第18卷　第2期2005年6月

传感技术学报

CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS

Vol.18　No.2Jun.2005

PiezoelectricWaferModelanditsApplicationinStructuralHealthMonitoring

ZHANGFeng,WANGCheng

(EngineeringComputingandSimulationCenterHuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:Usingpiezoelectricwaferembeddedinsidestructurefornondestructiveevaluationofmicrocrackhasbeenresearchedbymanyresearchersinthefieldofstructuralhealthmonitoringsystem.Highfrequen2cyguidedultrasonicwavesinducedintostructuresbypiezoelectricsensorsmayinteractwithdamagesinthestructures.Thephenomenonofenergydissipation,wavereflectionandwaveinterveningwithdamageswilloccurwhendamageexists,whichcouldbedetectedandlocatedwiththeinformationcontainedinthewavedata.Theelectricalimpedancemodelandnumericanalysisofthepiezoelectricwaferaloneinvacuumandthenoftheembeddedwaferisproposed.PZTmayeffectivelygenerateLambwave,whichcanbeusedinthedetectionofmicrocrackinstructures.

Keywords:piezoelectricwafer;NDT;structuralhealth;lambEEACC:7230;2860

张　锋,王　乘

(华中科技大学工程计算与仿真研究所,武汉　430074)

摘　要:在结构健康监测系统中,基于应力波的结构损伤诊断技术是一种主动的局部损伤检测方法。压电晶体传感器作为

激励部件可以在结构中引入高频应力波;其同裂纹等局部损伤发生相互作用将产生波动的能量耗散、波形反射以及波形干涉等现象。通过对附着在无约束金属板上的压电晶体传感器(PZT)激励模型的理论分析及有限元数值计算,说明PZT能有效地产生检测应力波,并可将其应用在结构局部损伤检测中。

关键词:压电晶体;无损检测;结构健康监测;Lamb波

中图分类号:TH165.3;TP212　　文献标识码:A　　文章编号:100529490(2005)0220215206　　结构健康监测系统是综合性的结构监测、评估及预警系统。在大型飞行器、核反应堆、桥梁以及大型管道结构中[1],由于化学腐蚀、应力作用、微小撞击以及热疲劳等因素影响,结构表面有可能产生大量局部损伤及微裂纹。如果不及时检测出这些局部结构损伤,确定其位置、形状、大小进而采取必要的补救措施,损伤将有可能进一步扩展从而产生结构

破坏,甚至造成严重事故。对结构中的局部损伤尤其是表面微小裂纹的监测是结构健康监测系统中非常重要的一部分。

传统的无损检测技术是利用超声波设备在结构中产生弹性波,利用检测仪器,可以有效地探知结构中的损伤情况。然而,由于超声波发生装置体积庞大、安装复杂,不适合在分布式智能结构中广泛采

收稿日期:2004211205

作者简介:张　锋(19782),男,在读博士研究生,主要研究方向为结构计算与仿真、结构健康监测及无线传感器网络,

zhangfeng00@vip.sina.com;王　乘,男,教授、博士生导师,美国麻省理工学院(MIT)航空航天系博士,主要研究方向为计算力学、冲击动力学、

结构动态响应三维数值仿真以及工程系统集成分析与分布式仿真技术。