一种压电陶瓷传感器与基体结构相容性分析方法与流程

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。

技术实现要素：

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；

步骤1.6：试验结束后，对压电陶瓷传感器的采集信号进行处理。针对压电陶瓷传感器接收的兰姆(Lamb)波信号进行窄带滤波，从滤波后的信号中得到A₀的幅值(见图2)；然后，依次设定循环加载应变分别为：100、500、1000、1500、2000、2500和3000微应变条件下不同循环次数的压电陶瓷传感器的Lamb波信号的A₀的幅值，最终得到不同微应变条件下压电陶瓷传感器的性能随加载循环次数的性能退化曲线；通过对比两种不同厚度的铝合金薄板、两种厚度的压电陶瓷传感器和两种不同粘接强度的环氧树脂胶黏剂的试验件中压电陶瓷传感器的性能变化曲线，得出静态应变试验条件下薄板的厚度、传感器的尺寸和胶黏剂的种类对压电陶瓷传感器性能的影响；最终，选取出最优压电陶瓷传感器与连接工艺组合；

其中，在步骤1.3中所述的“压电陶瓷传感器的激励信号的确定”，其作法如下：为了尽量减少压电陶瓷传感器接收的Lamb波信号中有干扰的S0模式的波包，根据Lamb波在铝合金板中传播的频散曲线，本试验过程选取激励信号每个激励脉冲的周期数为3.5个周期，中心频率140KHz；

二、弯曲疲劳试验，包括以下步骤：

步骤2.1：准备试验件；

步骤2.2：铝合金薄板上布贴压电陶瓷传感器；

步骤2.3：压电陶瓷传感器的激励信号的确定；

步骤2.4：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，安装在弯曲疲劳试验机上，通过调整试验件在弯曲疲劳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；在弯曲疲劳试验机加载前，分别采集每对压电陶瓷传感器的初始信号，同时设定弯曲疲劳试验机的加载参数，包括应力比、最大应力、加载频率、加载波形等；

步骤2.5：通过设定不同加载位移和频率来观察压电陶瓷传感器的性能随着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位移分别为：1mm、3mm、5mm的正弦波形(如图4)，加载频率为3Hz；其中，上述位移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，实时记录不同位移和循环次数下每对压电陶瓷传感器的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Lamb波信号；

步骤2.6：试验结束后，对压电陶瓷传感器的采集信号进行处理；针对压电陶瓷传感器接收的Lamb波信号进行窄带滤波，从滤波后的信号中得到A₀的幅值(见图2)；然后，依次设定循环加载位移分别为：1mm、3mm、5mm条件下不同循环次数的压电陶瓷传感器的Lamb波信号的A₀的幅值，最终得到不同微应变条件下压电陶瓷传感器的性能随加载循环次数的性能退化曲线；通过对比两种不同厚度的铝合金薄板、两种厚度的压电陶瓷传感器和两种不同粘接强度的环氧树脂胶黏剂的试验件中压电陶瓷传感器的性能变化曲线，得出弯曲疲劳试验条件下薄板的厚度、压电陶瓷传感器的尺寸和胶黏剂的种类对压电陶瓷传感器性能的影响。最终，选取出最优压电陶瓷传感器与连接工艺组合；

其中，在步骤2.3中所述的“压电陶瓷传感器的激励信号的确定”，与步骤1.3中所述的“压电陶瓷传感器的激励信号的确定”相同；

三、温度加速试验，包括以下步骤：

步骤3.1：试验准备步骤与步骤1.1一致；

步骤3.2：铝合金薄板上布贴压电陶瓷传感器；

步骤3.3：压电陶瓷传感器的激励信号的确定步骤与步骤1.3一致；

步骤3.4：温度加速试验，试验前分别采集每对压电陶瓷传感器的初始信号，然后将已粘贴好压电陶瓷传感器的试验件放置在恒温鼓风干燥箱中，分别控制恒温箱的温度稳定在50℃、60℃和70℃，误差在±1℃；当加速试验分别进行至4d、8d、12d、18d、24d、30d(d代表天数，下同)时，停止试验，实时记录不同温度和胶黏剂厚度下每对压电陶瓷传感器的Lamb波信号；

步骤3.5：试验结束后，对压电陶瓷传感器的采集信号进行处理；其处理的作法如下：针对压电陶瓷传感器接收的Lamb波信号进行窄带滤波，从滤波后的信号中得到A₀的幅值(见图2)；然后，依次设定150um和360um两种胶黏剂的厚度下老化时间分别为：4d、8d、12d、18d、24d、30d时压电陶瓷传感器的Lamb波信号的A₀的幅值，最终得到不同胶黏剂厚度和温度条件下压电陶瓷传感器的性能随老化时间的性能退化曲线；通过对比两种不同厚度的铝合金薄板、两种厚度的压电陶瓷传感器和两种不同粘接强度的环氧树脂胶黏剂的试验件中压电陶瓷传感器的性能变化曲线，得出温度加速试验条件下薄板的厚度、传感器的尺寸和胶黏剂的种类和厚度对压电陶瓷传感器性能的影响。最终，选取出最优压电陶瓷传感器与连接工艺组合。

通过以上步骤，本方法利用静态应变试验、弯曲疲劳试验和温度加速试验三方面研究了传感器尺寸、胶黏剂种类与板的厚度在不同的应变、位移和温度下压电陶瓷传感器的性能退化，对比分析得到了板的厚度、传感器的尺寸和胶黏剂的种类与厚度如何影响传感器的性能，解决了实际结构健康监测中由于传感器材料同结构材料的性能差异，对结构性能或传感器原有性能造成相互影响的实际问题，为合理选择传感器类型和连接工艺提供支持。

优点及功效

本发明利用静态应变试验、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。该方法填补了之前对压电陶瓷传感器与基体结构相容性研究方面的空白，通过对试验件进行静态应变试验、弯曲疲劳试验和温度加速试验中压电陶瓷传感器性能的退化进行分析，可以验证压电陶瓷传感器和基体结构的尺寸、胶黏剂的种类和胶层的厚度对压电陶瓷传感器性能的影响，是一种实用的压电陶瓷传感器与基体结构相容性分析方法，对以后实现航空结构的可靠的监测和诊断等方面有着很大的意义。

附图说明

图1静态应变试验压电陶瓷传感器布置示意图。

图2压电陶瓷传感器接收的Lamb波信号。

图3弯曲疲劳试验压电陶瓷传感器布置示意图。

图4弯曲疲劳试验位移加载正弦波形图。

图5温度加速试验压电陶瓷传感器布置示意图。

图6本发明所述方法流程图。

具体实施方式

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，通过静态应变试验、弯曲疲劳试验和温度加速试验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，具体实施步骤如下：

一、静态应变试验，包括以下步骤：

步骤1.1：准备试验件。对于常温条件下的静态应变试验，分别选择厚度为2mm和3mm的铝合金薄板，同时选取直径相同(均为7mm)和厚度分别为0.2mm和0.5mm的压电陶瓷传感器以及两种粘接强度不同的环氧树脂胶黏剂1和2。其中，所述试验件可以根据实际需要而进行改变；

步骤1.2：在铝合金薄板上布贴压电陶瓷传感器，具体布贴方案如图1所示，薄板上共布贴5对压电陶瓷传感器，激励信号和接收信号的传感器之间相距30mm，每对传感器之间间隔25mm，其中其它4对传感器相对于中间位置传感器相对应；

步骤1.3:压电陶瓷传感器的激励信号的确定，为了尽量减少压电陶瓷传感器接收的Lamb波信号中有干扰的S₀模式的波包，根据Lamb波在铝合金板中传播的频散曲线，本试验过程选取激励信号每个激励脉冲的周期数为3.5个周期，中心频率140KHz；

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加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Lamb波信号；

步骤1.6:试验结束后，对压电陶瓷传感器的采集信号进行处理。针对压电陶瓷传感器接收的Lamb波信号进行窄带滤波，从滤波后的信号中得到A₀的幅值(见图2)。然后，依次设置循环加载应变分别为：100、500、1000、1500、2000、2500和3000微应变条件下不同循环次数的压电陶瓷传感器的Lamb波信号的A₀的幅值，最终得到不同微应变条件下压电陶瓷传感器的性能随加载循环次数的性能退化曲线。通过对比两种不同厚度的铝合金薄板、两种厚度的压电陶瓷传感器和两种不同粘接强度的环氧树脂胶黏剂的试验件中压电陶瓷传感器的性能变化曲线，得出静态应变试验条件下薄板的厚度、压电陶瓷传感器的尺寸和胶黏剂的种类对压电陶瓷传感器性能的影响。最终，选取出最优压电陶瓷传感器与连接工艺组合。

二、弯曲疲劳试验，包括以下步骤：

步骤2.1：准备试验件。对于常温条件下的静态应变试验，分别选择厚度为2mm和3mm的铝合金薄板，同时选取直径相同(均为7mm)和厚度分别为0.2mm和0.5mm的压电陶瓷传感器以及两种粘接强度不同的环氧树脂胶黏剂1和2。其中，所述试验件可以根据实际需要而进行改变；

步骤2.2：在铝合金薄板上布贴压电陶瓷传感器，具体布贴方案如图3所示，薄板上共布贴4对压电陶瓷传感器。其中，在距薄板中线10mm处各布贴一对传感器，激励信号和接收信号的传感器之间相距30mm，在薄板中线附近布贴传感器的一侧间隔20mm处各布贴一对传感其中4对传感器相对于薄板中心相对应；

步骤2.3:压电陶瓷传感器的激励信号的确定，为了尽量减少压电陶瓷传感器接收的Lamb波信号中有干扰的S₀模式的波包，根据Lamb波在铝合金板中传播的频散曲线，本试验过程选取激励信号每个激励脉冲的周期数为3.5个周期，中心频率140KHz；

步骤2.4: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，安装在弯曲疲劳试验机上，通过调整试验件在弯曲疲劳试验机上的加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。在弯曲疲劳试验机加载前，分别采集每对压电陶瓷传感器的初始信号，同时设定弯曲疲劳试验机的加载参数，包括应力比、最大应力、加载频率、加载波形等；

步骤2.5:通过设定不同加载位移和频率来观察压电陶瓷传感器的性能随着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位移分别为：1mm、3mm、5mm的正弦波形(如图4)，加载频率为3Hz。，其中，上述位移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，实时记录不同位移和循环次数下每对压电陶瓷传感器的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Lamb波信号；

步骤2.6:试验结束后，对压电陶瓷传感器的采集信号进行处理。针对压电陶瓷传感器接收的Lamb波信号进行窄带滤波，从滤波后的信号中得到A₀的幅值(见图2)。然后，依次设定循环加载位移分别为：1mm、3mm、5mm条件下不同循环次数的压电陶瓷传感器的Lamb波信号的A₀的幅值，最终得到不同微应变条件下压电陶瓷传感器的性能随加载循环次数的性能退化曲线。通过对比两种不同厚度的铝合金薄板、两种厚度的压电陶瓷传感器和两种不同粘接强度的环氧树脂胶黏剂的试验件中压电陶瓷传感器的性能变化曲线，得出弯曲疲劳试验条件下薄板的厚度、压电陶瓷传感器的尺寸和胶黏剂的种类对传感器性能的影响。最终，选取出最优压电陶瓷传感器与连接工艺组合。

三、温度加速试验，包括以下步骤：

步骤3.1：试验准备步骤与步骤1.1一致；

步骤3.2：在铝合金薄板上布贴压电陶瓷传感器，具体布贴方案如图5所示，薄板上共布贴2对压电陶瓷传感器，其中一对传感器为减少试验误差而设定。其中，在距薄板中线10mm处各布贴一对传感器，激励信号和接收信号的传感器之间相距30mm。布贴压电陶瓷传感器时控制胶黏剂的厚度为150um和360um两种厚度；

步骤3.3:压电陶瓷传感器的激励信号的确定步骤与步骤1.3一致；

步骤3.4:温度加速试验，试验前分别采集每对压电陶瓷传感器的初始信号，然后将已粘贴好压电陶瓷传感器的试验件放置在恒温鼓风干燥箱中，分别控制恒温箱的温度稳定在50℃、60℃和70℃，误差在±1℃。当加速试验分别进行至4d、8d、12d、18d、24d、30d(d为天数，下同)时，停止试验，实时记录不同温度和胶黏剂厚度下每对压电陶瓷传感器的Lamb波信号；

步骤3.5:试验结束后，对压电陶瓷传感器的采集信号进行处理。针对压电陶瓷传感器接收的Lamb波信号进行窄带滤波，从滤波后的信号中得到A₀的幅值(见图2)。然后，依次设定150um和360um两种胶黏剂的厚度下老化时间分别为：4d、8d、12d、18d、24d、30d时压电陶瓷传感器的Lamb波信号的A₀的幅值，最终得到不同胶黏剂厚度和温度条件下压电陶瓷传感器的性能随老化时间的性能退化曲线。通过对比两种不同厚度的铝合金薄板、两种厚度的压电陶瓷传感器和两种不同粘接强度的环氧树脂胶黏剂的试验件中压电陶瓷传感器的性能变化曲线，得出温度加速试验条件下薄板的厚度、压电陶瓷传感器的尺寸和胶黏剂的种类和厚度对压电陶瓷传感器性能的影响。最终，选取出最优压电陶瓷传感器与连接工艺组合。