高應(yīng)變載荷下壓電傳感器性能研究

健康監(jiān)測(cè)技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)之一。傳遞效率的因素。結(jié)合有限元和數(shù)學(xué)，對(duì)比分析不同參數(shù)下，結(jié)構(gòu)-粘接條件下傳感器的阻抗信號(hào)、Lamb波信號(hào)，并且對(duì)傳感器的高應(yīng)變承受能力進(jìn)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............................................................................................................................. 緒 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng) 復(fù)雜環(huán)境下壓電傳感器的耐久 主要研究?jī)?nèi) 傳感器與基底的應(yīng)變傳遞理論分 應(yīng)變傳遞理論分 應(yīng)變傳遞有限元分 小 應(yīng)變傳遞模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分 小 傳感器性能表征研 實(shí)驗(yàn)設(shè) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分 高應(yīng)變載荷對(duì)阻抗信號(hào)的影 高應(yīng)變載荷對(duì)Lamb波信號(hào)的影 小 新型預(yù)應(yīng)力傳感器研 預(yù)應(yīng)力施加技術(shù)方 預(yù)應(yīng)力傳感器加 預(yù)緊力傳感器性能測(cè) 實(shí)驗(yàn)設(shè) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分 小 結(jié) 參考文 攻讀期間學(xué)術(shù)情 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（structuralhealthmonitoring，SHM）技術(shù)最初的設(shè)計(jì)目的是進(jìn)行結(jié)構(gòu)載荷識(shí)別，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行。隨著壓電材料、光纖的日益普及和無(wú)線技術(shù)的大的傷亡，給人民群眾帶來(lái)?yè)p傷。例如，1994年1月17日，加州發(fā)生了Northbridge，一些建筑物在主震后并未倒塌，但結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在損傷而未及時(shí)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)受到了越來(lái)越多的關(guān)注，通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的損傷監(jiān)測(cè)和，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷的出現(xiàn)，同時(shí)對(duì)剩余進(jìn)行以降低事故出現(xiàn)概率，保障人民安全。大的Confederation大橋[5]、的AkashiKaikyo大橋[6]等。 高服役安全性和降低成本的性創(chuàng)新技術(shù)[10]。波音公司在多個(gè)機(jī)型(包括Boeing787)上探索SHM在結(jié)構(gòu)微裂紋和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)多損傷監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用，空客公司也積極研究SHM在A320、A340、A350、A380等型號(hào)上實(shí)現(xiàn)[11]。X-33的控制測(cè)量單上已確定了1800個(gè)傳感器，用來(lái)完成機(jī)上系統(tǒng)健康狀態(tài)信息的獲取[13]。測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)基于振動(dòng)法[14]、波法[15]和阻抗法[16]的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，從而得到[21]Kernel的主元分析海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)是海洋油田開發(fā)的主要設(shè)備，在海上石油開發(fā)中處于地位，平臺(tái)平臺(tái)的服役環(huán)境十分復(fù)雜，長(zhǎng)期處于海水的浸泡中，同時(shí)還要海汐的侵蝕，巴西P-36號(hào)半浮動(dòng)式海上油井平臺(tái)沉入，給巴西帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境Saab公司在殼牌設(shè)備時(shí)間，在保證安全性的同時(shí)降低成本。盡管SHM技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但數(shù)健康監(jiān)測(cè)和損傷檢測(cè)系統(tǒng)在工業(yè)上進(jìn)SHM傳感系統(tǒng)感器的選擇、設(shè)計(jì)和操作提出了嚴(yán)峻。壓電傳感器將形成不均勻的電場(chǎng)，導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致元件壓電性能的，降低，而矯頑力增加。例如ZhouMarc(2004)對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器在大電場(chǎng)壓應(yīng)力條件彈性變形、不可逆疇轉(zhuǎn)變和壓電效應(yīng)綜合影響的結(jié)果。Chaplya和Carman(2001)從非180°疇壁運(yùn)動(dòng)角度分析了在高電場(chǎng)和機(jī)械載荷作用下的介電和壓電響應(yīng),電場(chǎng)既影響180°疇壁的運(yùn)動(dòng)也影響非180°疇壁的運(yùn)動(dòng)，而外加應(yīng)力只對(duì)非疇壁的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生 的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，目前研究成果特別強(qiáng)調(diào)了壓電傳感網(wǎng)絡(luò)的重要性[23]。與傳統(tǒng)檢測(cè)相比，SHM在可靠性以及耐久性等方面還存在差距南卡大學(xué)的Giurgiutiu教授課題組針對(duì)壓電陶瓷傳感器在空間SHM上應(yīng)用，開展了一系列研究，具體包括傳感實(shí)驗(yàn)表明低溫浸泡并不會(huì)使傳感器發(fā)生損壞，只是傳感器阻抗信號(hào)的諧振頻率發(fā)生改變；由于居里溫度的影響，當(dāng)溫度過高后傳感器將失去壓電性能[24]。Wang等人研究了壓電陶瓷在水、甲醇和甲酰胺中靜載荷拉伸時(shí)的應(yīng)力腐蝕裂紋[25]。Qing等人對(duì)PZTSMART進(jìn)行低溫耐受性進(jìn)行了研究[26]。Park等人研究了壓電陶瓷傳感器的和失效以及粘貼方式對(duì)阻抗信號(hào)和Lamb的的影響[27]。Isogai等人對(duì)壓電傳感器對(duì)主要研究?jī)?nèi)本主要研究?jī)?nèi)容為EdwardF.Crawley等人建立了傳感器、膠層和結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，主要用于分析傳感器激Lamb波信號(hào)時(shí)，結(jié)構(gòu)和傳感器之間應(yīng)變的傳遞過程[29]。VictorGiurgiutiu等人進(jìn)行了Moradi利用相同的方法對(duì)MEMS傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)變傳遞進(jìn)行了分析，給出了不同應(yīng)變傳遞理論分PZT傳感膠監(jiān)測(cè)結(jié)壓電傳感器監(jiān)測(cè)系般如圖PZT傳感膠監(jiān)測(cè)結(jié)2.1Fig.2.1AdiagramoftheSHM2.12.2所示的單元體進(jìn)行分析，在外載構(gòu)和傳感器的彈性模量遠(yuǎn)大于膠層的彈性模量，所以不考慮剪切變形；（2）只考慮面內(nèi)2.2Fig.2.2AdiagramofSHMsystemelementundertension2.1Table2.1SymbolusedinsimulationanditsL間的關(guān)系，可以得到則基底結(jié)構(gòu)和PZT傳感器的應(yīng)變分別為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為壓電材料的壓電常數(shù)，由于只考慮水平方向的應(yīng)變，所以這里只需要考慮d31，即徑 xl dV/ xl dV/h, B （d31V,BB0,B ()cosh 將上述四個(gè)待定系數(shù)代入式（2-8）εp和鋁板上的應(yīng)GaEa(0d31V)sinh GE

cosh pb 1coshx coshl0 cosh ()cosh coef 1coshx coshl2.3Fig.2.3StraindistributionalongtheradialdirectionofthePZ2.1ε0=3000με，利用理論分析結(jié)果就可2.32.4可以直觀的看出，傳感器上的高應(yīng)變區(qū)域主要集中在傳感器中心2.4Fig.2.4StraintransfercoefficientalongtheradialdirectionofthePZ際結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，比較準(zhǔn)確的分析應(yīng)變的傳遞情況。因此，分別結(jié)合與ABAQUS計(jì)算理論應(yīng)變傳遞效率和進(jìn)行有限元分析，為之后傳感器的設(shè)計(jì)提供依ABAQUS提供了強(qiáng)大的線性和非線性有限元分析功能，幫助更直觀的分析和認(rèn)識(shí)問題。利用ABAQUS，分別建立壓電傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有限元模型，各個(gè)部件的尺寸和材料參數(shù)如表2.2所示。利用有限元ABAQUS可以建立壓電傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的1/2模型，由于通常主2.2Table2.2Parameterofthefiniteelement尺寸（mm）彈性模量（GPa）泊松比鋁 膠 傳感 5000με的變形。由于問題只需要進(jìn)行靜力學(xué)分析，采用隱式算（C3D8為0.5mm，網(wǎng)格數(shù)量40196。2.5Fig.2.5ThefiniteelementmodeloftheSHM2.6ABAQUS得到的傳感器與膠層接觸的面上的應(yīng)變分布云圖，傳感器上最大變形為3279με，位于傳感器中部，而此時(shí)鋁板的平均應(yīng)變?yōu)?000με，應(yīng)變的比值約LE11作為邊界條件，帶入式（2-13）ABAQUS計(jì)算結(jié)果對(duì)比。從結(jié)果來(lái)看，理論分析結(jié)果和有限元模擬結(jié)果基本一致，如圖2.6Fig.2.6Contourofstraininthelowerfaceofthe 2.7Fig.2.7Straindistributionofthe 在傳感器中心部位x=0處，隨著剪力滯后系數(shù)趨于0，傳感器上最大應(yīng)變逐漸趨02.8Fig.2.8straintransfercoefficientwithdifferentadhesivelayer所以利用和ABAQUS分別計(jì)算膠層厚度在0.02mm~0.2mm之間變化時(shí)ABAQUS有限元模擬時(shí)，給定鋁板結(jié)構(gòu)指定的位移，使得板變傳遞效率公式，計(jì)算不同厚度時(shí)的傳遞效率，進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2.8所示。因分析是建立在平面問題的基礎(chǔ)上，而ABAQUS有限元模擬則是建立了三維實(shí)體模型，由于泊松效應(yīng)的作用將導(dǎo)致X方向的應(yīng)力應(yīng)變小于理論分析結(jié)果。ψ/(ψ+α)，這個(gè)極限值主要有傳感器和基底結(jié)構(gòu)同樣利用ABAQUS和，在其他參數(shù)不改變的情況下，控制膠層的彈性模量在1GPa到10GPa之間取值，分析膠層彈性模量對(duì)應(yīng)變傳遞效率的影響。從計(jì)算結(jié)果2.9中可以看出，無(wú)論是ABAQUS，兩者的計(jì)算結(jié)果都表明傳遞效率隨著膠層彈性模量的增大而增大，而且計(jì)算結(jié)果相對(duì)ABAQUS偏大。當(dāng)2.9Fig.2.9Straintransfercoefficientwithdifferentmoduleofadhesive目前實(shí)際工程中使用的傳感器多為圓片式和矩形的傳感器，在厚度以及半徑上有很大區(qū)別，不同的傳感器厚度和半徑，都會(huì)對(duì)應(yīng)變的傳遞產(chǎn)生不同的影響。從式（27）2.10Fig.2.10StraintransfercoefficientwithdifferentthicknessofPZ應(yīng)變傳遞系數(shù)的影響較大，當(dāng)傳感器厚度為0.2mm時(shí)，無(wú)論分析結(jié)果還是ABAQUS0.6~0.7器的厚度增加到1mm后，0.3~0.4ABAQUS計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)傳感器厚度2.11Fig.2.11Straintransfercoefficientwithdifferentradiusof ABAQUS模擬的結(jié)果來(lái)看，2mm0.37，隨著半徑的增加，傳遞系數(shù)在增加。當(dāng)半徑達(dá)到4mm左右后，應(yīng)變傳遞系數(shù)基本維持不變。Fig.2.12StraintransfercoefficientwithdifferentmoduleofPZ20GPa0.70.8，而當(dāng)壓電陶瓷的彈性模量增加到80GPa時(shí)應(yīng)變傳遞系數(shù)僅為0.5左右，這可以使傳感器的應(yīng)變承受能力提高30%左右。從式（2-7）來(lái)看，傳感器彈性模量提高會(huì)使剪力滯后系數(shù)和小之后結(jié)合有限元ABAQUS和數(shù)學(xué)對(duì)應(yīng)變傳遞進(jìn)行了況，導(dǎo)致膠層損壞或是脫粘。所以面理論分析的基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)測(cè)試平3.1Fig.3.1Conventionalstrainmeasurement(2)測(cè)量精度高，一般小于1%；(3)量程范圍大，可測(cè)0~2測(cè)試儀器廠生產(chǎn)的BX120-1AA3mm*2.5mm100KNH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)、6500B阻抗分析儀、ScanGenie設(shè)備。100KN全數(shù)字電液伺服動(dòng)靜實(shí)驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行鋁板加載。100KN全所示。H3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)是全智能化的巡回系統(tǒng)，適用于測(cè)點(diǎn)相對(duì)Fig.3.2H3816Nstrainmeasurement在對(duì)試件進(jìn)行拉伸的過程中，利用6500B阻抗分析儀對(duì)傳感器的阻抗信號(hào)進(jìn)精確度可達(dá)到±0.05。Fig.3.36500BimpedanceLamb波激勵(lì)和接收采用Acellent公司生產(chǎn)的集成設(shè)備ScanGenie，如圖3.4所示。Acellent公司生產(chǎn)的集成設(shè)備ScanGenie，支持多通道激勵(lì)/接收，可調(diào)整帶通濾波和增益，主要技術(shù)參數(shù)：頻率范圍為10~700kHz，采樣頻率包括6、12、24以及48MS/s，分辨率為12Bits，功率放大器范圍±75V。3.4ScanGenieFig.3.4ScanGenie3.5Fig.3.5Schematicdiagramoftension3.5所示的試件，總體尺寸為400mm*50mm，厚度3mm，材料為2024鋁合金。試件上表面等間隔布置6個(gè)傳感控制試件上的應(yīng)變，每間隔500με進(jìn)行一次。知道當(dāng)試件上的應(yīng)變達(dá)到4000με時(shí)4500με時(shí)鋁板將進(jìn)入塑形屈服階段。之后進(jìn)行卸載，載荷回復(fù)到初始狀態(tài)，進(jìn)行一次信號(hào)。11個(gè)傳感器使用同種的環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行粘貼，同時(shí)利用聚酰亞胺薄膜對(duì)膠HysolEA9396和Araldite環(huán)氧樹脂膠。傳感器和鋁板的應(yīng)變，以及傳感器的阻抗信號(hào)和Lamb波信號(hào)，用于后面的分析。 3.6Fig.3.6TensionsamplewithPZ

3.7Fig.3.7Theexperiment3.6所示，膠層厚度通過控制聚酰亞胺薄膜的層數(shù)進(jìn)行控25mb3.61mb2~6號(hào)傳感器進(jìn)行信號(hào)的接收。同時(shí)在傳感器和鋁板上同時(shí)粘貼應(yīng)變片，利用應(yīng)變儀測(cè)量鋁板上和傳感器上表面的應(yīng)5阻抗分析儀、ScanGenie以及引伸計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分500με間隔增加，對(duì)傳感器上的應(yīng)變進(jìn)量。膠層厚度為75μm的傳感器在粘貼的過程中出現(xiàn)問題，應(yīng)變測(cè)量結(jié)傳感傳感器應(yīng)變[

0

鋁板應(yīng)變3.8不同膠層厚度時(shí)鋁板和傳感器上表面應(yīng)變Fig.3.8StrainofthePZsorsandspecimen1應(yīng)變應(yīng)變傳0

鋁板應(yīng)變3.9不同厚度時(shí)的應(yīng)變傳遞系數(shù)Fig.3.9Straintransfercoefficient3.8來(lái)看，隨著鋁板上應(yīng)變的增加，傳感器上表面的應(yīng)變也在增加，傳感器上3000με125μm的傳感器上表

0 3.10不同膠層厚度時(shí)鋁板和傳感器上表面應(yīng)變Fig.3.10StrainofthePZsorsandspecimen10

鋁板應(yīng)變3.11不同厚度時(shí)的應(yīng)變傳遞系數(shù)Fig.3.11Straintransfer用HysolEA9396進(jìn)行傳感器的粘貼，傳感器上表面應(yīng)變和鋁板應(yīng)變之間的關(guān)系如圖3.10所示，其中膠層厚度為50μm的傳感器在粘接過程中損壞，沒有粘貼應(yīng)變片進(jìn)3500με25μm2500με左右。膠層厚度為125μm的傳感器上表面的應(yīng)變最小，為1600με左右。厚度一定時(shí)，隨著載荷的增加，應(yīng)變的傳遞效率基本保持不變，說明9396環(huán)氧樹脂膠125μm0.3271。這說明相對(duì)于載荷條件，

050010001500200025003000350040003.12不同膠層厚度時(shí)鋁板和傳感器上表面應(yīng)變Fig.3.12StrainofthePZsorsand1000με之前，傳感器上的應(yīng)變出現(xiàn)隨載荷增加逐漸減小的變化趨勢(shì)?？赡?000με之1

5001000150020002500300035004000鋁板應(yīng)變3.13不同厚度時(shí)的應(yīng)變傳遞系數(shù)Fig.3.13Straintransfer HysolEA9396環(huán)氧樹脂膠區(qū)別最明顯，其余兩個(gè)試件由于膠層厚度的控制不夠精確，HysolEA9396環(huán)氧樹脂膠的穩(wěn)定性最好，隨著載荷增加應(yīng)變傳遞系數(shù)基本維持不變,說明膠層性能基本沒有受到載荷的影響。HysolEA9395環(huán)氧樹脂Araldite環(huán)氧樹脂膠粘貼的試件在整個(gè)加載過程中應(yīng)變傳遞效率一直在降低，說明膠25μm的根據(jù)3種膠給出的使用說明，25°C時(shí)，HysolEA9395環(huán)氧樹脂膠后的剪切彈性模量為1543MPa，HysolEA9396環(huán)氧樹脂膠后的拉伸彈性模量為2750MPa，泊大小關(guān)系為9395>9396>Araldite。3.1不同膠層下的應(yīng)變傳遞效率Table3.1StraintransfercoefficientofdifferentadhesivelayerthicknessHysolEAHysolEA25μm3.1所示。HysolEA應(yīng)變傳遞效率也在減小，Araldite環(huán)氧樹脂膠粘接時(shí)應(yīng)變傳遞效率為0.7680。響相對(duì)較小。無(wú)論在哪一種膠層厚度下，HysolEA9395環(huán)氧樹脂膠的應(yīng)變傳遞系數(shù)都HysolEA9396Araldite環(huán)氧樹脂膠粘貼的試件與HysolEA9396比較接近，但由于膠層受載荷影響較大，隨載荷增加傳遞效率小4000μm以前，傳感器上表面的應(yīng)變隨著載荷增EA9395環(huán)氧樹脂膠的傳遞效率最高。出現(xiàn)損傷，影響應(yīng)變的傳遞。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，HysolEA9396環(huán)氧樹脂膠強(qiáng)度最高，3000με之前應(yīng)變傳遞效率基本維持不變，其余兩種環(huán)氧樹脂膠高應(yīng)變環(huán)境將導(dǎo)致傳感器的性能受到影響，為了對(duì)傳感器應(yīng)變承受能力進(jìn)試，性能表征主要有兩種途徑，一是對(duì)傳感器的阻抗值進(jìn)量，利用阻抗信號(hào)變化對(duì)傳感器的性能進(jìn)行表征；二是利用壓電傳感器到的Lamb波信號(hào)對(duì)傳感器的性能進(jìn)行表載之后，阻抗信號(hào)與初始的信號(hào)幾乎一致。4000με之后，壓電阻抗信號(hào)開始發(fā)生改變，并且卸載后的信號(hào)與初始信號(hào)不一致。在6000με后變化已經(jīng)變得非常大。最終7200με時(shí)被拉壞。壓電陶瓷傳感器失效的形式是在橫截面上出現(xiàn)裂紋，進(jìn)劑采組分環(huán)氧樹脂膠。同時(shí)，失效模式與以下因素密切相關(guān)：(1)壓電元件的厚度；EricPZT性能的影響，同時(shí)還考慮不同粘接劑(MBond-200和雙組分環(huán)氧膠)Pitch-Catch模式的主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，Lamb波飛行時(shí)間窗口內(nèi)的信號(hào)幅阻抗信號(hào)、Lamb波信號(hào)以及傳感器自身應(yīng)變，對(duì)傳感器的應(yīng)變承受能力進(jìn)行了系統(tǒng)的Lamb波的激勵(lì)、接收和阻抗信號(hào)的測(cè)量。傳感器粘貼時(shí)共選擇35Lamb波號(hào)進(jìn)行時(shí)，頻率范圍是10KHz到10MHz?？刂圃嚰系膽?yīng)變，每間隔500με進(jìn)行一次。知道當(dāng)試件上的應(yīng)變達(dá)到4000με時(shí)4500με時(shí)鋁板將進(jìn)入塑形屈服階段。之后進(jìn)行卸載，載荷回復(fù)到初始狀態(tài)，進(jìn)行一次信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分Impedance(Ω) 4.1不同應(yīng)變下的阻抗曲線（9395-Fig.4.1Impedancesignalunderdifferentload（9395-形達(dá)到2000με之前，隨著載荷增加傳感器的阻抗信號(hào)并沒有發(fā)生很明顯的，只是阻抗信號(hào)幅值發(fā)生了改變，隨著載荷增加幅值在逐漸降低，信號(hào)整體向下偏移。圖4.2為250KHz800KHz內(nèi)傳感器的局部阻抗信號(hào)，對(duì)諧振頻率范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行分析，分372KHz598KHz，同時(shí)信號(hào)幅值也發(fā)生了降低。之后對(duì)試件進(jìn)行卸載，再次對(duì)傳感器的阻抗值進(jìn)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為阻抗信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)，Ih為膠層厚度為h時(shí)的信號(hào)幅值，I0Baseline信號(hào)2000μεRMSD2000μεRMSD0.52000με2500με后，RMSD2以上，說明在這力，定義阻抗值信號(hào)突變載荷εn，此處εn=2500με。卸載過程中，由于是通過位移控制，4RMSDRMSDof210 500100015002000250030003500400004.3不同載荷下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)RMSD(9395-Fig.4.3RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（9395-50μm4.4所示。鋁板變形4.525μm時(shí)的阻抗信號(hào)25μm50μm2000με增Impedance(Ω)Log102102102102105 105 1054.4不同應(yīng)變下的阻抗曲線（250KHz-800KHz）（9395-Fig.4.4Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（9395-4RMSDRMSDof210 500100015002000250030003500400004.5不同載荷下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)RMSD（9395-Fig.4.5RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（9395-75μm，傳感器的應(yīng)變承受能力又得到了提升，阻抗信號(hào)突變3000με4.62500με之前，阻抗信號(hào)隨載荷3000με之后，阻抗信號(hào)的諧振頻436.1KHz575.1KHz。卸載過后傳感器阻抗信號(hào)回復(fù)到初始狀態(tài)，諧振頻率恢復(fù)為436.1KHz，如圖4.64000με的高應(yīng)變載荷雖然使傳感器的性能Impedance(Ω)Log102102102102105 105 1054.6不同應(yīng)變下的阻抗曲線（250KHz-800KHz）（9395-Fig.4.6Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（9395-對(duì)當(dāng)前阻抗信號(hào)進(jìn)行變化指數(shù)分析，結(jié)果如圖4.7所示。當(dāng)鋁板變形由2500με增加到3000με時(shí)，阻抗信號(hào)變化指數(shù)由0.5迅速增加到2.5，說明傳感器的阻抗信號(hào)發(fā)生了4RMSDRMSDof210 500100015002000250030003500400004.7不同載荷下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)RMSD（9395-Fig.4.7RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（9395-100μm75μm時(shí)相同，如信號(hào)變化指數(shù)曲線與膠層厚度為75μm時(shí)的變化指數(shù)曲線基本一致，如圖4.9所示。Impedance(Ω)Log102102102102105 105 1054.8不同應(yīng)變下的阻抗曲線（250KHz-800KHz）（9395-Fig.4.8Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（9395-4RMSDRMSDof210 500100015002000250030003500400004.9不同載荷下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)RMSD（9395-Fig.4.9RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（9395-125μm時(shí)，在整個(gè)拉伸過程中傳感器阻抗信號(hào)都沒有發(fā)生很明顯的改度為75μm和100μm的傳感器在粘貼時(shí)可能出現(xiàn)問題，導(dǎo)致兩個(gè)傳感器的膠層厚度比較數(shù)增長(zhǎng)十分緩慢，當(dāng)載荷增加到4000με時(shí)變化指數(shù)RMSD0.5左右。Impedance(Ω)Log102102105 105 105Fig.4.10Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（9395-1RMSDofRMSDof0 500100015002000250030003500400004.11不同載荷下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)RMSD（9395-Fig.4.11RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（9395-RMSD0.5500με進(jìn)行一次測(cè)量，可能會(huì)導(dǎo)致4RMSDRMSDof

210 500100015002000250030003500400004.12不同膠層厚度下的阻抗信號(hào)損傷指數(shù)Fig.4.12RMSDofimpedancesignalwithdifferentadhesivelayerHysolEA阻抗102阻抗102102105 105 105 105頻率Fig.4.13Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（9396-25μm時(shí)，高應(yīng)變載荷并沒有對(duì)傳感器阻抗信號(hào)產(chǎn)生很大的影響，如RMSD3000με，阻抗信號(hào)變化指數(shù)RMSD只有1左右，在整個(gè)加載過程中RMSD2RMSDRMSDof10 4.14不同應(yīng)變下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)RMSD（250KHz-800KHz）（9396-Fig.4.14RMSDofimpedancesignal102102102Impedance(Ω)Log102Impedance(Ω)Log102102105 105 105 105Fig.4.15Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（9396-4.15RMSD變化指數(shù)隨膠層厚度增加而減小，說明膠層厚度越大傳感器應(yīng)變承受能力越強(qiáng)，如圖4.16所示?；笖?shù)RMSD值平緩增加，基本維持線性關(guān)系。這說應(yīng)變載荷并沒有使傳感器阻HysolEA9395環(huán)氧樹脂膠粘接下的傳感器阻抗信號(hào)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，HysolEA9396環(huán)氧樹脂膠具有更好的粘接性能和穩(wěn)定性。在整個(gè)加載過程1RMSDRMSDof0 4.16不同載荷下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)RMSD（250KHz-800KHz）（9396-Fig.4.16RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（9396-RMSDRMSDof10 圖 Fig.4.17RMSDofimpedancesignalwithdifferentadhesivelayerAraldite2000με抗信號(hào)回復(fù)到初始狀態(tài)，如圖4.18中天藍(lán)色曲線所示。Impedance(Ω)Log102102102105 105 105 105Fig.4.18Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-25μm）RMSDRMSDof10 500100015002000250030003500400004.19不同載荷下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)RMSD（250KHz-800KHz）（Araldite-Fig.4.19RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-4.19RMSD仍比較大，導(dǎo)致這Impedance(Ω)Log102102102105 105 105 105Fig.4.20Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-2RMSDRMSDof10 500100015002000250030003500400004.21不同載荷下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)RMSD（Araldite-Fig.4.21RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-2500με時(shí)，傳感器阻抗信號(hào)發(fā)生了非常明顯的變化，諧振頻率由407KHz增加到593.2KHz。卸Impedance(Ω)Log102102

4.22不同應(yīng)變下的阻抗曲線（250KHz-800KHz）（Araldite-Fig.4.22Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-2500με時(shí)，RMSD值迅速由0.5增加2RMSD值仍然很大，約為0.7左右，如圖4.23所示。4RMSDRMSDof210 500100015002000250030003500400004.23不同載荷下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)RMSD（250KHz-800KHz）（Araldite-Fig.4.23RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-100μm3000με3500με后，傳感器阻抗信號(hào)RMSD進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，卸載后的阻抗信號(hào)與加載前的阻抗信號(hào)之間仍存在比較大的區(qū)別，說應(yīng)變載荷對(duì)傳感器造成了一些不可逆的影響。102102Impedance(Ω)Log

Fig.4.24Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-4RMSDRMSDof210 500100015002000250030003500400004.25不同載荷下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)RMSD（Araldite-Fig.4.25RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-當(dāng)膠層厚度增加到125m時(shí)，4000的高應(yīng)變載荷已經(jīng)不能對(duì)傳感器阻抗信號(hào)造RMSDRMSD值基本沒有發(fā)生太大變化，如圖4.27所示。102102102Impedance(Ω)Log

Fig.4.26Impedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-125μm）RMSDRMSDof0 500100015002000250030003500400004.27不同載荷下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)RMSD（Araldite-Fig.4.27RMSDofimpedancesignalunderdifferentload（250KHz-800KHz）（Araldite-RMSD4.28所示。從中RMSD值越大（125μm的信號(hào)，未發(fā)生突變）3、卸載后阻抗信號(hào)變化指數(shù)仍很大，遠(yuǎn)超過了結(jié)構(gòu)等效變形帶來(lái)的影響。4RMSDRMSDof2100

5001000150020002500300035004000卸4.28不同膠層厚度下的阻抗信號(hào)變化指數(shù)Fig.4.28RMSDofimpedancesignalwithdifferentadhesivelayer與HysolEA9395環(huán)氧樹脂膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，卸載后的RMSD有了很明顯的增RMSD值差別的原因樹脂膠進(jìn)行室溫和長(zhǎng)時(shí)間放置后發(fā)現(xiàn)，Araldite環(huán)氧樹脂膠粘接性能，已經(jīng)出現(xiàn)脫粘的情況。所以在拉伸過程中，Araldite環(huán)氧樹脂膠會(huì)出現(xiàn)損壞，出現(xiàn)膠層的脫粘傳感器激勵(lì)和接收的Lamb波信號(hào)的穩(wěn)定性對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有至關(guān)重HysolEALambLamb波信號(hào)在時(shí)域和頻為時(shí)域內(nèi)的損傷指數(shù)，SDAS為頻域內(nèi)的損傷指數(shù)。由于載荷導(dǎo)致Lamb波的距離SDAS0SSET指數(shù)還殘留一部分，這是由于結(jié)構(gòu)有殘余塑性變形，導(dǎo)致時(shí)域內(nèi)的信號(hào)發(fā)生不可逆的變化。當(dāng)外載荷達(dá)到最大時(shí)，SDAS指SSSET指數(shù)都達(dá)到最大值，SSET1.5左右，SDAS0.2左右。 1DIofLambWave 1DIofLambWave4.29Lamb波損傷指數(shù)DI（9395-Fig.4.29DIofLambwavesignal（9395-50μmLamb波信號(hào)基本維持相同的變化趨勢(shì)，SSETSDAS4.30所示。與前面的DIDIofLambWave50010001500200025003000350040004.30Lamb波損傷指數(shù)DI（9395-Fig.4.30DIofLambwavesignal（9395-膠層厚度為75μmSSET基本與膠層厚度為50μm時(shí)的結(jié)果基4.31SDAS在減小。膠0.1DIDIofLambWave50010001500200025003000350040004.31Lamb波損傷指數(shù)DI（9395-Fig.4.31DIofLambwavesignal（9395-而頻域內(nèi)的損傷指數(shù)SDAS變化不大，如圖4.32所示。DIDIofLambWave50010001500200025003000350040004.32Lamb波損傷指數(shù)DI（9395-Fig.4.32DIofLambwavesignal（9395-與傳感器的阻抗信號(hào)變化指數(shù)對(duì)比，Lamb波損傷指數(shù)并沒有出現(xiàn)突變的情況，這HysolEADIDIofLambWave 4.33Lamb波損傷指數(shù)DI（9396-Fig.4.33DIofLambwavesignal（9396-25μm時(shí)，Lamb4.33所示。從圖中可以看出，頻域損傷指數(shù)SDSA比時(shí)域損傷指數(shù)SSET小很多，與前一組數(shù)據(jù)基本類似。相同厚度HysolEA9395SSETSDAS指數(shù)分別為1.20.2HysolEA9396SSET0.9同樣保持在0.2左右。DIDIofLambWave 4.34Lamb波損傷指數(shù)DI（9396-Fig.4.34DIofLambwavesignal（9396-75μm時(shí)，Lamb4.34所示。隨著鋁板變形2500μεSDASDIDIofLambWave 4.35LambDI（9395-100μm）Fig4.35DIofLambwavesignal（9396-100μm）頻域內(nèi)損傷指數(shù)SDAS0.2左右的水平，如圖4.33-4.35所示。25μm時(shí)，Lamb4.362500με時(shí)，時(shí)SSETSDAS0.450.2左右。之后DIDIofLambWave5001000150020002500300035004000卸圖4.36Lamb波損傷指數(shù)DI（Araldite-Fig.4.36DIofLambwavesignal（Araldite-50μm，Lamb波損傷指數(shù)最大值基本沒有變化，但是最大損傷指2500με2000με125μm時(shí)，最大損傷指數(shù)時(shí)的DIDIofLambWave50010001500200025003000350040004.37Lamb波損傷指數(shù)DI（Araldite-Fig.4.37DIofLambwavesignal（Araldite-DIDIofLambWave50010001500200025003000350040004.38Lamb波損傷指數(shù)DI（Araldite-Fig.4.38DIofLambwavesignal（Araldite-在4000με的高應(yīng)變環(huán)境下，傳感器沒有受到損壞。傳感器的阻抗值信號(hào)和小傳感器的阻抗信號(hào)和Lamb波信號(hào)都產(chǎn)生一定的改變。HysolEA93959396Araldite環(huán)氧樹脂膠Lamb波信號(hào)來(lái)看，高應(yīng)變載荷同樣對(duì)傳感器性能產(chǎn)生了影響。分別在時(shí)域和頻域內(nèi)對(duì)Lamb波信號(hào)進(jìn)行損傷分析后發(fā)現(xiàn)，由于拉伸載荷使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形、Lamb波速度發(fā)生改變，時(shí)域內(nèi)的損傷指數(shù)大于頻域內(nèi)損傷指數(shù)。同一種環(huán)氧樹脂Lamb0.2左右，膠層的厚度和彈性模量并Lamb波信號(hào)發(fā)現(xiàn)，膠層厚度的增加抗信號(hào)突變載荷隨膠層厚度增大；Lamb波信號(hào)損傷指數(shù)更小，可以提高傳感器損傷監(jiān)考慮到壓電陶瓷本身是一種脆性材料，其脆性斷裂是造成壓電陶瓷破壞的重要原根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)[35]20GPa40GPa，拉伸強(qiáng)度大約為50MPa左右，斷裂時(shí)變形為1000με左右。利用金屬圓環(huán)對(duì)傳感器施加預(yù)緊力，使傳5.1Fig.5.1 d要求略小用有限元ABAQUS，建立壓電傳感器和金屬圓環(huán)的有限元模型，使傳感器恰好可5.2Fig.5.2Metal置于圓環(huán)；5.1Table5.1Propertyofmetal密度2024-T3Q195銅5.15.3Fig.5.3FiniteelementmodelofthePZsorandmetal器上的最大應(yīng)變?yōu)?32.3με，在傳感器與金屬圓環(huán)接觸的邊緣位置。但是由于傳感器在5.5所示，由于不同金屬材料的熱膨脹系數(shù)不同，傳感器會(huì)產(chǎn)大程度的提高傳感器的應(yīng)變承受能力。當(dāng)金屬圓環(huán)的外徑增加到5.5mm Fig.5.4Resultof ysis(024-T3):(a)integral Fig.5.5StraininthecenterofPZsorwithdifferentmetal預(yù)應(yīng)力傳感器加厚度0.4mm，寬度0.5mm。對(duì)金屬圓環(huán)進(jìn)行升溫至120度后，將傳感器嵌套到金屬圓環(huán)內(nèi)，之后冷卻到室溫，使傳感器產(chǎn)生預(yù)緊力，試件加工流程如圖5.6所示。0.5mm寬的銅金屬圓環(huán)內(nèi)，使傳感器57.6MPa19.76MPa的應(yīng)力，可以使傳感器的應(yīng)變承受能力提高34%。5.6Fig.5.6PZsorwithmetal20243mm5.7所示。為了消除膠層氧樹脂膠進(jìn)行粘貼，相同的條件。之后在拉伸機(jī)上對(duì)試件進(jìn)行拉伸，通過鋁板的應(yīng)變控制載荷，每隔500με進(jìn)行一次傳感器阻抗值信號(hào)，掃頻區(qū)間為10KHz10MHz圖5.7拉伸試件Fig.5.7tensile卸Impedance(Ω)LogImpedance(Ω)Log102102105 105 105 1055.8Fig.5.8ImpedancesignalofthePZsorwithoutmetal2000με之前，傳感器的阻抗信號(hào)變化不是很明顯，只是信號(hào)2000με時(shí)，傳感器的阻抗信號(hào)發(fā)生了明顯的突變，如圖5.8中紅色曲線所示，說明2000με以上的應(yīng)變載荷使傳感器的阻抗性能發(fā)生了5.9所示，同樣只分析諧振頻率附近局部阻Impedance(Ω)LogImpedance(Ω)Log102

102105 105 105 1055.9Fig.5.9ImpedancesignalofthePZsorwithmetal兩個(gè)傳感器阻抗值信號(hào)變化指數(shù)如5.10所示，兩種傳感器的阻抗值信號(hào)隨載荷增器。原傳感器的阻抗值信號(hào)在2000με載荷時(shí)發(fā)生了明顯的改變，說明此時(shí)的載荷條件阻抗值變化指數(shù)增長(zhǎng)的非常緩慢。當(dāng)載荷達(dá)到4000με時(shí)，加環(huán)傳感器的阻抗值信號(hào)變化指數(shù)基本趨近于0。從阻抗值信號(hào)變化指數(shù)來(lái)看，通過施加預(yù)緊力使該指數(shù)降低了82%。從阻抗值信號(hào)突變臨界載荷來(lái)看，由原先的2000με至少提高到了4000με，傳感2RMSDRMSDof

10 500100015002000250030003500400005.10Fig.5.10RMSDoftheimpedance小率的數(shù)學(xué)計(jì)算公式。同時(shí)，結(jié)合數(shù)學(xué)和有限元ABAQUS，展開了壓電傳感器應(yīng)變承受能力測(cè)試技術(shù)研究，利用傳感器的阻抗信號(hào)和Lamb波信號(hào)對(duì)傳感器的性能進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加膠層厚度、減小膠層楊氏Lamb波頻域內(nèi)的損傷指數(shù)，提高監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性；膠層楊氏模量對(duì)頻域內(nèi)的LambSohnH,FarrarCR.Damagediagnosisusingtimeseries ysisofvibrationsignals[J].SmartMaterialsandStructures.2001,10(3):446-451.KiremidjianAS,StraserEG,MengT,etal.Structuraldamagemonitoringforcivilstructures[J].ProceedingsofStructuralHealthMonitoring:CurrentStatusands.1997:492-501..大型橋梁健康監(jiān)測(cè)概念與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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.蘇通大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工程與工程振動(dòng).2009,29(4):歐進(jìn)萍,周智,,等.黑龍江呼蘭河大橋的光纖光柵智能監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].土木工程學(xué)報(bào).2004,37(1):45-49..先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)2007,24(11-袁慎芳,,,等.大型飛機(jī)的發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的需求與[J].航空制造技術(shù)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李東升,,任亮,等.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的傳感器布置方法及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[J].力學(xué)進(jìn)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