[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

说明书

本发明提出了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，包括外框和固定框，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环形阵列，以中间激励阵元为中心由内到外依次排布；中间激励阵元为d33型压电叠层激励元件，包括由n层PZT压电陶瓷片堆叠而成叠层压电片，接收阵元为d33型压电单层传感元件；采用半解析有限元方法求解传感器的激励主频率，采用有限元的方法计算最优的叠层数量n。本发明利用串联的叠层压电激励阵元作为大能量激励元，利用环形阵列接收达到导波能量聚焦，并通过优化叠层压电激励阵元达到传递到结构中能量最大化，从而进行大厚度和高衰减的大型工程结构中的损伤诊断。

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术领域，具体涉及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。

背景技术

大型工程结构(如飞机机身结构、港机斜拉杆结构、高铁转向架结构)在服役过程中经常会受到各种各样外部环境的挑战，如高低温、冲击载荷、疲劳载荷等。长期严苛的服役环境会使结构先产生微小损伤，微小损伤随着服役时间推移会逐步扩展，最终可能导致结构失效。因此，对大型工程结构健康监测尤为重要。超声导波的损伤诊断方法具有反应快速、损伤敏感以及价格低廉的优势，逐步发展成为结构健康监测领域的重要技术之一。

但是大型工程结构厚度通常为厘米级，且导波在结构中的传播会发生衰减现象。这就要求工程结构诊断时采用的传感器能够激发高能量导波，以保证接收传感器能够接收到损伤反射回来的导波信号，以此才能实现结构的损伤识别与诊断。因此亟需要发明一种高能量的超声导波激励接收传感器，然而目前所报道的超声导波传感器都采用单层压电片进行激励，这对大厚度和高衰减的结构来说激励能量是远远不够的。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供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，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现发明目的，采用以下技术方案：

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，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。

进一步地，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：