一种基于惠斯通全桥原理的结构损伤识别传感器的制作方法

本实用新型属于应变片传感器技术领域，涉及一种基于惠斯通全桥原理的结构损伤识别传感器，应用在基于应变模态的结构振动损伤识别中结果良好。

背景技术：

在结构健康监测领域，利用传感器获得的结构模态参数是衡量结构是否发生损伤的重要标志。目前多采用应变片粘贴在结构表面，测量结构表面的应变信号来获得应变模态参数，并且通过结构在健康和损伤状态下应变模态参数的改变来确定损伤的位置。

电阻式应变传感器可以将结构振动的应变信号转换成电信号，再通过动态信号采集系统对其产生的电信号进行采集，并结合现有的算法对采集的信号进行处理和计算分析，进而得到结构的应变模态参数。目前，提取结构模态参数比较成熟的算法有峰值拾取法、特征系统实现算法等。在实际工程测试中要求传感器测量精度高，同时成本低，测试设备易操作。电阻式应变传感器具有价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用等优点，被广泛应用于实验研究和实际工程测量。

然而，在结构损伤诊断中，使用单片电阻式应变传感器进行损伤诊断时存在一些不足：测量精度和对损伤的灵敏度不高，测量过程中必须额外温度补偿，在进行损伤识别时效果不好。

技术实现要素：

为解决上述单片应变传感器使用时存在的不足，本实用新型提出一种基于惠斯通全桥原理的结构损伤识别传感器及结构损伤识别方法，该结构损伤识别传感器是一种基于惠斯通全桥原理的组合式电阻应变传感器。

本实用新型的技术方案为：

一种基于惠斯通全桥原理的结构损伤识别传感器，包括电阻应变传感器s11、电阻应变传感器s22、电阻应变传感器s33、电阻应变传感器s44、柔性基底5、保护层12和导线；

电阻应变传感器s11、电阻应变传感器s22、电阻应变传感器s33和电阻应变传感器s44按顺时针依次粘贴在柔性基底5四条边的中点处，四个电阻应变传感器的一侧均含有两个引线端，电阻应变传感器含有引线端的一侧均朝向柔性基底5的中心；按照惠斯通全桥原理，通过导线将电阻应变传感器s11和电阻应变传感器s44各自一个引线端连接在端子A7上，并通过端子A7引出接线端子E+；通过导线将电阻应变传感器s11的另一引线端和电阻应变传感器s33的一个引线端连接在端子B8上，并通过端子B8引出接线端子V+；通过导线将电阻应变传感器s22的一个引线端和电阻应变传感器s44的另一引线端连接在端子C9上，并通过端子C9引出接线端子V-；通过导线将电阻应变传感器s22另一引线端和电阻应变传感器s33另一引线端连接在端子D10上，并通过端子D10引出接线端子E-；所述端子E+、端子V+、端子V-和端子E-组成引出端子11，用于连接应变桥盒；连接完成后在上方覆盖粘贴保护层12；

其中，四个电阻应变传感器的型号、阻值和灵敏度均相同；柔性基底5和保护层12均采用酚醛环氧树脂制作，粘结剂选用环氧树脂。

本实用新型的有益效果：(1)本实用新型结构损伤识别传感器将电阻应变传感器进行组合，根据惠斯通全桥原理连接传感器，传感器之间进行温度自补偿，不需要连接额外的温度补偿片；(2)本实用新型提高测量的灵敏度和精确度，稳定性较好；(3)本实用新型传感器可以测量多个方向的应变，蕴含结构的损伤信息更加丰富；(4)制作简单，成本低，有利于应用在结构损伤识别方面。

附图说明

图1为本实用新型结构损伤识别传感器的平面结构图；

图2为本实用新型结构损伤识别传感器的电路连接图；

图3为本实用新型结构损伤识别传感器的三维结构图；

图中：1.电阻应变传感器s1；2.电阻应变传感器s2；3.电阻应变传感器s3；4.电阻应变传感器s4；5.柔性基底；6.导线；7.端子A；8.端子B；9.端子C；10.端子D；11.引出端子；12.保护层。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施方式。

本实用新型基于惠斯通全桥原理的结构损伤识别传感器的三维结构如图3所示，包括电阻应变传感器s11、电阻应变传感器s22、电阻应变传感器s33、电阻应变传感器s44、柔性基底5、保护层12和导线；其中四个电阻应变传感器的型号、阻值和灵敏度均相同；本实用新型的结构损伤识别传感器为三层结构，四个电阻应变传感器粘贴在柔性基底5上，最上层覆盖粘贴保护层12，起到保护传感器的作用。所述柔性基底5和保护层12使用酚醛环氧树脂制作，粘结剂选用环氧树脂。

基于惠斯通全桥原理的结构损伤识别传感器的平面结构如图1所示，所述电阻应变传感器s11、电阻应变传感器s22、电阻应变传感器s33和电阻应变传感器s44按顺时针依次粘贴在柔性基底5四条边的中点处，四个电阻应变传感器的一侧均含有两个引线端，电阻应变传感器含有引线端的一侧均朝向柔性基底5的中心；电阻应变传感器s11和电阻应变传感器s33测量的应变同向但不同位置，电阻应变传感器s22和阻应变传感器s44测量的应变同向但不同位置，此外电阻应变传感器s11和电阻应变传感器s33测量的应变方向与电阻应变传感器s22和阻应变传感器s44的应变测量方向垂直；从整体上看，四个电阻应变传感器的摆放呈中心对称。

本实用新型结构损伤识别传感器的电路依据惠斯通全桥原理连接如图2所示，每个电阻应变传感器有两个接线端，通过导线将电阻应变传感器s11和电阻应变传感器s44各自一个引线端连接在端子A7上，并通过端子A7引出接线端子E+；通过导线将电阻应变传感器s11的另一引线端和电阻应变传感器s33的一个引线端连接在端子B8上，并通过端子B8引出接线端子V+；通过导线将电阻应变传感器s22的一个引线端和电阻应变传感器s44的另一引线端连接在端子C9上，并通过端子C9引出接线端子V-；通过导线将电阻应变传感器s22另一引线端和电阻应变传感器s33另一引线端连接在端子D10上，并通过端子D10引出接线端子E-；所述端子E+、端子V+、端子V-和端子E-组成引出端子11，用于连接应变桥盒；所述导线选用带绝缘皮的细铜线。

采用上述桥路连接方式得到的本实用新型传感器所测电压信号U0与四个电阻应变传感器所测应变ε1、ε2、ε3和ε4呈线性关系。根据惠斯通全桥理论推导得到如下公式：

式中，K为电阻应变传感器的灵敏度系数；E为电源电压；ε1、ε2、ε3和ε4分别为电阻应变传感器s11、电阻应变传感器s22、电阻应变传感器s33、电阻应变传感器s44在其测量方向上所测量的应变。

采用本实用新型结构损伤识别传感器结合模态参数算法对实验薄板进行结构损伤识别的方法，包括以下步骤：

步骤一：将所述基于惠斯通全桥原理的结构损伤识别传感器阵列均匀地粘贴在待测结构上，通过应变桥盒将结构损伤识别传感器接入动态信号采集设备；

步骤二：选择待测结构上某一区域作为激励区域，使用力锤在激励区域施加激励以模拟环境载荷对待测结构的激励；选择距离激励区域较近且响应信号幅值较大的响应点作为参考点，测量待测结构各测点的响应信号，并将该响应信号作为待测结构健康状态下的响应信号；

步骤三：采集结构损伤识别传感器中四个电阻应变传感器的响应信号；通过运行模态参数识别方法计算待测结构的应变模态参数；

步骤四：选定待测结构某一位置模拟损伤位置；在激励区域施加随机激励，并选择与步骤二相同的参考点，得到待测结构各测点的响应信号；重复步骤三得到待测结构在模拟损伤状态下的应变模态参数；

步骤五：通过步骤一至步骤四分别获得待测结构健康与损伤状态的应变模态参数，采用模态振型差、模态柔度差来识别结构的损伤，其中损伤指标的最大值区域为待测结构的损伤位置。