压电正交异性复合材料用于AE传感的初步研究

摘要

众所周知，声发射(AE)是材料在受到形变或外力作用时，迅速释放能量而产生的瞬态应力波，是进行结构诊断的重要依据。声发射的检测过程可以归纳为：从声发射源发出的应力波信号经介质传播后达到声发射传感器，输出电信号，根据这些电信号对声发射源作出正确的解释，从而达到对结构的损伤检测的目的。声发射信号的频率分量可以从次声频扩展到50MHz，因此需要传感器具有较宽的频带，高的灵敏度才能有效地抓住结构损伤的特征信号。 目前人们一般用压电材料研制传感器，因为压电材料感应应力波时具有响应速度快、频带宽、测量精度高、性能稳定等优点。然而普通压电材料作为传感元件它将同时感受所有方向应力波，不具备测定特定方向应力波的能力[1]，因此也不能分辨不同方向的AE信号。 压电正交异性复合材料OPCM(OrthotropicPiezoelectricCompositeMaterials，简称OPCM)传感器除了具有普通压电复合材料柔韧性好、强度高、极限应变大、重量轻等优点外，还具有平面横观各向异性的特点，可以区分平面结构中的各个应力波分量。本文用OPCM研制AE传感元件，通过有限元方法对传感元件的构造方式，尺寸和性能等进行设计和优化，包括(1)研究在有限元中压电元件电极模拟方法，讨论了读取电压自由度值的可行性和优越性；(2)通过数值方法模拟结构中一种特定的AE源评价传感元件的特性，该方法具有简单，无噪声干扰的特点；(3)基于MATLAB的信号处理方法对传感元件模拟输出信号进行分析。 通过设计相关的实验方法对传感元件的正交异性特性进行检测，并把所得信号和数值模拟结果进行分析比较，在验证理论方法可行的基础上，对影响传感元件传感特性的因素作了详细的研究；并同时研究了OPCM传感元件的加工制作工艺。最后对该传感元件的应用前景作了阐述。

目录

文摘

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第一章绪论

§1.1课题来源

§1.2研究的背景和意义

§1.3国内外声发射传感器研究现状及进展

§1.4本文主要研究内容及方法措施

第二章压电正交异性AE传感元件的基本原理

§2.1声发射的基本理论

§2.1.1声发射产生的条件

§2.1.2声发射的来源

§2.1.3声发射信号的传播及衰减

§2.2压电复合材料基本原理

§2.2.1压电复合材料中的压电效应

§2.2.2压电复合材料中压电相的压电方程

§2.2.3压电复合材料的本构方程

§2.3各向异性压电复合材料

§2.4压电正交异性AE传感元件

第三章压电正交异性AE传感元件的数值模拟研究

§3.1压电传感有限元耦合场理论

§3.2基于有限元的AE数值模拟

§3.3压电正交异性AE传感元件的传感数值模拟

§3.3.1数值传感模型的建立与分析

§3.3.2瞬态AE模拟下的传感特性分析

§3.3.3连续AE模拟信号下的传感特性分析

§3.4本章小节

第四章压电正交异性AE传感元件的实验研究

§4.1压电正交异性AE传感元件的制作

§4.1.1一般压电复合材料的制备方法和技术

§4.1.2压电正交异性AE传感元件制作方法探讨

§4.1.3制作流程

§4.2连续模拟声源下传感元件频率特性的实验研究

§4.3传感元件特性的分析总结

§4.3.1压电相的频率特性

§4.3.2压电正交异性AE传感特性产生机理

§4.3.3聚合物对传感元件抗破坏性能的影响

§4.4本章小结

第五章总结与展望

§5.1总结

§5.2展望

§5.2.1在化工，石油，天然气及民用供水管道检测中的应用

§5.2.2在常压储罐中的应用

§5.2.3航空器检测中应用

§5.2.4在土木工程检测中的应用

§5.2.5在连续分布式监测与健康诊断系统中应用

参考文献

攻读硕士期间发表的主要论文

致 谢