为了有效地检测双层层压复合材料中损伤的位置及其形状，提出了一种基于波数分析的激光超声损伤检测方法。在声场互易假设的基础上实现了波场可视化；分析了损伤对材料中超声波波数的影响；采用短空间傅里叶变换的方法，通过时域和频域的局部波数估计算法实现双层层压复合材料的损伤的定位成像；为了充分利用不同时刻和不同频率下的波场信息，减弱时间和频率选取对损伤成像产生的影响，采用了一种波数滤波损伤成像算法，通过对不同时刻的波场进行波数分析，根据不同波数所占的权值不同，采用波数域内加窗的方法滤除健康信号，并通过二维能量图实现损伤的定位成像。

为了有效地检测结构中的损伤位置及其形状，开展了基于超声导波干涉特征提取算法的损伤成像技术研究。在波场可视化的基础上，从波场历程中进一步分析了损伤对超声导波传播的影响；为了提取损伤附近超声导波干涉的能量，采用时间与空间域上的傅里叶变换对波场中的入射波和反射波进行分离，并根据计算出的干涉能量分布完成了损伤的成像；由于损伤产生的干涉能量在空间上的分布较广，为了减少损伤区域外的干涉能量，提高图像中损伤形状的分辨率，利用实Morlet小波分析的方法对宽频信号进行处理，提取窄带信号分量再进行干涉能量计算，提高了损伤成像的信噪比。

基于频率波数域过滤的波场分离方法场常被用来从波场数据中提取反射波的波场，但由于检测误差的存在，该方法获得的反射波波场中噪声较多。利用高分辨率的激光超声检测，实现了铝板中超声导波波场的可视化，并将波场中相邻信号时间匹配后做差以弱化入射波，而后使用频率波数域过滤的方法对入射波进行深度过滤，对反射波波场进行有效提取。实验结果表明，利用该手段进行二次过滤提取的反射波波场轮廓清晰，所含噪声少。

为了补偿压电双晶片驱动器的迟滞非线性, 提出了基于双曲函数的Preisach类迟滞非线性建模方法, 并用该模型设计了压电双晶片驱动器的逆控制器。首先, 用两个双曲函数分别拟合迟滞主环的上升段与下降段, 利用坐标变换描述依附于主环的一阶曲线; 然后, 根据Preisach模型理论的记忆擦除性与次环一致性, 基于一阶上升与下降曲线分别描述了次环的上升段与下降段。由于这种建模方法所需的参数远小于Preisach等经典迟滞模型, 非常适用于压电驱动器等智能材料系统。实验结果显示, 基于这种迟滞非线性模型设计的逆控制器, 控制后的最大误差比控制前减小了44.26%, 有效地提高了压电双晶片驱动器的定位控制精度。

针对新型压电器件—含金属芯压电纤维(MPF)—结构尺寸细小, 很难找到合适的测量夹具和测试方法等问题, 提出了一种操作方便的MPF测试方法。首先, 通过MPF的压电方程得到其测试模型, 并确定了MPF的电学性能测试步骤。然后, 研究了测量夹具对测量结果的影响。实验显示: 夹持位置在MPF的中间时容易产生偏离, 影响测量结果; 夹持位置在端部时, 谐振频率和反谐振频率的相对导纳值较小, 也不利于准确测量。另外, MPF尺寸细小, 夹持力也会影响MPF的谐振, 使测量结果产生误差。最后, 提出一种不需要夹持测量MPF的方法。采用该方法对PZN-PZT压电陶瓷的MPF进行了测量, 结果显示其压电应变常数d31为-97 pC/N, 机电耦合系数k31为0.197, 介电常数εT33为1 458。这种方法测试准确, 操作简单, 不易损伤MPF, 可作为MPF压电性能测试标准。

基于压电元件的主动振动控制不仅需要复杂的信号处理系统,而且需要庞大的能量供给系统;被动控制中电感和电阻参数对环境变化适应能力差,而且低频控制时需要很大的电感,不容易实现。为了克服主被动控制存在的缺点,提出了一种基于同步开关阻尼技术的半主动振动控制的新方法。利用TMS320F2812处理器,通过合理的开关控制算法,使埋入复合材料悬臂梁约束端的压电元件上的电压极性在适当的时候进行翻转,使其电压始终与应变反相,从而达到振动控制的效果。实验结果表明,该方法可以使悬臂梁一阶振动模态减小3.164 1 dB。

根据作者早期研究中提出的一种新型功能梯度驱动器,设计并制备了该驱动器,建立了理论模型,并对驱动器的性能进行了测试。这种新型功能梯度驱动器由4种基于Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3系列的材料复合而成,且4层材料的压电常数和介电常数在厚度方向上的梯度变化相反,这种梯度结构能使驱动器结构内部的应力分布优于传统弯曲驱动器。为了对驱动器进行优化设计,利用经典复合材料力学和压电方程建立了功能梯度压电驱动器的理论模型,并计算了不同厚度配比的驱动器受电压和自由端集中力单独作用时的准静态变形和应力分布,通过分析驱动器的内部应力,确定了各层最优厚度配比为1∶1∶1∶1。根据优化结果成功制备了功能梯度压电驱动器,并测量了驱动器自由端输出位移与输出力的关系。测量结果表明,功能梯度压电弯曲驱动器的输出位移和输出力呈线性关系,并且频率越低,输出位移和力就越大。

建立了悬臂梁结构半电极含金属芯压电纤维新型压电弯曲驱动器的理论模型。根据第一类压电方程,推导出自由端位移、夹持力和弯曲共振频率的解析表达式,分析了金属芯性能和半径对这3个参数的影响,并把理论计算结果和有限元分析结果进行了比较。实验结果表明,悬臂梁结构半电极含金属芯压电纤维弯曲驱动器的自由端位移可达589 μm,夹持力可达427 μN,一阶弯曲共振频率为28 Hz,有限元分析结果和理论值基本吻合,说明这种驱动器有较大的端部位移、较小的夹持力和较低的弯曲共振频率。