压电晶体传感器激励模型及其在结构健康监测中的应用

在结构健康监测系统中,基于应力波的结构损伤诊断技术是一种主动的局部损伤检测方法.压电晶体传感器作为激励部件可以在结构中引入高频应力波;其同裂纹等局部损伤发生相互作用将产生波动的能量耗散、波形反射以及波形干涉等现象.通过对附着在无约束金属板上的压电晶体传感器(PZT)激励模型的理论分析及有限元数值计算,说明PZT能有效地产生检测应力波,并可将其应用在结构局部损伤检测中.     

基于Peakvue技术的滚动轴承故障诊断

滚动轴承作为旋转机械的关键部件,其运行状态决定设备以及整个系统的性能.滚动轴承出现故障时会产生高频的应力波信号,而Peakvue技术能够有效的检测应力波,运用一种基于Peakvue技术的滚动轴承故障诊断方法.该方法采用加速度传感器采集滚动轴承振动信号,利用高通滤波器滤除加速度传感器输出信号中不必要的低频部分,按照一定的时间间隔对高频信号和应力波信号进行峰值提取,并对提取的峰值信号进行包络检波处理分析故障类型.应用西储大学轴承数据集进行验证,结果表明该方法能准确有效地检测出滚动轴承的故障类型.     

基于CRIO和无线传输的结构损伤主动监测系统设计

飞机结构损伤监测技术是确保其结构完整性、可靠性和安全性的关键技术。为了实现飞机大面积曲面结构的主动损伤监测，利用柔韧性良好的0-3型压电涂层复合材料和Lamb波传播距离远及对细微缺陷的高敏感性，基于CRIO(Compact RIO)平台和LabVIEW环境设计了结构损伤监测的软硬件系统。系统由激励探头、压电涂层传感器阵列、CRIO数据采集平台、WiFi无线传输网络、监测中心上位机及软件等部分组成，研制的压电涂层传感器能够较好地贴合于机翼等曲面结构，应用CRIO技术实现了测试设备的可重复配置与快速测试，无线数据传输能够克服大量传感器布置带来的布线复杂问题。将该系统应用于曲面铝板损伤监测模拟实验，验证了该系统测试信号的有效性和损伤定位结果的准确性。     

一种采用压电复合音叉的电流传感器研究

针对当前非接触电流测量方式存在的灵敏度低、结构复杂等问题,本文提出了一种采用压电复合音叉的电流传感器用于非接触低频微弱电流测量,其结构由永磁体、弹性音叉、压电片及底座组成.当该传感器处于电线周围交变磁场中时,永磁体在磁场作用下产生扭矩并驱动弹性音叉臂及压电片产生形变;因压电效应,形变的压电片两端电极之间输出交变电压信号,从而实现电流的测量.由于磁扭矩效应,这种传感器具有较高的谐振灵敏度,大约是压电悬臂梁式电流传感器的4.0倍;在负载电阻为10 MΩ、频率为41.7 Hz时,灵敏度可达1.393 V/A,线性度约为0.57%.这种压电复合音叉式电流传感器模型还可以应用于微弱振动、磁场信号探测等.     

基于声发射和神经网络的复合材料冲击定位

为了提高复合材料结构冲击定位的精度和实时性,基于声发射和神经网络技术,提出了复合材料结构冲击定位两步法,以压电陶瓷（PZT）和自制信号采集系统替代商用声发射仪器,实现了一种能够高精度、实时、在线监测冲击的系统。用小波变换求出原点处冲击源传播到各传感器的波达时间差,用这组时间差修正其他位置上的冲击源到达各传感器的波达时间,利用修正后的波达时间,根据四点圆弧定位算法得到冲击源坐标,实现初步定位;将所求出的位置坐标作为神经网络的输入,训练之后的神经网络可以准确预测冲击位置,实现精确定位。在复合材料板上的试验表明：该方法能快速、准确地识别出冲击位置。     

利用Msc.dytran优化高冲击压电式加速度传感器设计

为优化压电式加速度传感器设计,提高其量程,用瞬态动力学仿真软件Msc.dytran对中心压缩型压电式加速度传感器在导弹碰靶过程中的加速度和动态应力进行模拟仿真。结果表明：对于结构一定的传感器,压电片厚度存在一个最佳值,可以通过仿真选择较好的材料组合（如,基座选铝、压电材料选石英）来减小透射到压电片中的应力波强度,以提高传感器的量程。     

基于压电阻抗技术的结构初始裂纹监测研究

针对工程结构早期裂纹损伤,提出了利用压电阻抗法检测损伤区域高频局部动力学特性,通过监测局部动力学特性变化实现对早期损伤监测的方法。建立了压电阻抗有限元仿真模型并进行数值分析,结果显示压电导纳信号峰值频率即为结构某阶谐振频率,压电阻抗法能有效检测结构的动力学特性。针对不同大小裂纹的铝梁结构进行压电导纳仿真和试验研究,仿真和试验结果表明:压电材料的导纳峰值频率随着裂纹损伤增大而减小;同样的损伤程度下,高频谐振频率对损伤更为敏感。利用高频谐振频率变化来监测早期裂纹损伤的产生及发展,具有较好的重复性和信噪比,具有重要的应用前景。     

小波阈值消噪在管道漏点检测定位中的应用

为了提取管道漏声信号中的有用成分,消除和减弱环境干扰噪声,使定位结果更加准确,使用CA - YD - 103压电传感器和HS801五合一虚拟综合测试仪进行实验,采集铸钢管道漏声振动信号,分析其时域波形和频率特征,确定了信号的频率分布.由于小波变换具有“变焦距”的性质,适合处理非平稳信号,选用小波阈值去噪算法,对信号进行滤波去噪,并与ⅡR滤波效果对比.实验结果表明,选用小波阈值消噪能有效滤除高频干扰,保留中低频中的有用信号,漏声振动信号波形更加清晰,消嗓效果明显优于傅里叶算法.该方法为管道漏点具体定位奠定了基础,具有一定的实用意义与应用价值.     

OPCM AE传感器特性的理论仿真与实验研究

基于均匀场和细观力学理论,对应用于结构损伤声发射(AE)检测的1-1型压电复合材料(OPCM)AE传感器,建立了它的等效力电模型,在此基础上,推出了其等效力、电参数,通过这些参数的对比,发现OPCM具有明显的正交异性的特性;同时,应用有限元仿真计算,得到了在x和z两方向上传感器受到单向应力波荷载作用时,电极面输出的电压存在明显差异;所设计的实验表明:OPCM能够区分出不同方向的应力波,并对特殊方向上的应力波具有强烈的响应,再次证实了OPCM传感器的正交异性特性。     

基于椭圆定位与核密度估计算法的石墨烯/环氧树脂薄膜损伤检测

石墨烯/环氧树脂复合薄膜作为纳米复合薄膜材料,在气体检测、应变检测、保护图涂层和吸波涂层等领域具有广泛的应用。而复合薄膜在制备过程中可能会产生缺陷,将影响复合薄膜的性能。因此,快速、准确地检测并定位复合薄膜内部的损伤具有重要意义。提出了一种引入核密度估计算法的超声兰姆(Lamb)波损伤检测、定位系统装置,该系统由柔性损伤检测单元和缺陷位置显示单元组成,其中损伤检测单元由32对检测电极阵列和4个压电陶瓷(PZT)激励源构成;基于飞行时间测量,通过提取Lamb波损伤散射信号与激励信号到达各电极对的时间差,结合椭圆定位与核密度估计算法,利用上位机实现了薄膜内部多损伤检测定位及损伤的云图显示。同时,优化了损伤位置的定位算法,结果表明,改进的二维核密度估计算法提升了损伤定位的精度,其位置偏差优于8%。     

基于稀疏导波的裂纹定位和尺寸评估

材料在使用过程中,受各种因素的影响,会不可避免地产生诸多损伤,破坏材料结构完整性的同时,也具有一定的安全隐患;在无损检测中,尤其是导波检测领域,由于缺乏高效方法对材料结构中存在的损伤进行尺寸检测,因此使用导波方法对材料进行微裂缝等损伤的检测的过程中仍然存在很多困难;对一种基于稀疏导波的损伤检测方法进行了研究,可以在进行结构损伤定位的同时对损伤尺寸进行测量;研究表明,使用导波进行损伤检测时,由损伤而产生的复杂反射波中包括很多与损伤形状和尺寸相关的信息,但是这些信息并不明显,且信号重叠无法区分;因此,提出一种稀疏lamb波方法来分解由材料损伤产生的反射信号的各个分量;在此基础上,通过确定各个反射信号分量相应的传播时间来计算材料损伤尺寸;最后,在具有人工损伤的铝板上进行实验验证,结果表明,基于稀疏导波损伤检测的方法是可行的。     

Wave propagation in delaminated beam

The wave propagation model investigated herein is based on the known fact that material discontinuities affect the propagation of elastic waves in solids. The change in certain material characteristics, such as a local change in stiffness or inertia caused by a crack or the presence of material damage, will affect the propagation of transmitted elastic waves and will modify the received signal. Wave frequencies associated with the highest detection sensitivity depend, among other things, on the type of structure, the type of material, and the type of damage. This paper presents a method of wave propagation, which can be further used to detect small delaminations in beam-like structures. The considered beam is modelled by spectral finite elements.     

基于声表面波实现数字微流体的产生

数字微流体的产生是压电材料为基片的微流控芯片进行微流分析的前提,报道了在压电基片上应用声表面波技术产生数字微流体的方法.在128°旋转Y切割X传播方向的LiNbO3基片上集成PDMS微通道,在微通道出口一侧为经疏水处理的铝薄片,注射泵产生恒定流量的微流体经PDMS微通道到达铝薄片并聚集,当聚集的微流体体积足够大时,微流体克服表面张力作用下滑到达压电基片,并在中心频率为27.7 MHz叉指换能器激发的声表面波作用下输运,实现微流体的数字化.同时,理论分析了微流体在铝薄片表面上受力状况,并以水为实验对象,进行微流体数字化实验.结果表明,声表面波作用下能精确产生微升量级数字微流体,为压电微流控芯片提供了一种新的微流体引入方法.     

Investigations on excitation and detection methods for Lamb wave sensors

Due to a high potential sensitivity, Lamb wave acoustic sensors have been studied for biochemical applications. Usually, Lamb waves are generated and detected using piezoelectric transducers. This technology involves bilayers structures and causes some problem of induced strain and temperature compensation. In this paper, we have investigated optical and electrostatic excitation methods. The optical excitation of Lamb waves is studied, and the main limitations of such an excitation method are pointed out. Theoretical as well as experimental studies are reported on electrostatic excitation of Lamb waves, and it is shown that this technique can be suitable for biosensors.     

Structural damage identification for thin plates using smart piezoelectric transducers

An impedance-based structural damage identification method for thin plates is presented in this paper using piezoelectric ceramic (PZT) transducers. The local damages are characterized by introducing a damage parameter in each finite element. A two-dimensional electromechanical impedance model is proposed to predict the electric admittance of the PZT transducer bonded to the plates. The general equations for generating structural dynamic stiffness from normal modes are formulated based on finite element analysis. The first-order perturbation method is introduced to obtain the electric admittance change on PZT transducers due to damage. A damage identification scheme for solving nonlinear optimization problem is proposed to locate and quantify the damage by matching the numerical and experimental electric admittance change on PZT transducers. The proposed technique is verified through numerically simulated damage identification tests.     

圆柱壳弹性波超材料分级排列的带隙拓宽方法研究

圆柱壳弹性波超材料的弯曲波带隙拓宽问题限制其满足实际工程中的宽频隔振要求,针对该问题,本文首先研究了基于局域共振机理的圆柱壳弹性波超材料弯曲波带隙特点,研究局域谐振器质量和弹簧劲度系数的关系,然后将周期分级排列的组合方式应用于圆柱壳类弹性波超材料的带隙拓宽中,并利用有限元法进行能带结构和振动传输特性计算.研究结果显示：该方法可实现弯曲波带隙的拓宽;利用组合法构建的轴向周期分级排列圆柱壳弹性波超材料可实现705-1226Hz频率范围内弯曲波的高效衰减,带隙拓宽至分别为单一谐振器的2.55倍,这表明该方法在宽频减振方面具有明显优势,应用前景广阔.     

新型压电式车削测力仪的研究

通过分析压电式车削测力仪的基本结构及其数学模型和频率特性,设计了一种外型近似一把车刀的车削测力仪,利用有限元法对测力仪进行了静力学分析,优化了测力仪的结构尺寸,使测力仪的固有频率和灵敏度达到较为理想的状态,在此基础上,组建了压电测力系统,进行动/静态标定,取得了比较理想的结果,满足实际工程应用和测试研究的要求。     

压电换能器瞬态接收特性的有限元模拟研究

接收信号在压电换能器压电层中的多次反射及波形转换对超声检测的灵敏度和分辨率有重要影响,如何优化阻尼结构与材料参数是提高压电换能器接收性能的关键之一。本文用ANSYS有限元软件中的力-电耦合瞬态模拟方法,研究了压电直探头中阻尼结构的几何尺寸及声阻抗对其瞬态响应的影响,得到了压电换能器中不同时刻的弹性波场、电场分布以及输出电压响应曲线,揭示了换能器瞬态响应产生的多次反射波对其检测灵敏度和分辨率的影响。研究结果表明：通过改进的阻尼结构与材料参数对消减接收信号的多次反射,缩短余振时间具有明显的作用,也可以大大降低换能器的研发周期和成本。     

Topology optimization for transient wave propagation problems in one dimension

Structures exhibiting band gap properties, i.e., having frequency ranges for which the structure attenuates propagating waves, have applications in damping of acoustic and elastic wave propagation and in optical communication. A topology optimization method for synthesis of such structures, employing a time domain formulation, is developed. The method is extended to synthesis of pulse converting structures with possible applications in optical communication.