216传　感　技　术　学　报2005年

用。近年来,一些学者(ChangF.K.等于1999年[2];EmmanuelMoulin等于1999年[3];LinXiao和F.G.Yuan于2002年[4];VictorGiurgiutiu等于2003年[5];Dupont等于2000年[6];Lee和Staszewski于2003

①在该频率下,Lamb波有一个主模式,即:某

一模式(主模式)波动分量的能量较大。这样,损伤检测算法就能够以此波动分量的波速、振幅以及相位等参数作为依据进行损伤定位和评估。通常采用A0或S0模式Lamb波作为激励波。

②在该频率下,激励器能有效地在压电晶体电极间产生转移电荷,从而产生较大振幅。这事实上等同于寻找一些频率中心及频率范围减小压电晶体的等效输入阻抗。

通过下面对压电晶体传感器激励模型的研究,

我们试图寻找符合上述条件的最佳激励的波动频率。

年[7]等)开始研究使用附着或嵌入在结构中的微小压电晶体传感器构成分布式结构健康监测系统。

现有不少研究成果都证明了在结构中采用分布式压电晶体传感器进行结构局部损伤检测的可行性。然而,上述工作大都侧重于对损伤检测算法的研究,而对于压电晶体传感器的有效性及其机电阻抗模型的研究还比较欠缺。文章将介绍利用压电晶体产生Lamb平面应力波的方法及其理论模型。然后,分别介绍压电晶体传感器阻抗模型及其有限元数值计算模型。

1　Lamb波及激励器

Lamb波是在结构中传播的弹性应力波,对于Lamb波传播方式的研究[8]已经取得了许多成果压电晶体传感器在结构中产生的Lamb杂的结构应力波,包含A030S1、S2、S3[1):即在给定有显著的“频散效应[8]“频率半板厚乘积”条件下,应力波的传播相速度cp和组速度cg都随波动频率ω的变化而发生改变。结构中的Lamb波同裂纹等局部损伤发生相互作用将产生波

(a)

微结构照影

动能量耗散、波形反射以及波形干涉等现象。通过对接收到波形数据的分析,采用适当的检测模型,就能够获取包含在波形数据中的结构损伤信息

。

(b)模型示意图[11]

图2　压电传感器同铝板界面的剪切耦合

图2(a)是用环氧树脂胶将压电晶体附着在厚

度为1mm铝板上的微结构照片。图2(b)是压电晶体与铝板间在Lagrange-Germain假设条件下于界面上通过剪力耦合的示意图。Crawley等在1987、1990年的论文中[12]推导出了一维梁应力模型,该模型在Bernouli-Euler假设下成立。

ΨτΓa)(1)Eaε0(x)=ISA(

Γaaα+Ψcosh

Ψ、其中:ta、Ea都是同模型相关的常量,Γ是α的函α是耦合分配系数,它取决于模型中的应力应数。

变分配关系。在低频Bernouli-Euler假设下,α=4。在高频激励下,对于界面完全耦合的情况,必须

图1　Lamb波的波动分量及其频散效应

用于产生Lamb波的传感器被称为激励器(Ac2

tuator)。由于具有频散特性以及同时存在着多种波动模式,并不是所有频率的波动都是适合做激励波的。

利用Lamb波进行损伤检测要求尽量减小由于波形频散所引起的测量偏差。激励器需要具有较强的机电耦合效应以产生足够强的应力波。因此,选择合适的激励波动频率要求满足下面的条件:

要考虑剪切变形的影响以及转动惯量等因素。此时,金属板中的应力波动可以用Mindlin板理论进行描述。这种情况下,压电晶体与结构间通过弯矩Mr进行耦合。LinXiao与YuanF.G.在2001年的论文[4]中利用弯矩耦合假设推导了如下弯矩计算