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 预紧圆环研究与设 预应力传感器加 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 不同杨氏模量胶层、胶层厚度对压电传感器激励/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 小 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 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 传感器应变承受能力实验结果分 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布设技 引 高应变区传感器网络设计方 结构高应变区传感器网络布设方 传感器分区布置策 传感器网络优化设计方 本章小 压电传感器新材料研 背景介 压电陶 压电效 无铅压电陶瓷的分 铌酸钾钠（KNN）无铅压电陶瓷及力学性能研 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能研 通过特殊的烧结工艺提高陶瓷强 结 参考文 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着飞行器结构的复合材料化[1]损伤模式更杂多样，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(Struturlhlthmonitoring,S)低成本的性创新技术[2]波音公司在多个机型(包括oing787)上探索SM在结构微SM、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、ES[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]。Pror等[7](2004比较了不同类型传感器()在航天器上应用的优缺点。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NASALangley中心Learjet25机身结构和C-17机和载荷变化影响，在飞行环境下应用SHM的可靠性还有待提高[1415]。Lim等[16](2011)为了提高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)综述了基于阻抗的SHM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进SHM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。用于航空航天结构健康监测的压电传感器一般包括压电陶瓷传感器(又分为单晶和多晶两种类型)、高分子压电传感器(如聚乙烯聚合物，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、提高服役安全性和降低成本的性创新技术[2]。然而航空航天器结构不仅要承受复杂、长时间的疲劳载荷、不论是单独还是同时作用，均可导致飞行器结构的性能或破坏。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，通过施加预压应力、传感器封装方式和新材料三个角度来提高其高应变承受能力；然后从传感Lmb波点通过传感器网络布设优化方法来提高传感器网络在高应变区的存活能力。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，但压电传感器完成安装后，其自身的压缩应力会抵消结构对传感器施加的部分拉伸应力，进而使结构对压电传感器施加的总拉伸应力变小，达到提高传感器承受高应变承载能力的目的。根据现有文献[1718]常规压电陶瓷的弹性模量约为20GPa40GPa拉伸强度大约为50MPa压电晶片的直径Dht12图1120然后逐渐降低温度箱中的温度至室温25℃，则由于空心圆环的冷却收缩效应使得空图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表1弹性模量（GPa）2.32E-8.8E-1.12E-铜1.76E-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所示。利用有限元软件QS建立如图3所示的有限元模型，其中传感器半径4mm，厚度0.45mm5mm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。图3 图T3（a）2024-T34所示。传感器上的最632.35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454.4变承受能力。当金属圆环的外径增加到5.5mm时，传感器中心部位的应变减小到382.6，金图5金属圆环施加120度的初始温度，之后降低到室温25度，此时金属圆环的尺寸就可以作为加工时的尺寸。根据有限元计算结果显示，金属温度降低将产生7m的径向收缩变形，因此金属环在加工时，内径需要比传感器尺寸小7m，从而产生预期的预紧到室温，使传感器产生预紧力，加工好的试件如图6所示。图6就产生19.76MPa的收缩应力，296.5的收缩变形。根据文献[18]57.6Mpa19.76MPa34%紧力越大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分析的25%以上。要是针对传感器对Lamb波信号的激励和接收，并且建立了相关的数学模型[2]。EdwardF.Crawley等人[19]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，建立剪力滞后理论胶层上的剪应要分布在边缘位置MaziarMoradi[21]利用相同的方法对MEMS压电传感器监测系统一般如图7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，所以通过一这样在确保数值分析可行的同时，也保证了足够的准确性。图78所示的单元体进行分析，在外载荷的作用下，基底结构受到的拉应力为b[21]（1）（2）（3）（4）（5）（6）图8数值分析以及建模过程中涉及到的符号以及取值在表2表2符 含 取 传感器半 传感器厚 传感器弹性模 胶层厚 胶层弹性模 基底结构弹性模 以基体结构和PZT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关系，可以得到则基体结构和PZT传感器的应变分别为[19]dub

dup,up

Bernoulli-Eulerdp

0,dbb

其中，α与应变的分布情况有关，此处为均匀拉伸，2pEpp,

Ebb,

Ga

由于pba，所以将式子（3）带入式子（2）EdpGaupua H Ha d Gu

a

a

对上面的式子进行求导，消去up和uaE

p

Hp

E a b

Hbd

p

d

d

b

db0b

pp

其中，和2

(1

Ephp

B

BxBsinhx

cosh

1

b

1

1xl/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

pd31V/hp,bxl dV/h,

B （d31V,

B0,

()cosh 将四个待定系数代入式（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。GaEa(d31V)sinh

Gp cosh因 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d31V

coshx coshl

()cosh

coef

1coshl 2中给定的数值，同时给定边界条件19910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部位，这图9基底结构和传感器上的应变分布情 图10传感器径向上的应变传递系111111通过对应变传递系数的分析，我们就可以得出影响应变传递效率的主要因素。这样我们就有限元模型，比较准确的分析应变的传递情况。因此，我们分别结合与ABAQUS表3尺寸 弹性模量 SAS所示。部区域的有限元模型，如图12所示。条件，铝板左端面约束X方向位移，铝板一个侧面约束Y方向位移，底面约束Z方向位移，同时在基底结构铝板XX方向位移场。（C3D80.5mm40196。图12图13ABAQUS327950000.6558力集中的情况，可能会导致胶层的开裂或者是脱粘情况的发生。传感器表面的应变分布与理论LE11带入公式13得到传感器上的理论应变分布情况ABAQUS计算结果对比从结果来看，0，与理论分析结果一致，如图14所示。图13图14最终得到了应变传递效率计算公式（14。软件具有强大的数值计算功能，通过计算，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程中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有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2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。图15ABAQUS0.02mm~0.2mmS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15和图16所示。 16不同胶层厚度时传感器上的应变分布（25m、50m、100m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。图17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。相对于胶层厚度，胶层的弹性模量对应变传递效率的影响更大，从计算结果图17中可以看出， 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。18不同胶层弹性模量时传感器上的应变分布（2GPa、4GPa、从传感器上的应变分布云图18图19图20不同传感器厚度时传感器上的应变分布（0.4mm、0.6mm、递系数的影响较大当传感器厚度为0.2mm无论是理论分析结果还是ABAQUS计算结果，应变的传递系数都比较大，为0.6~0.7。当传感器的厚度增加到1mm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，应变传递效率降加，有利于更充分的发挥传感器承受高应变能力的性能，如图20所示。图21图22不同半径时传感器上的应变分布（2mm、4mm、21看，此时应变的传递效率约为0.7到0.8，最大能够承受0.5%左右的应变。而新型的纳米压电陶90MPa图2324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，同时提高 图24不同弹性模量时传感器上的应变分布（40GPa、60GPa、100GPaABAQUS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，0.6mm后应变基本维持不变；4mm后基25所示[22]。图25为电阻然后输入专门的仪器表进行分析电阻应变计简称为应变计或应变片一般由敏感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0-0.5AA型号品3mm*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26所示的试件，总体尺寸为400mm*50mm，厚度3mm，材料为2024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，在非高应变区域布置一个传感器，进行Lamb波信号的激励，同一侧内的其余传感器进行Lamb波信号的度进行控制使高应变区域的传感器胶层厚度依次为25um50um75um100um和125um。33个试件。到不同应变等级下应变的传递情况，所以每隔500m进行一次加载和，得到传感器铝板的应变，以及传感器的阻抗信号和Lamb图2625m。之后在传感器上焊接导线，用于Lamb271Lamb2~6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。整体实验测试系统如图28所示，包括拉伸机、应变分析仪、阻抗分析仪、ScanGenie以及引伸计。 图27粘接传感器的试 图28实验测试系图29为传感器上表面和铝板应变关系曲线，粘接剂为HysolEA9395。在试件拉伸过程中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 量胶层厚度为75m呈现明显错误，所以没有放入最终结果中进行分析。胶层厚度为100

3000125m100m100m（图中未画出图29不同胶层厚度时铝板和传感器上表面应变图30不同厚度时的应变传递系数302500之前应变传递系数基本保持不变，当铝板上的应变达到3000时，应变传递系数出现降低的趋势。当胶层厚度为25m时，应变的传递效率超过了90%，随着胶层厚度的增加当胶层厚度为125m应变传递系数在0.6~0.7之间。图31实验结果与理论分析结果对比HysolEA9396所示，其中胶层厚度为50m的传感器在粘接过程中损坏，没有粘贴应变片进行应变测量。从图32不同胶层厚度时铝板和传感器上表面应变图33不同厚度时的应变传递系数HysolEA939633所示，从图中可以看出，厚度一定小。而随着胶层厚度的增加，应变的传递效率变化比较明显，当胶层厚度增加到125

0.3271图34不同胶层厚度时铝板和传感器上表面应变（爱牢达341253000500125m的传感器粘贴时可能出现问题，导致应变的传递效率过低。35所示，6图35不同厚度时的应变传递系数（爱牢达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，有利于结构应变为了分析胶层弹性模量对应变传递的影响，分别取三个试件上胶层厚度为25

图36胶层弹性模量对应变传递效率的影响（25m从图36EA9390.9左右，爱牢达环氧树脂胶的应变传达环氧树脂胶由于四种胶层厚度控制时出现问题，应变传递效率十分接近，所以50m、m时应变传递系数比较大。但是胶层厚度为125m时，三种胶层的应变传递系数大小关系又25m时一致。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1543MPaHysolEA9396环氧树脂胶后的拉伸弹性模量为2750MPa泊松比按0.3处理，种环氧树脂胶的弹性模量大小关系为9395>9396>爱牢达这与胶层厚度为25m和125m的图37不同杨氏模量胶层、胶层厚度对压电传感器激励/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,38所示。个薄块的一端是固定的,结传感传感图38Zd2YE Yja(a31 dY

Za

31Y——电导纳（逆阻抗Za——Zs——d31——在零应力下的压电耦合常———— 1Ks/Km2jc Km2jc k2

EYY11E通常要乘以系数1EKsKb0,i.e.KbKs

频率图39阻抗与系数如图39所示，当KsKKbKbhs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

1Ks11Ks1C1

1spwpGs和C是常数。该式表明随着站胶层厚度h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波信号的幅值和稳试验在一块500mm500mm的2024铝板上进行。板上共粘接有21个压电传感器，传感器A1150mm分为四组，每组胶层厚度从25m到125m依次递增，每25m40和图41表4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40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，25kHz12MHz25V。图41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（即电阻10k-1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1543MPa，HysolEA9396环氧树脂胶后的剪切模量约为1508.8MPa，爱牢达环氧树脂胶0°C1200Mpa。DW-1胶的说明书未给出其相应的剪切模量，但文献中均指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（DamageSSAS

AreaScatAreaBase

AreafhU(f

l lfl

fh表示由激励信号决定的信号带宽，而U*f42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39的情况一致。胶层厚度爱牢爱牢ImpedanceImpedance 1 Frequency

x图42胶层厚度25m图43为胶层厚度25m200k-500k图，图中可以看出不同杨氏模量胶层所粘接传感器的频率不同，爱牢达、9396环氧胶频率均在400kHz左右，9395环氧胶频率在350kHz左右，DW-1的频率在300kHz左胶层厚度爱牢爱牢Re(Z)Re(Z) Frequency

x图43胶层厚度25μm/通用格/通用格

爱牢图44不同胶层激励/接收Lamb图44为胶层厚度25m过Hilbert变换处理，最后得到结果与图43所测得频率情况较为一致，即在频率处信4510k-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。ImpedanceImpedance Frequency

x图45

图46爱牢达作粘接剂时不同胶层厚度激励/接收Lamb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试46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。1025m到125m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48，Lamb波度较大时，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.Re(Z)Re(Z) Frequency

x图479395///////通用格//

9395环氧50k100k150k200k250k300k350k

489395环氧胶作粘接剂时不同胶层厚度激励/接收Lamb图499396200k-500k1525m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50，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

Re(Z)Re(Z)

9396环氧 Frequency

x图499396///通用格//////

9396环氧

509396环氧胶作粘接剂时不同胶层厚度激励/接收Lamb51DW-1200k-500k频率范围内所测得的阻抗实部图，16-20号320kH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-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52275kHz225kH。Re(Z)Re(Z) Frequency

x51DW-1///通用格////////通用格

DW-

图52DW-1作粘接剂时不同胶层厚度激励/接收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，从而在不影响监测效率的情况下选择不同杨氏模量胶层及胶层厚度。试验测试频率范围50kHz-400kHz，测试了4种杨氏模量胶层，5205Data01-Data05图53给出了以Data01为参考信号，路径为A12在扫频50kHz-400kHz时各组数据SASS在0.1以上，甚至0.8SASS0.04以下说明同样条件下不同中心激励频率的信号稳定性良好，且随着中心激励频率增大SASS指数减小。此下面重点以300kHz为中心激励频率各路径的信号图54给出以Data01为参考信号，20条路径在频率300kHz时各组数据的信号差（DamageIndex-SASS由图中可以看出SASS0.03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层及厚300kHz时的信号产生显著性影响。PathA1toDamageDamage0507510012515017520022525027530032535037553Data01为参考信号，路径为A12DamageDamageA1toA1toA1A1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1to54Data01300kHz总体来说，使用杨氏模量越大粘接剂的传感器所接收到的信号幅值更大一些，并且对于不同胶层厚度的Lmb波信号来说，在频处，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厚度并不会对其产生显著性影响。因此选择粘接剂的杨氏模量越大的，所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55高应变区域传感器的安装方案基本如图55图56器之间的应变传递理论模型，分析不同杨氏模量的环氧树脂及其胶层厚度对应变传递的影响，ABAQUS和数学分析软件HysolEA9396Lamb波信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波信号对传感器过程中，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，之后通过引申计控制500

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Lamb波激励和接收时，采取扫频的方式激励Lamb50KHz400KHz，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HysolEA939557（b）2000453.7Kz673.6Kh再次对传感器的阻抗值进量从图5（b可以看出卸载之后传感器的阻值虚部在卸载之后又回复加载前的水平，两条曲线基本重合。这说明拉伸载荷并没有使传感器-胶层-582000后，传感器的电阻值信号产生了比较明显的变化，但是当载 57不同载荷下传感器的阻抗信号（9395-25m58拉伸前后传感器的电阻值信号（9395-25mI(n)2I(n)2Ih0I0NNRMSD 其中N

为胶层厚度为h

为Baseline 之RMSD增长的比较均匀铝板上变形每增加500 RMSD增加0.2但是在2000到2500生了800的压缩变形，但RMSD值来看，阻抗值信号基本恢复初始状态，传感器的性能没有传感器接收到的Lamb60所示，为了可以更清晰的对比不同载荷下LambHilbert变换，得到信号的包络信号，并且对比第一个达到的波包的信61250059不同载荷下的阻抗值信号变化指数RMSD（9395- 60不同载荷下的Lamb波信号：（a）原始信号；（b）Hilbert变换后的信号（9395-m25002500改变了谐振频率，而Lamb2500幅值开始降低。根据应变测量结果，此时传感器上表面61不同载荷下的Lamb信号幅值（9395-25m对Lamb信号进行损伤指标（DI）62所示，其中SSET为时域内的损伤指SDASSSET二是高应变环境下Lamb波的速度改变而SDAS则是Lamb波信号转换成频域内的信号后进行分析，避免上述因素带来的影响。所以本文选择SDAS值最为损伤指标，进行Lamb波的损对比传感器的阻抗值信号和Lamb2500Lamb波信号损伤指数最大时的应变作为一个临界值，对比62不同载荷下的Lamb信号损伤指数（9395-25m当胶层厚度为50m时，传感器的阻抗值信号在3000时发生了比较大的改变，如图63所示。与胶层厚度为25m的传感器阻抗值信号相比，传感器的应变承受能力得到了提高。从64值仅为0.06。胶层厚度为25m时，Lamb波损伤指数最大值为0.25，同样说明传感器的应变承63不同载荷下的阻抗值信号变化指数RMSD（9395-50m64不同载荷下的Lamb信号损伤指数SDAS（9395-50m当胶层厚度为1000m时，传感器阻抗值信号同样在铝板变形为300时发生比较大的变65LambSDAS值来看，SDAS值最大仅为0.008，远小于胶层厚度为50m时的SDAS值，说明传感器的应变承受能力65不同载荷下的阻抗值信号变化指数RMSD（9395-100m66不同载荷下的Lamb信号损伤指数SDAS（9395-100m125m4000以下传感器阻抗值信号并没有发生很明显的改变，400025004000。67不同载荷下的阻抗值信号变化指数RMSD（9395-125m4000大，说明传感器承受高应变的能力越来越强。当胶层厚度达到125m时，传感器阻抗值信号LambSDASHysolEA在对使用HysolEA9395环氧树脂胶进行传感器粘贴的试件进行实验的过程中，阻抗值的扫频区间为100KHz到1MHz，但是由于拉伸机设备自身振动的影响，低频区域内的信号出现比较大的波动。所以在对使用HysolEA9395环氧树脂胶进行传感器粘贴的试件进行实验时，将频率10KHz10MHz，关注高频时的谐振频率。的增加，RMSD值在均匀增加，没有出现前阻抗值变化指数RMSD值突然增加的情况，说明传感器的性能比较稳定，如图69所示。68不同载荷下的阻抗值信号（9396-25m69不同载荷下的阻抗值信号变化指数RMSD（9396-25mLamb702500时2500时传感器的压电性能发生了改变，Lamb波发生了比较大的变化。70不同载荷下的Lamb信号损伤指数SDAS（9396-25m50m的传感器的阻抗值信号同样在均匀变化，信号变化指数没有出现突然增加的情况，如图71所示。与胶层厚度25m的传感器的阻抗值信号对比发现，相同载荷下，胶层厚度50m的传感器的信号变化指数更小，说明载荷对传感器性能的71不同载荷下的阻抗值信号变化指数RMSD（9396-50m72不同载荷下的阻抗值信号变化指数RMSD（9396-75m图72为胶层厚度75m的传感器阻抗值信号变化指随着载荷增加，RMSD值也逐渐增加。相同载荷时，胶层越厚，RMSD值越小。Lamb73所示，我们发现阻抗值变化指数曲线基本与25m时的一致，同样在2500加载到3000的过程中，SDAS73不同载荷下的Lamb信号损伤指数SDAS（9396-75m74不同载荷下的阻抗值信号变化指数RMSD（9396-100m7525003000的过程中出现减小的情况，SDAS小于胶层厚度100m传感器的SDAS值75不同载荷下的Lamb信号损伤指数SDAS（9396-100m76不同载荷下的阻抗值信号变化指数RMSD（9396-125m125m76所示。RMSD74中100m的传感器阻抗值信号相比，信号变化指数仍然偏大。7725m2000出现了比77不同载荷下的阻抗值信号变化指数RMSD（爱牢达-25mLamb波信号的传感器中前三个的胶层厚度十分接感器的Lamb波损伤指数相差不大，如图78所示。（a）75m30003500过程中发生明显的变125m时，Lamb波信号损伤变化趋势没有改变，但幅值都随着厚度的增加而减小，如图79和图8079同载荷下的阻抗值信号变化指数RMSD（爱牢达-75m80同载荷下的阻抗值信号变化指数RMSD（爱牢达-125m81不同载荷下的Lamb信号损伤指数SDAS（爱牢达-125mLamb波信号，我们得到了每种环氧树脂在不同厚度时的阻抗值信号变化指数和Lamb指数和Lamb波损伤指数，我们可以得到传感器应变承受能力与胶层弹性模量和厚度的关系。在4000LambEA939525m2500，当胶层厚125m4000LambHysolEA9396和25m30000.20.1；图82胶层厚度对Lamb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的高应变环境下没有损坏，能够承受高应变载荷。收到的Lamb信号同样出现变化。传感器的监测能力在高应变环境下会受到不同程度的影响。Lamb波信号发现，胶层厚度的增加会提高不会产生很大的变化；Lamb波信号损伤指数更小，提高传感器损伤监测的准确率。网络的区域。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对象，以使传感器网络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化元布置区域模块和传感器网络优化设计模块。利用本章传感器网络布设技术可以在保证高应变区传感器的前提下满足传感器网络检测效率的要求。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范95%，在施降低传感器失效的。在传感器网络优化设计模块中利用传感器网络优化设计方法[1]与高图83（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

3)[高的位置采用传递效率较低的胶层（采用模量较高的胶层或提高厚度）并提高该位置的冗Pitch-Catch信号模式的损伤指数诊断方法；根据检测区域的结构形式确定传感器Pitch-Catch信号路径有效范围的轮廓是椭圆，其焦点为激发传感器和接收传感器。在传1所示： (P)

l

path(i

lpath(iiPlP点再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84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8421所示：MM

Cpath(i

Cpath(i

(P)

P1

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，、、针对传感器网络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网络能够承受结构合拢、装夹以及反复加载等一系列过程成，求最优的传感器个数n，使目标函数最大，即：，、、

Cnetwork 2n 传感器网络优化设计计算流程如图85

图8595%n+1作为结果，否则在每条阵本章针对高应变区域传感器网络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。利用本章传感器网络布设技术结合高应变区信号试验和胶层传递效率试验可以在保证高应变区传感器的前提下满足传感器网络检测效率的要求。性能同样不容忽视，力学性能的好坏严重影响着其服役效果和服役。（PZT滤一些波形我们可以把压电陶瓷当成一个滤波器这种滤波器广泛应用于计算机和当中；压电效应最先是被居里兄弟Pierreurie和qusurie在电气石的研究中发现。此后，BaTiO3BaTiO3（钛酸钡）BaTiO3（a（1- （b（1- （c（1- (A=Ba、Ca；B=Zr、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的3）通过掺杂改性，BaTiO3无铅压电陶瓷的压电性能Bi0.5Na0.5TiO3i0.5N0.5iO（钛酸铋钠320i0.5N0.5iO（钛酸铋钠i0.5N0.5iO（钛酸铋钠xABO3（A=BixANbO3（A=KxTiO3（A=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）在使Bi0.5Na0.5TiO3（钛酸铋钠）无铅压电陶瓷的烧结性能得到改善；2）在Bi0.5Na0.5TiO3（钛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-ABi3+、Pb2+、Na+、Sr2+、K+、Ba2+、Ca2+和稀Cr3+6的离子或由组成的复合离子。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：]MBi2Nb2O9基无铅压电陶瓷（M=Sr、Ca；N=Nb、Bi4TiO12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10C方向共角相连。另一类为斜方晶系的钨青铜型结构，可视为沿四方单胞的对角线进一步畸变而215(SrxBa1-x)Nb206(Axsr1-x)NaNb5O15基无铅压电陶瓷；(A=Ba、Ca、Mg等Ba2AgNb5O15ABO3型化合物。1949年Mattiasmm2的NaNbO3NaNbO3基无铅压电陶瓷在室温下是类钙钛矿NaNbO3介电常数和 (1-x)NaNbO3-xA (A=Ba，Ca，Sr或它们组成的复合离子 ，，界瞩目的陶瓷材料研究领域的课题。，（PZT70%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害人类健康因此从环境要考虑它的力学性能、压电性能同时也要顾及它对环境的影响。，铌酸钾钠（KNN）无铅压电陶瓷及力学性能研水热法铌酸钾、铌酸钠粉BaTiO3基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠基无铅压电陶瓷（BNTKNN的压电性能主要组成与结构及性能都受粉体性能的直接影响，因此粉体 对陶瓷的性能起到十分关键的表6高中中展开中/优良良中中良良良良（1（2（3）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。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，Y.SaitoKOH、NaOH、Nb2O5Nb2O5KOH、200℃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/NTakafumiMaedatKNbO3NaNbO3粉体混合后进行水热反应，得到理想的压电传感器，26.9KHZVousden以水热法合成NaNbO3Nomura等以Na8[Nb6O9]•13H2O为原料以NaOH为矿化剂了NaNbO3Santos等用水热法合成了单相正交晶系的NaNbO3KNN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，具体的流程如图86所示。图86流K/(K+Na)0.5时，得到的粉体物相结构只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测试。反应的进行，Na+K+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。 87（1）24NaNbO3粉体(2)24KNbO3多面体，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。图 NaNbO3粉体的XRD图89KNbO3XRD88NaNbO3XRD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-MPB89KNbO3XRD图谱，从图中可以看出，图中给出了220o-95o区间的发大图，当2角在35o-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，纯KNbO3粉体为四方相，但还没有达到正交-四方两相共存的MPB结构。铌酸钾钠（KNN）通过对的陶瓷进行介电性能和压电性能的测量，得到图90，可以看出陶瓷具有明显的介电和压电性能，通过大量实验和计算，压电常数d33120pc/n左右，在同类产 图90铌酸钾钠（KNN）纳米级粉体提高压电陶瓷强陶瓷材料在通常情况下呈脆性,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的韧性KNiihara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,IO0nm时,温度往往高于基质，将纳米颗粒包裹在基质晶粒内部，形成/0结构，基质晶粒间的晶界A12O3SICSEM观察裂纹扩展情况后，2（4）(5)曾发现A12O3一SIC复合陶瓷中3.5%一5.0%的SIC获得的增韧效果最佳。这是因为晶内粒子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，3oC/min1080oC1小时来保证最终烧结出的陶瓷的致密性，致密性越好，晶图91（a）烧结成型的陶瓷（b）Lamb波信号，实验结果与理论分析结果和有限元分析结果基本在对胶层应变传递进行分析之后，利用传感器阻抗值信号和LmbLmb4000Lamb波信号的变化增加。选择较低弹性模量的胶层和较大的胶层厚度可以使者两个25%以上，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。 杜善义先进复合材料与航空航天,"复合材料学报vol24pp1-12,[2]邱雷吴键等.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,2009,22:6卿新林,王奕首,and赵琳,"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,"Electromechanical