进行了系统的Lamb波的激励、接收和阻抗信号的测量。传感器粘贴时共选择35Lamb波号进行时，频率范围是10KHz到10MHz。控制试件上的应变，每间隔500με进行一次。知道当试件上的应变达到4000με时4500με时铝板将进入塑形屈服阶段。之后进行卸载，载荷回复到初始状态，进行一次信号。实验结果分Impedance(Ω) 4.1不同应变下的阻抗曲线（9395-Fig.4.1Impedancesignalunderdifferentload（9395-形达到2000με之前，随着载荷增加传感器的阻抗信号并没有发生很明显的，只是阻抗信号幅值发生了改变，随着载荷增加幅值在逐渐降低，信号整体向下偏移。图4.2为250KHz800KHz内传感器的局部阻抗信号，对谐振频率范围内的信号进行分析，分372KHz598KHz，同时信号幅值也发生了降低。之后对试件进行卸载，再次对传感器的阻抗值进量，由于在拉Impedance(Ω)LogImpedance(Ω)Log102102102105 105 1054.2(250KHz-800KHz)9395-Fig.4.2Impedancesignalunderdifferentload(250KHz-800KHz)(9395-N nN nh 02 20N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2000μεRMSD2000μεRMSD0.52000με2500με后，RMSD2以上，说明在这力，定义阻抗值信号突变载荷εn，此处εn=2500με。卸载过程中，由于是通过位移控制，4RMSDRMSDof210 500100015002000250030003500400004.3不同载荷下的阻抗信号变化指数RMSD(9395-Fig.4.3RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（9395-50μm4.4所示。铝板变形4.525μm时的阻抗信号25μm50μm2000με增Impedance(Ω)Log102102102102105 105 1054.4不同应变下的阻抗曲线（250KHz-800KHz）（9395-Fig.4.4Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（9395-4RMSDRMSDof210 500100015002000250030003500400004.5不同载荷下的阻抗信号变化指数RMSD（9395-Fig.4.5RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（9395-75μm，传感器的应变承受能力又得到了提升，阻抗信号突变3000με4.62500με之前，阻抗信号随载荷3000με之后，阻抗信号的谐振频436.1KHz575.1KHz。卸载过后传感器阻抗信号回复到初始状态，谐振频率恢复为436.1KHz，如图4.64000με的高应变载荷虽然使传感器的性能Impedance(Ω)Log102102102102105 105 1054.6不同应变下的阻抗曲线（250KHz-800KHz）（9395-Fig.4.6Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（9395-对当前阻抗信号进行变化指数分析，结果如图4.7所示。当铝板变形由2500με增加到3000με时，阻抗信号变化指数由0.5迅速增加到2.5，说明传感器的阻抗信号发生了4RMSDRMSDof210 500100015002000250030003500400004.7不同载荷下的阻抗信号变化指数RMSD（9395-Fig.4.7RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（9395-100μm75μm时相同，如信号变化指数曲线与胶层厚度为75μm时的变化指数曲线基本一致，如图4.9所示。Impedance(Ω)Log102102102102105 105 1054.8不同应变下的阻抗曲线（250KHz-800KHz）（9395-Fig.4.8Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（9395-4RMSDRMSDof210 500100015002000250030003500400004.9不同载荷下的阻抗信号变化指数RMSD（9395-Fig.4.9RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（9395-125μm时，在整个拉伸过程中传感器阻抗信号都没有发生很明显的改度为75μm和100μm的传感器在粘贴时可能出现问题，导致两个传感器的胶层厚度比较数增长十分缓慢，当载荷增加到4000με时变化指数RMSD0.5左右。Impedance(Ω)Log102102105 105 105Fig.4.10Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（9395-1RMSDofRMSDof0 500100015002000250030003500400004.11不同载荷下的阻抗信号变化指数RMSD（9395-Fig.4.11RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（9395-RMSD0.5500με进行一次测量，可能会导致4RMSDRMSDof

210 500100015002000250030003500400004.12不同胶层厚度下的阻抗信号损伤指数Fig.4.12RMSDofimpedancesignalwithdifferentadhesivelayerHysolEA阻抗102阻抗102102105 105 105 105频率Fig.4.13Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（9396-25μm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RMSD3000με，阻抗信号变化指数RMSD只有1左右，在整个加载过程中RMSD2RMSDRMSDof10 4.14不同应变下的阻抗信号变化指数RMSD（250KHz-800KHz）（9396-Fig.4.14RMSDofimpedancesignal102102102Impedance(Ω)Log102Impedance(Ω)Log102102105 105 105 105Fig.4.15Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（9396-4.15RMSD变化指数随胶层厚度增加而减小，说明胶层厚度越大传感器应变承受能力越强，如图4.16所示。化指数RMSD值平缓增加，基本维持线性关系。这说应变载荷并没有使传感器阻HysolEA9395环氧树脂胶粘接下的传感器阻抗信号对比可以发现，HysolEA9396环氧树脂胶具有更好的粘接性能和稳定性。在整个加载过程1RMSDRMSDof0 4.16不同载荷下的阻抗信号变化指数RMSD（250KHz-800KHz）（9396-Fig.4.16RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（9396-RMSDRMSDof10 图 Fig.4.17RMSDofimpedancesignalwithdifferentadhesivelayerAraldite2000με抗信号回复到初始状态，如图4.18中天蓝色曲线所示。Impedance(Ω)Log102102102105 105 105 105Fig.4.18Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-25μm）RMSDRMSDof10 500100015002000250030003500400004.19不同载荷下的阻抗信号变化指数RMSD（250KHz-800KHz）（Araldite-Fig.4.19RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-4.19RMSD仍比较大，导致这Impedance(Ω)Log102102102105 105 105 105Fig.4.20Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-2RMSDRMSDof10 500100015002000250030003500400004.21不同载荷下的阻抗信号变化指数RMSD（Araldite-Fig.4.21RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-2500με时，传感器阻抗信号发生了非常明显的变化，谐振频率由407KHz增加到593.2KHz。卸Impedance(Ω)Log102102

4.22不同应变下的阻抗曲线（250KHz-800KHz）（Araldite-Fig.4.22Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-2500με时，RMSD值迅速由0.5增加2RMSD值仍然很大，约为0.7左右，如图4.23所示。4RMSDRMSDof210 500100015002000250030003500400004.23不同载荷下的阻抗信号变化指数RMSD（250KHz-800KHz）（Araldite-Fig.4.23RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-100μm3000με3500με后，传感器阻抗信号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，说应变载荷对传感器造成了一些不可逆的影响。102102Impedance(Ω)Log

Fig.4.24Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-4RMSDRMSDof210 500100015002000250030003500400004.25不同载荷下的阻抗信号变化指数RMSD（Araldite-Fig.4.25RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-当胶层厚度增加到125m时，4000的高应变载荷已经不能对传感器阻抗信号造RMSDRMSD值基本没有发生太大变化，如图4.27所示。102102102Impedance(Ω)Log

Fig.4.26Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-125μm）RMSDRMSDof0 500100015002000250030003500400004.27不同载荷下的阻抗信号变化指数RMSD（Araldite-Fig.4.27RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-RMSD4.28所示。从中RMSD值越大（125μm的信号，未发生突变）3、卸载后阻抗信号变化指数仍很大，远超过了结构等效变形带来的影响。4RMSDRMSDof2100

5001000150020002500300035004000卸4.28不同胶层厚度下的阻抗信号变化指数Fig.4.28RMSDofimpedancesignalwithdifferentadhesivelayer与HysolEA9395环氧树脂胶实验结果对比发现，卸载后的RMSD有了很明显的增RMSD值差别的原因树脂胶进行室温和长时间放置后发现，Araldite环氧树脂胶粘接性能，已经出现脱粘的情况。所以在拉伸过程中，Araldite环氧树脂胶会出现损坏，出现胶层的脱粘传感器激励和接收的Lamb波信号的稳定性对监测结果的准确性和可靠性有至关重HysolEALambLamb波信号在时域和频为时域内的损伤指数，SDAS为频域内的损伤指数。由于载荷导致Lamb波的距离SDAS0SSET指数还残留一部分，这是由于结构有残余塑性变形，导致时域内的信号发生不可逆的变化。当外载荷达到最大时，SDAS指SSSET指数都达到最大值，SSET1.5左右，SDAS0.2左右。 1DIofLambWave 1DIofLambWave4.29Lamb波损伤指数DI（9395-Fig.4.29DIofLambwavesignal（9395-50μmLamb波信号基本维持相同的变化趋势，SSETSDAS4.30所示。与前面的DIDIofLambWave50010001500200025003000350040004.30Lamb波损伤指数DI（9395-Fig.4.30DIofLambwavesignal（9395-胶层厚度为75μmSSET基本与胶层厚度为50μm时的结果基4.31SDAS在减小。胶0.1DIDIofLambWave50010001500200025003000350040004.31Lamb波损伤指数DI（9395-Fig.4.31DIofLambwavesignal（9395-而频域内的损伤指数SDAS变化不大，如图4.32所示。DIDIofLambWave50010001500200025003000350040004.32Lamb波损伤指数DI（9395-Fig.4.32DIofLambwavesignal（9395-与传感器的阻抗信号变化指数对比，Lamb波损伤指数并没有出现突变的情况，这HysolEADIDIofLambWave 4.33Lamb波损伤指数DI（9396-Fig.4.33DIofLambwavesignal（9396-25μm时，Lamb4.33所示。从图中可以看出，频域损伤指数SDSA比时域损伤指数SSET小很多，与前一组数据基本类似。相同厚度HysolEA9395SSETSDAS指数分别为1.20.2HysolEA9396SSET0.9同样保持在0.2左右。DIDIofLambWave 4.34Lamb波损伤指数DI（9396-Fig.4.34DIofLambwavesignal（9396-75μm时，Lamb4.34所示。随着铝板变形2500μεSDASDIDIofLambWave 4.35LambDI（9395-100μm）Fig4.35DIofLambwavesignal（9396-100μm）频域内损伤指数SDAS0.2左右的水平，如图4.33-4.35所示。25μm时，Lamb4.362500με时，时SSETSDAS0.450.2左右。之后DIDIofLambWave5001000150020002500300035004000卸图4.36Lamb波损伤指数DI（Araldite-Fig.4.36DIofLambwavesignal（Araldite-50μm，Lamb波损伤指数最大值基本没有变化，但是最大损伤指2500με2000με125μm时，最大损伤指数时的DIDIofLambWave50010001500200025003000350040004.37Lamb波损伤指数DI（Araldite-Fig.4.37DIofLambwavesignal（Araldite-DIDIofLambWave50010001500200025003000350040004.38Lamb波损伤指数DI（Araldite-Fig.4.38DIofLambwavesignal（Araldite-在4000με的高应变环境下，传感器没有受到损坏。传感器的阻抗值信号和小传感器的阻抗信号和Lamb波信号都产生一定的改变。HysolEA93959396Araldite环氧树脂胶Lamb波信号来看，高应变载荷同样对传感器性能产生了影响。分别在时域和频域内对Lamb波信号进行损伤分析后发现，由于拉伸载荷使结构产生变形、Lamb波速度发生改变，时域内的损伤指数大于频域内损伤指数。同一种环氧树脂Lamb0.2左右，胶层的厚度和弹性模量并Lamb波信号发现，胶层厚度的增加抗信号突变载荷随胶层厚度增大；Lamb波信号损伤指数更小，可以提高传感器损伤监考虑到压电陶瓷本身是一种脆性材料，其脆性断裂是造成压电陶瓷破坏的重要原根据现有文献[35]20GPa40GPa，拉伸强度大约为50MPa左右，断裂时变形为1000με左右。利用金属圆环对传感器施加预紧力，使传5.1Fig.5.1 d要求略小用有限元ABAQUS，建立压电传感器和金属圆环的有限元模型，使传感器恰好可5.2Fig.5.2Metal置于圆环；5.1Table5.1Propertyofmetal密度2024-T3Q195铜5.15.3Fig.5.3FiniteelementmodelofthePZsorandmetal器上的最大应变为632.3με，在传感器与金属圆环接触的边缘位置。但是由于传感器在5.5所示，由于不同金属材料的热膨胀系数不同，传感器会产大程度的提高传感器的应变承受能力。当金属圆环的外径增加到5.5mm Fig.5.4Resultof ysis(024-T3):(a)integral Fig.5.5StraininthecenterofPZsorwithdifferentmetal预应力传感器加厚度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，试件加工流程如图5.6所示。0.5mm宽的铜金属圆环内，使传感器57.6MPa19.76MPa的应力，可以使传感器的应变承受能力提高34%。5.6Fig.5.6PZsorwithmetal20243mm5.7所示。为了消除胶层氧树脂胶进行粘贴，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500με进行一次传感器阻抗值信号，扫频区间为10KHz10MHz图5.7拉伸试件Fig.5.7tensile卸Impedance(Ω)LogImpedance(Ω)Log102102105 105 105 1055.8Fig.5.8ImpedancesignalofthePZsorwithoutmetal2000με之前，传感器的阻抗信号变化不是很明显，只是信号2000με时，传感器的阻抗信号发生了明显的突变，如图5.8中红色曲线所示，说明2000με以上的应变载荷使传感器的阻抗性能发生了5.9所示，同样只分析谐振频率附近局部阻Impedance(Ω)LogImpedance(Ω)Log102

102105 105 105 1055.9Fig.5.9ImpedancesignalofthePZsorwithmetal两个传感器阻抗值信号变化指数如5.10所示，两种传感器的阻抗值信号随载荷增器。原传感器的阻抗值信号在2000με载荷时发生了明显的改变，说明此时的载荷条件阻抗值变化指数增长的非常缓慢。当载荷达到4000με时，加环传感器的阻抗值信号变化指数基本趋近于0。从阻抗值信号变化指数来看，通过施加预紧力使该指数降低了82%。从阻抗值信号突变临界载荷来看，由原先的2000με至少提高到了4000με，传感2RMSDRMSDof

10 500100015002000250030003500400005.10Fig.5.10RMSDoftheimpedance小率的数学计算公式。同时，结合数学和有限元ABAQUS，展开了压电传感器应变承受能力测试技术研究，利用传感器的阻抗信号和Lamb波信号对传感器的性能进行表征。实验结果表明，增加胶层厚度、减小胶层杨氏Lamb波频域内的损伤指数，提高监测结构的准确性；胶层杨氏模量对频域内的LambSohnH,FarrarCR.Damagediagnosisusingtimeseries ysisofvibrationsignals[J].SmartMaterialsandStructures.2001,10(3):446-451.KiremidjianAS,StraserEG,MengT,etal.Structuraldamagemonitoringforcivilstructures[J].ProceedingsofStructuralHealthMonitoring:CurrentStatusands.1997:492-501..大型桥梁健康监测概念与监测系统设计[J].同济大学学报(自然科学版).2001,AndersenEY,PedersenL.Structuralmonitoringofthegreatbelteastbridge[J].StraitCrossings.1994,94:189-195.CheungMS,TadrosGS,BrownT,etal.FieldmonitoringandresearchonperformanceoftheConfederationBridge[J].CanadianJournalofCivilEngineering.1997,24(6):951-962.SumitoroS,MatsuiY,KonoM,etal.LongspanbridgehealthmonitoringsysteminJapan[C].Proc.ofSPIE,2001,4337:517-524.余波,,,等.苏通大桥结构健康监测系统设计[J].工程与工程振动.2009,29(4):欧进萍,周智,,等.黑龙江呼兰河大桥的光纤光栅智能监测技术[J].土木工程学报.2004,37(1):45-49..先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报2007,24(11-袁慎芳,,,等.大型飞机的发展对结构健康监测的需求与[J].航空制造技术2009,22:62-ProsserWH,WuMC,AllisonSG,etal.StructuralhealthmonitoringsensordevelopmentatNASALangleyResearchCenter[J].IEEEAerospace&ElectronicSystemsMagazine,1992,7(1):38-43.ZhongqingS,YeL.IdentificationofdamageusingLambwaves[J].LectureNotesinAppliedComputationalMechanics(Berlin:Springer).2009,48:4-5.SchweikhardKA,RichardsWL,TheisenJ,etal.FlightdemonstrationofX-33vehiclehealthmanagementsystemcomponentsontheF/A-18systemsresearchaircraft[J].2001,NASA/TM-2001李东升,,任亮,等.结构健康监测中的传感器布置方法及评价准则[J].力学进展.2011,41(1):39-50.RaghavanA,CesnikCE.Reviewofguided-wavestructuralhealthmonitoring[J].ShockandVibrationDigest.2007,39(2):91-116. AnnamdasVG,RadhikaMA.Electromechanicalimpedanceofpiezoelectrictransducersformonitoringmetallicandnon-metallicstructures:Areviewofwired,wirelessandenergy-harvestingmethods[J].JournalofInligentMaterialSystemsandStructures.2013,24(9):1021-1042.SalowitzN,GuoZ,LiY,etal.Bio-inspiredstretchablenetwork-basedinligentcomposites[J].JournalofCompositeMaterials.2012:510047212. OwenRB,GyekenyesiAL,InmanDJ,etal.Hardwarespecificintegrationstrategyforimpedance-basedstructuralhealthmonitoringofaerospacesystems[J].2011,NASA/CR-2011AnnamdasVGM,YangY,SohCK.Influenceofloadingontheelectromechanicaladmittanceofpiezoceramictransducers[J].SmartMaterialsandStructures.2007,16(5):1888-1897.BaptistaFG,BudoyaDE,deAlmeidaVA,etal.Anexperimentalstudyontheeffectoftemperatureonpiezoelectricsensorsforimpedance-basedstructuralhealthmonitoring[J].Sensors.2