[发明专利]一种压电陶瓷传感器与基体结构相容性分析方法

说明书

技术领域

本发明提供一种压电陶瓷传感器与基体结构相容性分析方法，属于结构健康监控技术领域。

背景技术

结构健康监控技术是一种智能的结构检测方式，通过传感器网络在结构中的集成，可在线实时获取与结构健康状况相关的信息，对结构健康状态进行识别，从而发现结构损伤，并评估结构剩余寿命，目前在航空航天等武器装备中得到广泛应用。结构健康监控领域目前技术成熟度较高的有压电、光纤和智能涂层等传感技术，其中，基于兰姆(Lamb)波的压电技术可对简单板梁结构的损伤进行监测。压电陶瓷传感器主要是通过自身的压电效应，激励和接收导波信号，并通过信号处理技术实现对结构损伤监测。

结构健康监测中为了实现对航空结构的监测和诊断，监测系统中使用的压电陶瓷传感器需要粘贴于基体或者买入复合材料结构中。传感器同基体结构集成后，由于传感器材料同结构材料的性能差异，如力学性能、热性能等多种差异，常常会对结构性能或传感器原有性能造成相互影响。如压电陶瓷传感器粘贴于基体结构时，由于压电材料的机械性能与基体材料通常不匹配，而且粘贴层与基体材料及压电材料之间一般也难以完全匹配，因此常常会在粘贴部位产生应力集中，导致压电元件或基体材料在承载时发生失效破坏。此外，传感器成为了结构的一部分后，同样经受着相似或同样的环境条件，这些环境条件可能包括振动、机械载荷、温度和化学介质等。此外，为了在今后航空结构服役的几年甚至数十年内实现良好而可靠的监测，需保证传感器表现出一致而可靠的传感性能。

为了保证集成在结构中的先进传感器/驱动元件网络能够实现对结构状态的监控功能，传感器同基体结构集成后必须满足：不降低原有材料结构的性能；不降低功能元件自身的性能；整体能够实现结构健康监控功能。传感器和基体相容性研究是利用静态应变试验、弯曲疲劳试验和温度加速试验等方法，研究连接工艺、传感器与基体之间相互影响，为合理选择传感器类型，优化连接工艺提供依据。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，即目前对压电陶瓷传感器与基体结构的相容性分析尚无统一、完善的方法，提供了一种压电陶瓷传感器与基体结构相容性分析方法，即一种利用静态应变试验、弯曲疲劳试验和温度加速试验来分析连接工艺、传感器与基体之间相互影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

结构健康监测中为了实现对航空结构的监测和诊断，监测系统中使用的压电陶瓷传感器需要粘贴于基体上，本发明一种压电陶瓷传感器与基体结构相容性分析方法，它是通过静态应变试验、弯曲疲劳试验和温度加速试验三个方面来获得压电陶瓷传感器的尺寸、基体结构的厚度、胶黏剂的种类和胶层的厚度之间的相互影响，达到优化压电陶瓷传感器与基体结构连接工艺的目的；

本发明一种压电陶瓷传感器与基体结构相容性分析方法，其实施步骤如下：

一、静态应变试验，包括以下步骤：

步骤1.1：准备试验件；

步骤1.2：铝合金薄板上布贴压电陶瓷传感器；

步骤1.3：压电陶瓷传感器的激励信号的确定；

步骤1.4：在试验条件为常温情况下，将已粘贴好压电陶瓷传感器的试验件，安装在材料力学性能试验机上，通过调整试验件在力学性能试验机上的夹持位置来使试验件受力均匀；然后，将压电陶瓷传感器连接至信号产生和接收系统；在材料力学性能试验机加载前，分别采集每对压电陶瓷传感器的初始信号，同时设定力学性能试验机的加载参数，包括加载速率、加载应力、最大应力等；

步骤1.5：通过设定不同加载应变来观察压电陶瓷传感器的性能随着应变加载循环次数增加而发生的变化；其中，本试验方法设定循环加载应变分别为：100、500、1000、1500、2000、2500、3000微应变；其中，上述微应变可根据相关需求进行改变；然后，在进行适当的循环次数后，停止试验，实时记录不同微应变和循环次数下每对压电陶瓷传感器的兰姆(Lamb)波信号，如此反复记录不同循环次数下压电陶瓷传感器的兰姆(Lamb)波信号；