压电应变测量技术及其仪器系统的研发与应用

从航空航天等领域利用压电智能结构进行健康监控的工程背景出发，研发压电应变测量实验技术与集成仪器系统，为基于结构的实际应变从力学角度去揭示结构损伤的本质，实现结构损伤的在线监控提供测量数据。同时，作为该系统的应用，基于实测的压电应变深入研究压电智能结构冲击荷载及损伤的识别技术，为实现结构损伤的在线健康监测提供技术基础。研究目标是：.（1）基于多块PVDF压电薄膜在不同电极方向组合的原理，研制一种具有传统电阻应变片形式的PVDF压电应变片及集成仪器系统，实现压电结构单轴应变的测量 。.（2）基于测量压电应变实现压电智能结构冲击荷载谱的反演,并寻求冲击荷载谱、冲击能量与结构损伤的关系，提出依据冲击荷载谱或冲击能量间接评估压电智能结构损伤的方法。.（3）基于测量压电应变研究压电应变谱的特征向量与结构物理损伤的关系，寻求反映材料内部损伤的压电应变特性，对结构损伤的存在和程度进行评估。

本项目从航空航天结构健康监控的工程背景出发,着重研发压电应变测量实验技术与集成仪器系统，实现压电智能结构单轴动态应变的测量。另一方面， 基于实测的压电动态应变对压电智能结构的冲击荷载及损伤识别技术进行了比较系统深入的研究，具有较重要的学术意义和工程应用价值。 . （1．1）基于多块PVDF压电薄膜在不同电极方向组合的原理，研制了一种具有传统电阻应变片形式的PVDF应变片，实现了压电结构单轴动态应变的测量。 提出了PVDF应变片灵敏系数的测定方法、与PVDF应变片相粘的基体材料的表面处理方法 、应变片与基体材料相粘或预埋的布设工艺和应变片粘贴后的防护方法。研究了PVDF应变片的工作特性、PVDF应变片的疲劳和脱粘失效机理及其控制方法。. （1.2）研制了一种采用PVDF应变片测量单轴动态应变的增益控制电路。提出了多路测量控制器、同步发生器、电荷放大器、信号发生器、非线性校正电路的设计或选型方法。研究了采用PVDF应变片动态测量时压电结构的激励方式、动态应变的标定方法。研究了结构主应变的确定方法和应变测量系统误差的估计方法。研究了压电动态应变信号的采集、存储及数据处理方法。开发了一套软硬件齐全的压电应变测量集成仪器系统。. （1.3）建立了压电层合结构的动力学方程。研究了基于实测压电应变响应的结构动态载荷识别问题。基于对层合板智能结构的模态分析，推导出结构测点的应变模态矩阵。研究了由结构的压电应变模态响应反演压电智能结构冲击荷载（位置和时间历程）的有限元逆分析算法 。 . （1.4）研究了压电层合智能结构的冲击力学性能。从材料的本构关系给出了冲击荷载谱、冲击能量与结构损伤的对应关系。以冲击荷载谱或冲击能量为特征参数，并联系结构的力学设计准则，提出了一种间接评估压电智能结构损伤的方法。 . （1.5）针对压电层合板智能结构脱粘、裂缝等损伤，研究了两种诊断和评估损伤的方法。一种方法是，研究压电应变谱的特征向量（模态频率、振幅等）与结构物理损伤的关系，提出了以压电应变谱的特征向量为参数的损伤因子用于评估压电层合板智能结构的损伤。另一种方法是，基于实测压电应变响应，提出一种有限元逆分析算法，通过计算结构的逻辑损伤变量（损伤弹性模量等）来评估结构的损伤位置和程度。