項(xiàng)目報(bào)告-高應(yīng)變研究

研究目的和意 傳感器預(yù)壓應(yīng)力施加技術(shù)研 預(yù)應(yīng)力施加技術(shù)方 預(yù)緊圓環(huán)研究與設(shè) 預(yù)應(yīng)力傳感器加 小 結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)傳感器安裝技術(shù)研 應(yīng)變傳遞研 應(yīng)變傳遞理論模 應(yīng)變傳遞影響因素分 結(jié)構(gòu)、膠層、傳感器應(yīng)變傳遞理論模型驗(yàn)證實(shí) 不同楊氏模量膠層、膠層厚度對(duì)壓電傳感器激勵(lì)/接收信號(hào)的影 理論模型研 試驗(yàn)設(shè) 膠層對(duì)信號(hào)幅值的影 膠層對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影 小 結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)傳感器安裝方 小 傳感器應(yīng)變承受能力測(cè)試技 傳感器應(yīng)變承受能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)平 傳感器應(yīng)變承受能力實(shí)驗(yàn)結(jié) 傳感器應(yīng)變承受能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果分 小 適用于結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)域的新型傳感器封裝技術(shù)結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)技 引 高應(yīng)變區(qū)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方 結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方 傳感器分區(qū)布置策 傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方 本章小 壓電傳感器新材料研 背景介 壓電陶 壓電效 無(wú)鉛壓電陶瓷的分 鈮酸鉀鈉（KNN）無(wú)鉛壓電陶瓷及力學(xué)性能研 水熱法鈮酸鉀、鈮酸鈉粉 鈮酸鉀鈉（KNN）無(wú)鉛壓電陶瓷的壓電性 鈮酸鉀鈉（KNN）無(wú)鉛壓電陶瓷的力學(xué)性能研 通過(guò)特殊的燒結(jié)工藝提高陶瓷強(qiáng) 結(jié) 參考文 器結(jié)構(gòu)的性能或破壞。無(wú)論是金屬還是復(fù)合材料的飛行器結(jié)構(gòu)，損傷通常發(fā)生在不易觀察的隱藏部位給檢測(cè)帶來(lái)特別是著飛行器結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化[1]損傷模式更雜多樣，且不易從表面觀察到。如果這些損傷在產(chǎn)生的初期不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就可能導(dǎo)致突發(fā)性破壞。通過(guò)使用以永久安裝在結(jié)構(gòu)上的傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(Struturlhlthmonitoring,S)低成本的性創(chuàng)新技術(shù)[2]波音公司在多個(gè)機(jī)型(包括oing787)上探索SM在結(jié)構(gòu)微SM、0、、0等型號(hào)上實(shí)現(xiàn)[3]。飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一個(gè)關(guān)鍵因素是先進(jìn)傳感技術(shù)及其系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)包括光纖傳感、壓電傳感、電磁傳感、無(wú)線(xiàn)傳感系統(tǒng)、ES[4,5]-331800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[6]。Pror等[7](2004比較了不同類(lèi)型傳感器()在航天器上應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)。壓電傳感器由于其靈敏度高控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單且能同時(shí)用作主動(dòng)與監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)(如基于振動(dòng)法[8]、基于波法[9]和基于阻抗法[10])，從而被廣泛采用?；诓ǚǖ拇硇缘墓ぷ魇撬固垢４髮W(xué)研發(fā)的壓電智能夾層傳感器網(wǎng)絡(luò)[11,12]，目前已在飛行器上進(jìn)行了超聲導(dǎo)波健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的驗(yàn)證。NASALangley中心目前正在研究基模態(tài)聲波，同時(shí)也在研究基于自然界仿生的傳感器連接方式使數(shù)據(jù)獲取硬件最小化，并提NASALangley中心Learjet25機(jī)身結(jié)構(gòu)和C-17機(jī)和載荷變化影響，在飛行環(huán)境下應(yīng)用SHM的可靠性還有待提高[1415]。Lim等[16](2011)為了提高Kernel的主元分析技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，并在機(jī)身和機(jī)翼連接結(jié)構(gòu)處的螺栓松動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。Annamdas和Radhika[10](2013)綜述了基于阻抗的SHM技術(shù)在金屬和非金屬結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展。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)在航空航天工業(yè)上進(jìn)SHM性耐久性和診斷結(jié)果的可靠性提出了嚴(yán)峻飛機(jī)服役環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣對(duì)壓電傳感器的選擇、設(shè)計(jì)和操作以適應(yīng)這種獨(dú)特的環(huán)境提出了嚴(yán)峻。用于航空航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的壓電傳感器一般包括壓電陶瓷傳感器(又分為單晶和多晶兩種類(lèi)型)、高分子壓電傳感器(如聚乙烯聚合物，PVDF)和復(fù)合壓電傳感器(PVDFPZT復(fù)合)。這一類(lèi)壓電傳感器一般都要經(jīng)通過(guò)使用以永久安裝在結(jié)構(gòu)上的傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(Structuralhealthmonitoring,SHM)是確保飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)性、確定結(jié)構(gòu)完整性和耐久性、提高服役安全性和降低成本的性創(chuàng)新技術(shù)[2]。然而航空航天器結(jié)構(gòu)不僅要承受復(fù)雜、長(zhǎng)時(shí)間的疲勞載荷、不論是單獨(dú)還是同時(shí)作用，均可導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)的性能或破壞。采用理論分析數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法首先從傳感器層次上采用實(shí)驗(yàn)，通過(guò)施加預(yù)壓應(yīng)力、傳感器封裝方式和新材料三個(gè)角度來(lái)提高其高應(yīng)變承受能力；然后從傳感Lmb波點(diǎn)通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)優(yōu)化方法來(lái)提高傳感器網(wǎng)絡(luò)在高應(yīng)變區(qū)的存活能力?？紤]到壓電陶瓷本身就是一種脆性材料，其脆性是造成壓電陶瓷破壞的重要原因，但壓電傳感器完成安裝后，其自身的壓縮應(yīng)力會(huì)抵消結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器施加的部分拉伸應(yīng)力，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)對(duì)壓電傳感器施加的總拉伸應(yīng)力變小，達(dá)到提高傳感器承受高應(yīng)變承載能力的目的。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)[1718]常規(guī)壓電陶瓷的彈性模量約為20GPa40GPa拉伸強(qiáng)度大約為50MPa壓電晶片的直徑Dht12圖1120然后逐漸降低溫度箱中的溫度至室溫25℃，則由于空心圓環(huán)的冷卻收縮效應(yīng)使得空?qǐng)D2根據(jù)預(yù)應(yīng)力施加方案，利用圓環(huán)在溫度降低之后的收縮變形，為傳感器提供在粘貼之前的表1彈性模量（GPa）2.32E-8.8E-1.12E-銅1.76E-比較穩(wěn)定的金屬進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算和對(duì)比，所選擇的材料以及材料屬性如表1所示。利用有限元軟件QS建立如圖3所示的有限元模型，其中傳感器半徑4mm，厚度0.45mm5mm給傳感器和金屬圓環(huán)施加不同溫度初始條件，計(jì)算分析傳感器上的應(yīng)變分布情況，對(duì)比不同材料帶來(lái)的預(yù)緊力，從而選擇最優(yōu)的材料。圖3 圖T3（a）2024-T34所示。傳感器上的最632.35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)生不同的454.4變承受能力。當(dāng)金屬圓環(huán)的外徑增加到5.5mm時(shí)，傳感器中心部位的應(yīng)變減小到382.6，金圖5金屬圓環(huán)施加120度的初始溫度，之后降低到室溫25度，此時(shí)金屬圓環(huán)的尺寸就可以作為加工時(shí)的尺寸。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果顯示，金屬溫度降低將產(chǎn)生7m的徑向收縮變形，因此金屬環(huán)在加工時(shí)，內(nèi)徑需要比傳感器尺寸小7m，從而產(chǎn)生預(yù)期的預(yù)緊到室溫，使傳感器產(chǎn)生預(yù)緊力，加工好的試件如圖6所示。圖6就產(chǎn)生19.76MPa的收縮應(yīng)力，296.5的收縮變形。根據(jù)文獻(xiàn)[18]57.6Mpa19.76MPa34%緊力越大為后續(xù)傳感器的加工提供指導(dǎo)最終根據(jù)預(yù)應(yīng)力施加方案以及有限元分析的25%以上。要是針對(duì)傳感器對(duì)Lamb波信號(hào)的激勵(lì)和接收，并且建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型[2]。EdwardF.Crawley等人[19]建立了傳感器、有限厚度的膠層和基底結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，主要用來(lái)分析傳感器激勵(lì)信號(hào)時(shí)，應(yīng)變的傳遞過(guò)程。VictorGiurgiutiu等人[20]進(jìn)行了類(lèi)似的工作，建立剪力滯后理論膠層上的剪應(yīng)要分布在邊緣位置MaziarMoradi[21]利用相同的方法對(duì)MEMS壓電傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般如圖7所示，傳感器通過(guò)膠粘劑永久粘貼到監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)上。傳感器與基底結(jié)構(gòu)粘接的問(wèn)題都是三維實(shí)體問(wèn)題，但此類(lèi)問(wèn)題很難進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)分析，所以通過(guò)一這樣在確保數(shù)值分析可行的同時(shí)，也保證了足夠的準(zhǔn)確性。圖78所示的單元體進(jìn)行分析，在外載荷的作用下，基底結(jié)構(gòu)受到的拉應(yīng)力為b[21]（1）（2）（3）（4）（5）（6）圖8數(shù)值分析以及建模過(guò)程中涉及到的符號(hào)以及取值在表2表2符 含 取 傳感器半 傳感器厚 傳感器彈性模 膠層厚 膠層彈性模 基底結(jié)構(gòu)彈性模 以基體結(jié)構(gòu)和PZT傳感器只產(chǎn)生水平位移ub和up，根據(jù)彈性力學(xué)連續(xù)性假設(shè)和位移與應(yīng)變之間的關(guān)系，可以得到則基體結(jié)構(gòu)和PZT傳感器的應(yīng)變分別為[19]dub

dup,up

Bernoulli-Eulerdp

0,dbb

其中，α與應(yīng)變的分布情況有關(guān)，此處為均勻拉伸，2pEpp,

Ebb,

Ga

由于pba，所以將式子（3）帶入式子（2）EdpGaupua H Ha d Gu

a

a

對(duì)上面的式子進(jìn)行求導(dǎo)，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處，pd31V/hpd31為壓電材料的壓電常數(shù)，由于我們只考慮水平方向的應(yīng)變，所以這里我們只需要考慮d31，即徑向伸縮式的傳感器。而基底結(jié)構(gòu)由于外載荷的作用，存在非零的應(yīng)變

pd31V/hp,bxl dV/h,

B （d31V,

B0,

()cosh 將四個(gè)待定系數(shù)代入式（8）后就可以到的傳感器上的應(yīng)變p和鋁板上的應(yīng)變b的表達(dá)式。GaEa(d31V)sinh

Gp cosh因 主要針對(duì)高應(yīng)變區(qū)域的應(yīng)變傳遞情況，所以由傳感器壓電性能產(chǎn)生的應(yīng)變與d31V

coshx coshl

()cosh

coef

1coshl 2中給定的數(shù)值，同時(shí)給定邊界條件19910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部位，這圖9基底結(jié)構(gòu)和傳感器上的應(yīng)變分布情 圖10傳感器徑向上的應(yīng)變傳遞系111111通過(guò)對(duì)應(yīng)變傳遞系數(shù)的分析，我們就可以得出影響應(yīng)變傳遞效率的主要因素。這樣我們就有限元模型，比較準(zhǔn)確的分析應(yīng)變的傳遞情況。因此，我們分別結(jié)合與ABAQUS表3尺寸 彈性模量 SAS所示。部區(qū)域的有限元模型，如圖12所示。條件，鋁板左端面約束X方向位移，鋁板一個(gè)側(cè)面約束Y方向位移，底面約束Z方向位移，同時(shí)在基底結(jié)構(gòu)鋁板X(qián)X方向位移場(chǎng)。（C3D80.5mm40196。圖12圖13ABAQUS327950000.6558力集中的情況，可能會(huì)導(dǎo)致膠層的開(kāi)裂或者是脫粘情況的發(fā)生。傳感器表面的應(yīng)變分布與理論LE11帶入公式13得到傳感器上的理論應(yīng)變分布情況ABAQUS計(jì)算結(jié)果對(duì)比從結(jié)果來(lái)看，0，與理論分析結(jié)果一致，如圖14所示。圖13圖14最終得到了應(yīng)變傳遞效率計(jì)算公式（14。軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，通過(guò)計(jì)算，ABAQUS計(jì)算得到的結(jié)果相對(duì)比。Chopra（2000）也進(jìn)行了類(lèi)似的探討，他們都從數(shù)值分析上得出了剪力滯后系數(shù)。剪力滯后效應(yīng)在結(jié)構(gòu)工程中是一個(gè)普遍存在的力學(xué)現(xiàn)象小至一個(gè)構(gòu)件大至一棟層建筑都會(huì)有Maziar等人對(duì)粘貼到結(jié)構(gòu)表面的微電子系統(tǒng)應(yīng)（MEMS）變傳感器的應(yīng)變傳遞情況進(jìn)行了2中的初始數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型。但是為了分析每個(gè)變量對(duì)應(yīng)變傳遞效率的影響，所以在分析時(shí)，每次只改變單一變量的取值范圍，以得到各個(gè)參數(shù)的。圖15ABAQUS0.02mm~0.2mmS作為當(dāng)前厚度膠層的應(yīng)變傳遞效率。同時(shí)利用前面的應(yīng)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15和圖16所示。 16不同膠層厚度時(shí)傳感器上的應(yīng)變分布（25m、50m、100m增加將導(dǎo)致應(yīng)變傳遞效率的降低，相同厚度時(shí)，ABAQUS計(jì)算的結(jié)果小于理論分析的結(jié)果。導(dǎo)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。圖17導(dǎo)致應(yīng)變傳遞效率的改變同樣利用ABAQUS和 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。相對(duì)于膠層厚度，膠層的彈性模量對(duì)應(yīng)變傳遞效率的影響更大，從計(jì)算結(jié)果圖17中可以看出， 還是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。18不同膠層彈性模量時(shí)傳感器上的應(yīng)變分布（2GPa、4GPa、從傳感器上的應(yīng)變分布云圖18圖19圖20不同傳感器厚度時(shí)傳感器上的應(yīng)變分布（0.4mm、0.6mm、遞系數(shù)的影響較大當(dāng)傳感器厚度為0.2mm無(wú)論是理論分析結(jié)果還是ABAQUS計(jì)算結(jié)果，應(yīng)變的傳遞系數(shù)都比較大，為0.6~0.7。當(dāng)傳感器的厚度增加到1mm后，應(yīng)變傳遞系數(shù)迅速降低到0.3~0.4。但根據(jù)ABAQUS計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)傳感器厚度達(dá)到0.6mm以后，應(yīng)變傳遞效率降加，有利于更充分的發(fā)揮傳感器承受高應(yīng)變能力的性能，如圖20所示。圖21圖22不同半徑時(shí)傳感器上的應(yīng)變分布（2mm、4mm、21看，此時(shí)應(yīng)變的傳遞效率約為0.7到0.8，最大能夠承受0.5%左右的應(yīng)變。而新型的納米壓電陶90MPa圖2324所示。所以為了充分發(fā)揮傳感器承受高應(yīng)變的能力，應(yīng)選擇較低彈性模量的材料，同時(shí)提高 圖24不同彈性模量時(shí)傳感器上的應(yīng)變分布（40GPa、60GPa、100GPaABAQUS和數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了分析在給定了一個(gè)初設(shè)的參數(shù)設(shè)置之后，0.6mm后應(yīng)變基本維持不變；4mm后基25所示[22]。圖25為電阻然后輸入專(zhuān)門(mén)的儀器表進(jìn)行分析電阻應(yīng)變計(jì)簡(jiǎn)稱(chēng)為應(yīng)變計(jì)或應(yīng)變片一般由敏感率和安裝應(yīng)變計(jì)處構(gòu)件的應(yīng)變a）1；b）1%；c）0~2104由于傳感器上的應(yīng)變值很小，所以需要較高的應(yīng)變測(cè)量精度，所以實(shí)驗(yàn)方案選擇應(yīng)變片和光纖傳感器同時(shí)進(jìn)量其中應(yīng)變片選擇的是黃巖測(cè)試儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的0-0.5AA型號(hào)品3mm*2.5mm。為了使傳感器承受高應(yīng)變的載荷環(huán)境，實(shí)驗(yàn)中選擇了如圖26所示的試件，總體尺寸為400mm*50mm，厚度3mm，材料為2024試件上表面等間隔布置6個(gè)傳感器間距為35mm，55個(gè)傳感器，高應(yīng)變區(qū)域上下表面的傳感器對(duì)稱(chēng)分布，在非高應(yīng)變區(qū)域布置一個(gè)傳感器，進(jìn)行Lamb波信號(hào)的激勵(lì)，同一側(cè)內(nèi)的其余傳感器進(jìn)行Lamb波信號(hào)的度進(jìn)行控制使高應(yīng)變區(qū)域的傳感器膠層厚度依次為25um50um75um100um和125um。33個(gè)試件。到不同應(yīng)變等級(jí)下應(yīng)變的傳遞情況，所以每隔500m進(jìn)行一次加載和，得到傳感器鋁板的應(yīng)變，以及傳感器的阻抗信號(hào)和Lamb圖2625m。之后在傳感器上焊接導(dǎo)線(xiàn)，用于Lamb271Lamb2~6號(hào)傳感器進(jìn)行信號(hào)的接收。同時(shí)在傳感器和鋁板5個(gè)傳感器同樣焊接導(dǎo)線(xiàn)，通過(guò)阻抗分析儀測(cè)試傳感器的阻抗信息。整體實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖28所示，包括拉伸機(jī)、應(yīng)變分析儀、阻抗分析儀、ScanGenie以及引伸計(jì)。 圖27粘接傳感器的試 圖28實(shí)驗(yàn)測(cè)試系圖29為傳感器上表面和鋁板應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，粘接劑為HysolEA9395。在試件拉伸過(guò)程中通過(guò)引伸計(jì)控制位移載荷，使鋁板上的應(yīng)變以500間隔增加，對(duì)傳感器上的應(yīng)變 量膠層厚度為75m呈現(xiàn)明顯錯(cuò)誤，所以沒(méi)有放入最終結(jié)果中進(jìn)行分析。膠層厚度為100

3000125m100m100m（圖中未畫(huà)出圖29不同膠層厚度時(shí)鋁板和傳感器上表面應(yīng)變圖30不同厚度時(shí)的應(yīng)變傳遞系數(shù)302500之前應(yīng)變傳遞系數(shù)基本保持不變，當(dāng)鋁板上的應(yīng)變達(dá)到3000時(shí)，應(yīng)變傳遞系數(shù)出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。當(dāng)膠層厚度為25m時(shí)，應(yīng)變的傳遞效率超過(guò)了90%，隨著膠層厚度的增加當(dāng)膠層厚度為125m應(yīng)變傳遞系數(shù)在0.6~0.7之間。圖31實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果對(duì)比HysolEA9396所示，其中膠層厚度為50m的傳感器在粘接過(guò)程中損壞，沒(méi)有粘貼應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。從圖32不同膠層厚度時(shí)鋁板和傳感器上表面應(yīng)變圖33不同厚度時(shí)的應(yīng)變傳遞系數(shù)HysolEA939633所示，從圖中可以看出，厚度一定小。而隨著膠層厚度的增加，應(yīng)變的傳遞效率變化比較明顯，當(dāng)膠層厚度增加到125

0.3271圖34不同膠層厚度時(shí)鋁板和傳感器上表面應(yīng)變（愛(ài)牢達(dá)341253000500125m的傳感器粘貼時(shí)可能出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致應(yīng)變的傳遞效率過(guò)低。35所示，6圖35不同厚度時(shí)的應(yīng)變傳遞系數(shù)（愛(ài)牢達(dá)3種環(huán)氧樹(shù)脂膠的應(yīng)變傳遞情況，我們可以發(fā)現(xiàn)隨著膠層厚度的增加，應(yīng)變的傳改變，有著比較明顯的變化。HysolEA9395環(huán)氧樹(shù)脂膠的應(yīng)變傳遞效率最高，有利于結(jié)構(gòu)應(yīng)變?yōu)榱朔治瞿z層彈性模量對(duì)應(yīng)變傳遞的影響，分別取三個(gè)試件上膠層厚度為25

圖36膠層彈性模量對(duì)應(yīng)變傳遞效率的影響（25m從圖36EA9390.9左右，愛(ài)牢達(dá)環(huán)氧樹(shù)脂膠的應(yīng)變傳達(dá)環(huán)氧樹(shù)脂膠由于四種膠層厚度控制時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)變傳遞效率十分接近，所以50m、m時(shí)應(yīng)變傳遞系數(shù)比較大。但是膠層厚度為125m時(shí)，三種膠層的應(yīng)變傳遞系數(shù)大小關(guān)系又25m時(shí)一致。根據(jù)3種膠給出的使用說(shuō)明，25°C時(shí)，HysolEA9395環(huán)氧樹(shù)脂膠后的剪切彈性模為1543MPaHysolEA9396環(huán)氧樹(shù)脂膠后的拉伸彈性模量為2750MPa泊松比按0.3處理，種環(huán)氧樹(shù)脂膠的彈性模量大小關(guān)系為9395>9396>愛(ài)牢達(dá)這與膠層厚度為25m和125m的圖37不同楊氏模量膠層、膠層厚度對(duì)壓電傳感器激勵(lì)/壓電傳感器和結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)態(tài)相互作用可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的一維模型來(lái)描述,38所示。個(gè)薄塊的一端是固定的,結(jié)傳感傳感圖38Zd2YE Yja(a31 dY

Za

31Y——電導(dǎo)納（逆阻抗Za——Zs——d31——在零應(yīng)力下的壓電耦合?！?1Ks/Km2jc Km2jc k2

EYY11E通常要乘以系數(shù)1EKsKb0,i.e.KbKs

頻率圖39阻抗與系數(shù)如圖39所示，當(dāng)KsKKbKbhs和剪切模量GsKb有顯著的影響.關(guān)于剪切滯后的影響，研究表明系數(shù)與Gs和hs

1Ks11Ks1C1

1spwpGs和C是常數(shù)。該式表明隨著站膠層厚度h的增加系數(shù)1sZshs模量Gs的減小系數(shù)試驗(yàn)中通過(guò)對(duì)比壓電傳感器粘接在結(jié)構(gòu)上的阻抗參數(shù)及激勵(lì)/Lamb波信號(hào)的幅值和穩(wěn)試驗(yàn)在一塊500mm500mm的2024鋁板上進(jìn)行。板上共粘接有21個(gè)壓電傳感器，傳感器A1150mm分為四組，每組膠層厚度從25m到125m依次遞增，每25m40和圖41表4名 APC尺寸 ?= ???????=密度 機(jī)電耦合系數(shù) 壓電電壓常數(shù)??33 24.8×壓電常數(shù)??33 400×相對(duì)介電常數(shù) 頻率常數(shù)????????. 彈性模量E 圖40不同楊氏模量的膠層及其厚度對(duì)壓電傳感器激勵(lì)/在壓電傳感器激勵(lì)/接收Lamb波信號(hào)的試驗(yàn)中使用Acellent公司的ScanGenie設(shè)備進(jìn)行信號(hào)的激勵(lì)和激勵(lì)信號(hào)為Hanning窗調(diào)制的5周期正弦脈沖掃頻范圍為50kHz-400kHz，25kHz12MHz25V。圖41不同楊氏模量的膠層及其厚度對(duì)壓電傳感器激勵(lì)/接收信號(hào)影響的試驗(yàn)（即電阻10k-1振動(dòng)模態(tài)的頻率。根據(jù)3種膠給出的使用說(shuō)明書(shū)，25°C時(shí)，HysolEA9395環(huán)氧樹(shù)脂膠后的剪切模量1543MPa，HysolEA9396環(huán)氧樹(shù)脂膠后的剪切模量約為1508.8MPa，愛(ài)牢達(dá)環(huán)氧樹(shù)脂膠0°C1200Mpa。DW-1膠的說(shuō)明書(shū)未給出其相應(yīng)的剪切模量，但文獻(xiàn)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，重復(fù)性在同樣試驗(yàn)條件下共Lamb波信號(hào)5次以下公式可用于計(jì)算信號(hào)差異指（DamageSSAS

AreaScatAreaBase

AreafhU(f

l lfl

fh表示由激勵(lì)信號(hào)決定的信號(hào)帶寬，而U*f42為膠層厚度25μm10k-19k時(shí)的不同模量膠層的阻抗圖，此時(shí)模量減小而系數(shù)隨之減小，從而阻抗減小，與理論中圖39的情況一致。膠層厚度愛(ài)牢愛(ài)牢ImpedanceImpedance 1 Frequency

x圖42膠層厚度25m圖43為膠層厚度25m200k-500k圖，圖中可以看出不同楊氏模量膠層所粘接傳感器的頻率不同，愛(ài)牢達(dá)、9396環(huán)氧膠頻率均在400kHz左右，9395環(huán)氧膠頻率在350kHz左右，DW-1的頻率在300kHz左膠層厚度愛(ài)牢愛(ài)牢Re(Z)Re(Z) Frequency

x圖43膠層厚度25μm/通用格/通用格

愛(ài)牢圖44不同膠層激勵(lì)/接收Lamb圖44為膠層厚度25m過(guò)Hilbert變換處理，最后得到結(jié)果與圖43所測(cè)得頻率情況較為一致，即在頻率處信4510k-19k時(shí)的不同膠層厚度的阻抗圖，可看出隨著膠層厚度增大而系數(shù)39的情況一致。ImpedanceImpedance Frequency

x圖45

圖46愛(ài)牢達(dá)作粘接劑時(shí)不同膠層厚度激勵(lì)/接收Lamb不同的膠層厚度下傳感器與結(jié)構(gòu)間耦合程度不同導(dǎo)致所測(cè)的傳感器頻率不同由試46可以看出隨著膠層厚度增加，Lamb400k逐漸后移至275k左右，與阻抗頻率的變化趨勢(shì)一致。1025m到125m傳感器頻率約由420k向后偏移至320k左右，相對(duì)應(yīng)傳感器的信號(hào)幅值見(jiàn)圖48，Lamb波度較大時(shí)，信號(hào)達(dá)到最大幅值的頻率減小，其中膠層厚度為100m時(shí)，頻率約為250kHz.Re(Z)Re(Z) Frequency

x圖479395///////通用格//

9395環(huán)氧50k100k150k200k250k300k350k

489395環(huán)氧膠作粘接劑時(shí)不同膠層厚度激勵(lì)/接收Lamb圖499396200k-500k1525m到125m依次遞增，傳感器頻率約由420k向后偏移至300k左右。相對(duì)應(yīng)傳感器的信號(hào)幅值見(jiàn)圖50，Lamb波信號(hào)達(dá)到最大幅值的頻率隨著膠層厚度增加而逐漸減小，其中膠層厚度為125m時(shí)，頻

Re(Z)Re(Z)

9396環(huán)氧 Frequency

x圖499396///通用格//////

9396環(huán)氧

509396環(huán)氧膠作粘接劑時(shí)不同膠層厚度激勵(lì)/接收Lamb51DW-1200k-500k頻率范圍內(nèi)所測(cè)得的阻抗實(shí)部圖，16-20號(hào)320kH而其他膠層厚度的傳感器頻率約為300kH相比于使用其他楊氏模量粘接劑的感器頻率的變化較小，可能是由于-1在常溫下的模量較小的緣故。相對(duì)應(yīng)傳感器的號(hào)幅值見(jiàn)圖52275kHz225kH。Re(Z)Re(Z) Frequency

x51DW-1///通用格////////通用格

DW-

圖52DW-1作粘接劑時(shí)不同膠層厚度激勵(lì)/接收Lamb同膠層厚度的Lamb波信號(hào)來(lái)說(shuō)，在頻率處，信號(hào)幅值達(dá)到最大。接下來(lái)通過(guò)試驗(yàn)不同楊氏模量膠層及其厚度對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的影響，從而在不影響監(jiān)測(cè)效率的情況下選擇不同楊氏模量膠層及膠層厚度。試驗(yàn)測(cè)試頻率范圍50kHz-400kHz，測(cè)試了4種楊氏模量膠層，5205Data01-Data05圖53給出了以Data01為參考信號(hào)，路徑為A12在掃頻50kHz-400kHz時(shí)各組數(shù)據(jù)SASS在0.1以上，甚至0.8SASS0.04以下說(shuō)明同樣條件下不同中心激勵(lì)頻率的信號(hào)穩(wěn)定性良好，且隨著中心激勵(lì)頻率增大SASS指數(shù)減小。此下面重點(diǎn)以300kHz為中心激勵(lì)頻率各路徑的信號(hào)圖54給出以Data01為參考信號(hào)，20條路徑在頻率300kHz時(shí)各組數(shù)據(jù)的信號(hào)差（DamageIndex-SASS由圖中可以看出SASS0.03水平以下，說(shuō)明同樣條件下不同路徑的信號(hào)穩(wěn)定性良好。因此不同楊氏模量膠層及厚300kHz時(shí)的信號(hào)產(chǎn)生顯著性影響。PathA1toDamageDamage0507510012515017520022525027530032535037553Data01為參考信號(hào)，路徑為A12DamageDamageA1toA1toA1A1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1toA1to54Data01300kHz總體來(lái)說(shuō)，使用楊氏模量越大粘接劑的傳感器所接收到的信號(hào)幅值更大一些，并且對(duì)于不同膠層厚度的Lmb波信號(hào)來(lái)說(shuō)，在頻處，信號(hào)幅值達(dá)到最大。從信號(hào)穩(wěn)定性方面來(lái)說(shuō)不同楊氏模量膠層及厚度并不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生顯著性影響。因此選擇粘接劑的楊氏模量越大的，所激勵(lì)中心頻率范圍越接近頻率，信號(hào)幅值越大，監(jiān)測(cè)效率越高。圖55高應(yīng)變區(qū)域傳感器的安裝方案基本如圖55圖56器之間的應(yīng)變傳遞理論模型，分析不同楊氏模量的環(huán)氧樹(shù)脂及其膠層厚度對(duì)應(yīng)變傳遞的影響，ABAQUS和數(shù)學(xué)分析軟件HysolEA9396Lamb波信Lamb波信號(hào)。檢查傳感器是否出現(xiàn)脫粘和斷裂的情況；二是利用壓電傳感器到的Lamb波信號(hào)對(duì)傳感器過(guò)程中，分別測(cè)量了不同應(yīng)變下傳感器所接收到的Lamb波信號(hào)和阻抗信號(hào)。將試件夾持到拉伸機(jī)后進(jìn)行一次信號(hào)，作為Baseline信號(hào)，之后通過(guò)引申計(jì)控制500

進(jìn)行一次知道當(dāng)試件上的應(yīng)變達(dá)到

m

到初始狀態(tài)，進(jìn)行一次信號(hào)，同樣在關(guān)閉拉伸機(jī)之后再進(jìn)行一次信號(hào)Lamb波激勵(lì)和接收時(shí)，采取掃頻的方式激勵(lì)Lamb50KHz400KHz，間隔25Khz。對(duì)阻抗信號(hào)進(jìn)行時(shí)，頻率范圍是10Khz到10MHz。接收Lamb波信號(hào)的傳感器HysolEA939557（b）2000453.7Kz673.6Kh再次對(duì)傳感器的阻抗值進(jìn)量從圖5（b可以看出卸載之后傳感器的阻值虛部在卸載之后又回復(fù)加載前的水平，兩條曲線(xiàn)基本重合。這說(shuō)明拉伸載荷并沒(méi)有使傳感器-膠層-582000后，傳感器的電阻值信號(hào)產(chǎn)生了比較明顯的變化，但是當(dāng)載 57不同載荷下傳感器的阻抗信號(hào)（9395-25m58拉伸前后傳感器的電阻值信號(hào)（9395-25mI(n)2I(n)2Ih0I0NNRMSD 其中N

為膠層厚度為h

為Baseline 之RMSD增長(zhǎng)的比較均勻鋁板上變形每增加500 RMSD增加0.2但是在2000到2500生了800的壓縮變形，但RMSD值來(lái)看，阻抗值信號(hào)基本恢復(fù)初始狀態(tài)，傳感器的性能沒(méi)有傳感器接收到的Lamb60所示，為了可以更清晰的對(duì)比不同載荷下LambHilbert變換，得到信號(hào)的包絡(luò)信號(hào)，并且對(duì)比第一個(gè)達(dá)到的波包的信61250059不同載荷下的阻抗值信號(hào)變化指數(shù)RMSD（9395- 60不同載荷下的Lamb波信號(hào)：（a）原始信號(hào)；（b）Hilbert變換后的信號(hào)（9395-m25002500改變了諧振頻率，而Lamb2500幅值開(kāi)始降低。根據(jù)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果，此時(shí)傳感器上表面61不同載荷下的Lamb信號(hào)幅值（9395-25m對(duì)Lamb信號(hào)進(jìn)行損傷指標(biāo)（DI）62所示，其中SSET為時(shí)域內(nèi)的損傷指SDASSSET二是高應(yīng)變環(huán)境下Lamb波的速度改變而SDAS則是Lamb波信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域內(nèi)的信號(hào)后進(jìn)行分析，避免上述因素帶來(lái)的影響。所以本文選擇SDAS值最為損傷指標(biāo)，進(jìn)行Lamb波的損對(duì)比傳感器的阻抗值信號(hào)和Lamb2500Lamb波信號(hào)損傷指數(shù)最大時(shí)的應(yīng)變作為一個(gè)臨界值，對(duì)比62不同載荷下的Lamb信號(hào)損傷指數(shù)（9395-25m當(dāng)膠層厚度為50m時(shí)，傳感器的阻抗值信號(hào)在3000時(shí)發(fā)生了比較大的改變，如圖63所示。與膠層厚度為25m的傳感器阻抗值信號(hào)相比，傳感器的應(yīng)變承受能力得到了提高。從64值僅為0.06。膠層厚度為25m時(shí)，Lamb波損傷指數(shù)最大值為0.25，同樣說(shuō)明傳感器的應(yīng)變承63不同載荷下的阻抗值信號(hào)變化指數(shù)RMSD（9395-50m64不同載荷下的Lamb信號(hào)損傷指數(shù)SDAS（9395-50m當(dāng)膠層厚度為1000m時(shí)，傳感器阻抗值信號(hào)同樣在鋁板變形為300時(shí)發(fā)生比較大的變65LambSDAS值來(lái)看，SDAS值最大僅為0.008，遠(yuǎn)小于膠層厚度為50m時(shí)的SDAS值，說(shuō)明傳感器的應(yīng)變承受能力65不同載荷下的阻抗值信號(hào)變化指數(shù)RMSD（9395-100m66不同載荷下的Lamb信號(hào)損傷指數(shù)SDAS（9395-100m125m4000以下傳感器阻抗值信號(hào)并沒(méi)有發(fā)生很明顯的改變，400025004000。67不同載荷下的阻抗值信號(hào)變化指數(shù)RMSD（9395-125m4000大，說(shuō)明傳感器承受高應(yīng)變的能力越來(lái)越強(qiáng)。當(dāng)膠層厚度達(dá)到125m時(shí)，傳感器阻抗值信號(hào)LambSDASHysolEA在對(duì)使用HysolEA9395環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行傳感器粘貼的試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，阻抗值的掃頻區(qū)間為100KHz到1MHz，但是由于拉伸機(jī)設(shè)備自身振動(dòng)的影響，低頻區(qū)域內(nèi)的信號(hào)出現(xiàn)比較大的波動(dòng)。所以在對(duì)使用HysolEA9395環(huán)氧樹(shù)脂膠進(jìn)行傳感器粘貼的試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，將頻率10KHz10MHz，關(guān)注高頻時(shí)的諧振頻率。的增加，RMSD值在均勻增加，沒(méi)有出現(xiàn)前阻抗值變化指數(shù)RMSD值突然增加的情況，說(shuō)明傳感器的性能比較穩(wěn)定，如圖69所示。68不同載荷下的阻抗值信號(hào)（9396-25m69不同載荷下的阻抗值信號(hào)變化指數(shù)RMSD（9396-25mLamb702500時(shí)2500時(shí)傳感器的壓電性能發(fā)生了改變，Lamb波發(fā)生了比較大的變化。70不同載荷下的Lamb信號(hào)損傷指數(shù)SDAS（9396-25m50m的傳感器的阻抗值信號(hào)同樣在均勻變化，信號(hào)變化指數(shù)沒(méi)有出現(xiàn)突然增加的情況，如圖71所示。與膠層厚度25m的傳感器的阻抗值信號(hào)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相同載荷下，膠層厚度50m的傳感器的信號(hào)變化指數(shù)更小，說(shuō)明載荷對(duì)傳感器性能的71不同載荷下的阻抗值信號(hào)變化指數(shù)RMSD（9396-50m72不同載荷下的阻抗值信號(hào)變化指數(shù)RMSD（9396-75m圖72為膠層厚度75m的傳感器阻抗值信號(hào)變化指隨著載荷增加，RMSD值也逐漸增加。相同載荷時(shí)，膠層越厚，RMSD值越小。Lamb73所示，我們發(fā)現(xiàn)阻抗值變化指數(shù)曲線(xiàn)基本與25m時(shí)的一致，同樣在2500加載到3000的過(guò)程中，SDAS73不同載荷下的Lamb信號(hào)損傷指數(shù)SDAS（9396-75m74不同載荷下的阻抗值信號(hào)變化指數(shù)RMSD（9396-100m7525003000的過(guò)程中出現(xiàn)減小的情況，SDAS小于膠層厚度100m傳感器的SDAS值75不同載荷下的Lamb信號(hào)損傷指數(shù)SDAS（9396-100m76不同載荷下的阻抗值信號(hào)變化指數(shù)RMSD（9396-125m125m76所示。RMSD74中100m的傳感器阻抗值信號(hào)相比，信號(hào)變化指數(shù)仍然偏大。7725m2000出現(xiàn)了比77不同載荷下的阻抗值信號(hào)變化指數(shù)RMSD（愛(ài)牢達(dá)-25mLamb波信號(hào)的傳感器中前三個(gè)的膠層厚度十分接感器的Lamb波損傷指數(shù)相差不大，如圖78所示。（a）75m30003500過(guò)程中發(fā)生明顯的變125m時(shí)，Lamb波信號(hào)損傷變化趨勢(shì)沒(méi)有改變，但幅值都隨著厚度的增加而減小，如圖79和圖8079同載荷下的阻抗值信號(hào)變化指數(shù)RMSD（愛(ài)牢達(dá)-75m80同載荷下的阻抗值信號(hào)變化指數(shù)RMSD（愛(ài)牢達(dá)-125m81不同載荷下的Lamb信號(hào)損傷指數(shù)SDAS（愛(ài)牢達(dá)-125mLamb波信號(hào)，我們得到了每種環(huán)氧樹(shù)脂在不同厚度時(shí)的阻抗值信號(hào)變化指數(shù)和Lamb指數(shù)和Lamb波損傷指數(shù)，我們可以得到傳感器應(yīng)變承受能力與膠層彈性模量和厚度的關(guān)系。在4000LambEA939525m2500，當(dāng)膠層厚125m4000LambHysolEA9396和25m30000.20.1；圖82膠層厚度對(duì)Lamb波信號(hào)對(duì)壓電傳感器高應(yīng)變承受能力進(jìn)行了表征，并且對(duì)比了不同膠層厚度和膠層彈性模量對(duì)傳感器高應(yīng)變承受能力的影響。針對(duì)不同彈性模量的環(huán)氧樹(shù)脂膠及膠層厚度下，傳感器對(duì)高應(yīng)變載荷環(huán)境的承受能力進(jìn)行了分析。4000的高應(yīng)變環(huán)境下沒(méi)有損壞，能夠承受高應(yīng)變載荷。收到的Lamb信號(hào)同樣出現(xiàn)變化。傳感器的監(jiān)測(cè)能力在高應(yīng)變環(huán)境下會(huì)受到不同程度的影響。Lamb波信號(hào)發(fā)現(xiàn)，膠層厚度的增加會(huì)提高不會(huì)產(chǎn)生很大的變化；Lamb波信號(hào)損傷指數(shù)更小，提高傳感器損傷監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率。網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域。因此針對(duì)高應(yīng)變區(qū)，以在避開(kāi)可能造成傳感器損傷的區(qū)域的前提下覆蓋對(duì)象，以使傳感器網(wǎng)絡(luò)在避開(kāi)可能造成傳感器損傷的區(qū)域的前提下達(dá)到預(yù)期覆蓋率為優(yōu)化元布置區(qū)域模塊和傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊。利用本章傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)技術(shù)可以在保證高應(yīng)變區(qū)傳感器的前提下滿(mǎn)足傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)效率的要求。后根據(jù)檢測(cè)算法確定傳感器的布置形式并利用高應(yīng)變區(qū)信號(hào)試驗(yàn)確定傳感器單元的覆蓋范95%，在施降低傳感器失效的。在傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊中利用傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[1]與高圖83（第二強(qiáng)度理論）狀態(tài)，只要最大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變1達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限值，就要發(fā)生脆性斷裂破壞。1

3)[高的位置采用傳遞效率較低的膠層（采用模量較高的膠層或提高厚度）并提高該位置的冗Pitch-Catch信號(hào)模式的損傷指數(shù)診斷方法；根據(jù)檢測(cè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)形式確定傳感器Pitch-Catch信號(hào)路徑有效范圍的輪廓是橢圓，其焦點(diǎn)為激發(fā)傳感器和接收傳感器。在傳1所示： (P)

l

path(i

lpath(iiPlP點(diǎn)再le為路徑的有效波程范圍。式(20)表示如果點(diǎn)P在有效波程le圍成的范圍0個(gè)邊和對(duì)角線(xiàn)為信號(hào)路徑，具體設(shè)置形式如圖84所示。信號(hào)路徑3-信號(hào)路徑1-信號(hào)路徑3-信號(hào)路徑1-2#傳感 3#傳感圖8421所示：MM

Cpath(i

Cpath(i

(P)

P1

Cpath(i)(P)

CnetworkA

A為監(jiān)測(cè)區(qū)域的面積，K為像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，M為路徑總數(shù)，M=6+(n-2)×5+6×5+(n-×4×7，、、針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)檢出概率的優(yōu)化方法一般有兩種設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的方法：覆蓋區(qū)中著物影響傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠承受結(jié)構(gòu)合攏、裝夾以及反復(fù)加載等一系列過(guò)程成，求最優(yōu)的傳感器個(gè)數(shù)n，使目標(biāo)函數(shù)最大，即：，、、

Cnetwork 2n 傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算流程如圖85

圖8595%n+1作為結(jié)果，否則在每條陣本章針對(duì)高應(yīng)變區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)問(wèn)題提出了相應(yīng)的布設(shè)方案。本章結(jié)構(gòu)高應(yīng)變優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊。利用本章傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)技術(shù)結(jié)合高應(yīng)變區(qū)信號(hào)試驗(yàn)和膠層傳遞效率試驗(yàn)可以在保證高應(yīng)變區(qū)傳感器的前提下滿(mǎn)足傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)效率的要求。性能同樣不容忽視，力學(xué)性能的好壞嚴(yán)重影響著其服役效果和服役。（PZT濾一些波形我們可以把壓電陶瓷當(dāng)成一個(gè)濾波器這種濾波器廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和當(dāng)中；壓電效應(yīng)最先是被居里兄弟Pierreurie和qusurie在電氣石的研究中發(fā)現(xiàn)。此后，BaTiO3BaTiO3（鈦酸鋇）BaTiO3（a（1- （b（1- （c（1- (A=Ba、Ca；B=Zr、一些環(huán)境下就無(wú)法得到應(yīng)用，使用起來(lái)很不方便；2）BaTiO3無(wú)鉛壓電陶瓷只有在較高的3）通過(guò)摻雜改性，BaTiO3無(wú)鉛壓電陶瓷的壓電性能Bi0.5Na0.5TiO3i0.5N0.5iO（鈦酸鉍鈉320i0.5N0.5iO（鈦酸鉍鈉i0.5N0.5iO（鈦酸鉍鈉xABO3（A=BixANbO3（A=KxTiO3（A=的提高，同時(shí)，我們還可以通過(guò)其它的形式對(duì)它進(jìn)行改性，主要有以下幾個(gè)方面：1）在使Bi0.5Na0.5TiO3（鈦酸鉍鈉）無(wú)鉛壓電陶瓷的燒結(jié)性能得到改善；2）在Bi0.5Na0.5TiO3（鈦鉍層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷最早被Aurivllius所發(fā)現(xiàn)，鉍層狀結(jié)構(gòu)化合物的化學(xué)通式為：(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)2鉍層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷是由鈣鈦礦層(Bi2O2)2+和(Am-1BmO3m+1)2-ABi3+、Pb2+、Na+、Sr2+、K+、Ba2+、Ca2+和稀Cr3+6的離子或由組成的復(fù)合離子。于溫度較高等一些環(huán)境下?？梢詫G層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷分為以下幾種：]MBi2Nb2O9基無(wú)鉛壓電陶瓷（M=Sr、Ca；N=Nb、Bi4TiO12同時(shí)不同的工藝也會(huì)對(duì)鉍層狀結(jié)構(gòu)無(wú)鉛壓電陶瓷性能產(chǎn)生較大的影響。因此，除了應(yīng)用一些傳統(tǒng)的方法之外，還可以采取一些其它的工藝，例如可以為了降低陶瓷的燒結(jié)溫度10C方向共角相連。另一類(lèi)為斜方晶系的鎢青銅型結(jié)構(gòu)，可視為沿四方單胞的對(duì)角線(xiàn)進(jìn)一步畸變而215(SrxBa1-x)Nb206(Axsr1-x)NaNb5O15基無(wú)鉛壓電陶瓷；(A=Ba、Ca、Mg等Ba2AgNb5O15ABO3型化合物。1949年Mattiasmm2的NaNbO3NaNbO3基無(wú)鉛壓電陶瓷在室溫下是類(lèi)鈣鈦礦NaNbO3介電常數(shù)和 (1-x)NaNbO3-xA (A=Ba，Ca，Sr或它們組成的復(fù)合離子 ，，界矚目的陶瓷材料研究領(lǐng)域的課題。，（PZT70%如果在使用和廢棄過(guò)程中處理不當(dāng)極易造成環(huán)境污染以及危害人類(lèi)健康因此從環(huán)境要考慮它的力學(xué)性能、壓電性能同時(shí)也要顧及它對(duì)環(huán)境的影響。，鈮酸鉀鈉（KNN）無(wú)鉛壓電陶瓷及力學(xué)性能研水熱法鈮酸鉀、鈮酸鈉粉BaTiO3基無(wú)鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鈉基無(wú)鉛壓電陶瓷（BNTKNN的壓電性能主要組成與結(jié)構(gòu)及性能都受粉體性能的直接影響，因此粉體 對(duì)陶瓷的性能起到十分關(guān)鍵的表6高中中展開(kāi)中/優(yōu)良良中中良良良良（1（2（3）相反應(yīng)法、溶膠凝膠法，共沉淀法、水熱法等。具體比較詳見(jiàn)表6。水熱法的壓電陶瓷粉體有如下特點(diǎn)：(1)粉體晶粒物相和形貌受水熱反應(yīng)條件影響，Y.SaitoKOH、NaOH、Nb2O5Nb2O5KOH、200℃保溫24h，成陶瓷粉體，結(jié)構(gòu)較致密，有較高的壓電性能，壓電常數(shù)d33為94pC/NTakafumiMaedatKNbO3NaNbO3粉體混合后進(jìn)行水熱反應(yīng)，得到理想的壓電傳感器，26.9KHZVousden以水熱法合成NaNbO3Nomura等以Na8[Nb6O9]?13H2O為原料以NaOH為礦化劑了NaNbO3Santos等用水熱法合成了單相正交晶系的NaNbO3KNN的研究，并取得了初步進(jìn)展。水熱法的超細(xì)粉體具有高純超細(xì)流動(dòng)性好粒徑分布窄顆粒團(tuán)聚程度輕等特點(diǎn)。陶瓷，具體的流程如圖86所示。圖86流K/(K+Na)0.5時(shí)，得到的粉體物相結(jié)構(gòu)只K：Na1:1210oC24小時(shí)，最終通過(guò)改變KOH溶液濃度最終得到不含雜質(zhì)的粉體，并且對(duì)得到的粉體進(jìn)行XRD衍射圖譜，SEM測(cè)試。反應(yīng)的進(jìn)行，Na+K+K+離子的反應(yīng)占主導(dǎo)地位，同時(shí)又少量Na+離子固溶，形成富鉀的(K，Na)NbO3固溶體。 87（1）24NaNbO3粉體(2)24KNbO3多面體，且可以看出粉體的顆粒由多個(gè)晶粒生長(zhǎng)而成，符合鈮酸鉀結(jié)構(gòu)的形貌特征。圖 NaNbO3粉體的XRD圖89KNbO3XRD88NaNbO3XRD圖譜，從圖中可以看出，圖中給出了2角20o-95o區(qū)間的發(fā)大圖，當(dāng)235o-40o101220峰出現(xiàn)雜峰，但峰值較小，說(shuō)明2角4o-57o范圍的三個(gè)衍射峰上觀察到，其中NaNbO3粉體為四方相，但還沒(méi)有達(dá)到正交-MPB89KNbO3XRD圖譜，從圖中可以看出，圖中給出了220o-95o區(qū)間的發(fā)大圖，當(dāng)2角在35o-40o時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)雜峰，說(shuō)明反應(yīng)良好，當(dāng)244o-57o46o左右的衍射峰常被用來(lái)說(shuō)明相結(jié)構(gòu)狀態(tài)，純KNbO3粉體為四方相，但還沒(méi)有達(dá)到正交-四方兩相共存的MPB結(jié)構(gòu)。鈮酸鉀鈉（KNN）通過(guò)對(duì)的陶瓷進(jìn)行介電性能和壓電性能的測(cè)量，得到圖90，可以看出陶瓷具有明顯的介電和壓電性能，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，壓電常數(shù)d33120pc/n左右，在同類(lèi)產(chǎn) 圖90鈮酸鉀鈉（KNN）納米級(jí)粉體提高壓電陶瓷強(qiáng)陶瓷材料在通常情況下呈脆性,脆性敏感性強(qiáng)這是陶瓷材料的致命弱點(diǎn)然而由納米粒子成的納米陶瓷卻有良好的韌性KNiihara使納米陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度韌性得到顯著提高。眾多研究結(jié)果表明,IO0nm時(shí),溫度往往高于基質(zhì)，將納米顆粒包裹在基質(zhì)晶粒內(nèi)部，形成/0結(jié)構(gòu)，基質(zhì)晶粒間的晶界A12O3SICSEM觀察裂紋擴(kuò)展情況后，2（4）(5)曾發(fā)現(xiàn)A12O3一SIC復(fù)合陶瓷中3.5%一5.0%的SIC獲得的增韌效果最佳。這是因?yàn)榫?nèi)粒子大納米顆粒熔化時(shí)所須的內(nèi)能較小使其急劇下降一般由納米級(jí)粉末燒結(jié)加工的材料，3oC/min1080oC1小時(shí)來(lái)保證最終燒結(jié)出的陶瓷的致密性，致密性越好，晶圖91（a）燒結(jié)成型的陶瓷（b）Lamb波信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果和有限元分析結(jié)果基本在對(duì)膠層應(yīng)變傳遞進(jìn)行分析之后，利用傳感器阻抗值信號(hào)和LmbLmb4000Lamb波信號(hào)的變化增加。選擇較低彈性模量的膠層和較大的膠層厚度可以使者兩個(gè)25%以上，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展結(jié)構(gòu)高應(yīng)變區(qū)傳感器安裝及優(yōu)化布設(shè)方法。 杜善義先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天,"復(fù)合材料學(xué)報(bào)vol24pp1-12,[2]邱雷吳鍵等.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),2009,22:6卿新林,王奕首,and趙琳,"結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)及其在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用,"實(shí)驗(yàn)力學(xué)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.張.任.男,"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,"力學(xué)進(jìn)展,vol.pp.39-50,R.AandC.C.E.S.,"Reviewofguidedwavestructuralhealthmonitoring,"TheShockandVibrationDigest,vol.2,p.23,2007.A.V.G.MandRadhikaMA,"Electromechanical