为监测在役混凝土结构在使用过程中的内部缺陷程度变化并定位缺陷位置, 本文探索一种基于应力波的探测方法并进行试验研究, 将压电传感器(PZT)以阵列形式安装在混凝土表面, 将混凝土划分为不同区域, 阵列中的一个传感器发射波, 另一个传感器接收波, 采用扫频模式和五峰值脉冲模式对混凝土不同区域进行监测。试验结果表明, 当应力波通过待监测区域时, 由于混凝土内部存在缺陷, 应力波幅值衰减, 波能降低。为了量化混凝土结构内部缺陷程度, 构造基于接收信号的能量指数和损伤指数, 并分别建立其与缺陷程度的函数关系, 依据不同区域能量指数和损伤指数差异, 确定混凝土内部缺陷存在的区域。试验结果与试件实际情况相吻合, 验证了本文采用压电传感器监测混凝土内部缺陷的可行性。

风洞实验中飞行器表面的摩擦力不足空气压力的0.1%, 对于小面域、小量程的表面摩擦力测量, 存在准确性与力天平可靠性相悖的矛盾。因此, 基于杠杆原理及石英的压电效应, 该文设计了一种对毫牛级表面摩擦力放大测量的二维力压电传感器, 并通过静态标定实验和动态脉冲激励实验分别评价其测试性能。实验表明, 该传感器量程可低至50 mN, 非线性误差和重复性误差均小于1%, 固有频率为2 428 Hz, 满足风洞试验中表面摩擦力的测量需求。

基础工程施工的安全性常以基坑稳定性为前提, 而土壤的含水率是边坡稳定性的关键因素。但是, 土体内部含水率的观测困难, 很难实时了解土体内部水分的变化情况。目前对土壤含水率进行监测的方法较少, 故而迫切需要一种对土体结构含水率进行实时监测的方法。该文通过制作简易土箱, 利用压电智能骨料并结合压电波动法对土箱内土壤进行含水率监测, 获得了不同含水率下的压电信号及小波包能量。基于小波包分析方法发现, 压电信号幅值及对应的小波包能量指数与土壤含水率呈正相关关系, 且土壤含水率越大, 小波包能量指数的上升速率越慢, 并在其含水率接近饱和时基本不再变化, 验证了该土壤含水率监测方法具有良好可行性。

木结构在受压荷载作用下, 会造成木材承载力不足及内部损伤,但对木结构进行无损监测的方法较少。该文基于压电传感器对木材在轴压和局压作用下进行了损伤监测可行性研究, 在木材表面贴装压电传感器, 利用应力波的主动传感方法, 以一个压电传感器作为信号发射器, 另一个压电传感器作为信号接收器, 在木材结构产生损伤时, 监测到的应力波相应减小。基于应力波的衰减, 可以采用小波包能量法将其转换为损伤指标, 以此来监测结构损伤。结果表明, 压电信号幅值与木材的损伤程度相关性较强, 该木材无损监测方法具有良好可行性。

基于压电传感器的板类结构兰姆(Lamb)波损伤检测, 提出了一种利用单一模态Lamb波的无基准损伤检测方法, 并在铝板上进行损伤检测实验。根据压电传感器的理论模型, 实验中选取单一模态Lamb波检测频率, 并从含损伤板的检测信号中准确识别出损伤反射回波信号, 根据损伤反射回波传播时间及对应的理论群速度, 计算了损伤与传感器的距离。针对理论群速度和实际群速度差异对距离计算造成的误差, 提出了一种改进的计算方法, 将误差降低到3%以下。结果表明, 利用单一模态Lamb波可识别结构中的损伤散射信号, 并可有效计算损伤与传感器的距离。

针对弹丸爆炸中冲击波威力测量受传感器特性及测量环境影响的问题,提出了一种利用高速录像机进行摄影测量与数据处理的方法,分析了纹影摄像的基本条件及冲击波成像过程,建立了测量模型、误差分析模型,通过将测量数据与压电传感器测量数据进行比对,验证了爆炸冲击波高速纹影测量方法的有效性,实现了冲击波流场的可视化,建立了测量模型及误差分析模型,等效TNT当量相当误差优于10%。经过实际验证,该方法具有可行性和较好的精度,实现了冲击波威力自由空间测试。

为了研究激光冲击高应变率下2024铝合金表面的动态应力-应变特性,采用PVDF压电传感器和STSS-1应力检测模块对脉冲激光作用下2024铝合金表面的动态应变进行了测量,并对各自检测结果进行了对比分析.结果表明,2024铝合金在激光冲击高应变率作用下动态屈服强度与静力拉伸条件下静态屈服强度接近;在动态应变测量中PVDF压电传感器的响应与灵敏度均优于STSS-1应力检测模块,不仅可以有效应用于脉冲激光诱导材料表面动态应变的实时测量,还可以用于对STSS-1应力检测模块的检测结果进行修正,同时实验使用的2024铝合金的动态屈服强度在220 MPa左右.

为研究脉冲激光冲击波诱导2024铝合金表面的动态应变特性，采用脉冲激光对2024铝合金试样表面进行冲击，并利用聚偏氟乙烯(PVDF)压电传感器测量了脉冲激光作用下2024铝合金表面的动态应变，建立了脉冲激光冲击波加载2024铝合金表面的动态应变模型，并通过试验数据对该模型进行了分析验证。研究结果表明，通过调整脉冲激光的作用参数可以控制激光冲击波与表面波不产生耦合；2024铝合金在激光冲击波诱导高应变率作用下的动态应力应变关系曲线与在静力拉伸条件下的静态应力应变关系曲线类似；脉冲激光冲击波加载2024铝合金表面动态应变的模型与试验结果一致。

以相移干涉测长为应用背景，提出了一种基于“机械扫描”的相移测长方法。利用超高弹性石英材料研制出了干涉测长所需的单体3路相移装置，并利用该相移装置建成了相移测长装置，成功地将位移传感器的量值在线溯源到光学频率标准，从而实现了对3路相移的准确测量。介绍了一种引入步长控制误差的“新五幅相移”实现相位解算方法，算法准确度达到0.01%。对不确定度的定量分析结果表明，基于该机械扫描式相移技术构建的绝对长度测量系统准确度可达0.5 nm。

针对弹性体式六维力/力矩传感器存在的技术瓶颈, 提出了一种新型平板式压电六维力/力矩传感器。首先, 介绍了传感器的结构和工作原理, 提出了两种石英晶片组布置方案。然后, 推导了两种布置方案的传感器的数学模型, 并建立了有限元模型, 仿真得到了两种结构传感器输出的电荷灵敏度、维间干扰、固有频率等重要参数, 确定了石英晶片组相对合理的布置方式。最后, 对传感器进行了静态和动态标定。研究结果表明: 传感器结构简单合理、仿真分析方法和数学模型正确, 固有频率>25 kHz, 使用退耦矩阵后传感器的维间干扰<3%, 基本满足传感器的设计指标。