[发明专利]一种用于超声导波结构健康监测的叠层压电相控阵传感器

权利要求书

1.一种用于超声导波结构健康监测的叠层压电相控阵传感器，其特征在于，包括外框和固定框，所述固定框内固定有中间激励阵元和若干个接收阵元，若干个接收阵元构成两个大小不同的环形阵列，两个环形阵列以中间激励阵元为中心由内到外依次排布；

所述中间激励阵元为d33型压电叠层激励元件，所述d33型压电叠层激励元件由上而下依次包括背衬层、叠层压电片以及透声层，所述叠层压电片由n层PZT压电陶瓷片堆叠而成，n层PZT压电陶瓷片通过铜电极串联连接；

所述接收阵元为d33型压电单层传感元件，所述d33型压电单层传感元件由上而下依次包括背衬层、单层压电片以及透声层，所述单层压电片为一层PZT压电陶瓷片。

2.根据权利要求1所述的一种用于超声导波结构健康监测的叠层压电相控阵传感器，其特征在于，计算所述叠层压电相控阵传感器的激励主频率包括以下步骤：

强迫振动下的半解析有限元控制方程为：

其中，K1，K2，K3为总体刚度矩阵，M为总体质量矩阵，i为虚数单位，ξ是波数，ω为角频率，U为位移，是由传感器激励出的施加于结构上的外载荷；

F_s1(z,ω)＝-2isin(ξL) (3)

其中，F_s1为传感器激发载荷，z代表外载荷为z方向，L为传感器直径；

通过求解公式(1)，求得d33型压电叠层激励元件在不同激励频率下的不同导波模态的波数ξ和位移U；

接收阵元d33型压电单层传感元件的m阶模态电信号幅值为：

其中，U_m为m阶模态的位移，d₃₃为压电常数，C_c为接收阵元电容，S₃₃为压电材料弹性常数，α_m为m阶模态幅值因子，ξ_m为m阶模态的波数，h为结构厚度，x为传播距离；

通过计算出来的不同频率下不同模态的电信号幅值，画出模态幅值随频率变化的曲线，选择最高的模态幅值所对应的激励主频率。

3.根据权利要求2所述的一种用于超声导波结构健康监测的叠层压电相控阵传感器，其特征在于，确定压电叠层激励元件的最优叠层数量n：利用有限元软件Abaqus进行分析，建立板结构模型和d33型压电叠层激励元件模型，采用隐式动力学分析步求解出不同叠层数量下板结构中所激励的能量曲线，根据激励主频率对应的能量曲线选取能量峰值时叠层的数量，作为所述压电叠层激励元件的最优叠层数量n。

4.根据权利要求1所述的一种用于超声导波结构健康监测的叠层压电相控阵传感器，其特征在于，将所述传感器放置于大型工程结构，施加均匀的压力，中间的压电叠层激励元件施加汉宁窗调制的周期性正弦波信号，从而在结构中激发超声导波，若超声导波信号遇到损伤会发生反射，压电单层传感元件接收到反射的超声导波信号，利用相控阵算法判定损伤位置。