[发明专利]一种基于压电纤维复合材料的环状波模态换能器

说明书

本发明公开了一种基于压电纤维复合材料的环状波模态换能器，属于机电换能器技术领域。该装置包括一对分半的柔性开口环和分布在柔性开口环上的压电纤维复合材料。两个分半柔性开口环卡套在目标圆柱壳体的外侧，柔性开口环的两个半环完整闭合后，形成过盈配合。压电纤维复合材料在柔性开口环上的分布方式，根据不同的拉压波，弯曲波以及扭转波分别设定。拉压波和扭转波的压电纤维复合材料均为：在两个分半柔性开口环上各粘贴一整片；弯曲波的压电纤维复合材料沿周向分为均匀的数段，与弯曲波的周波数相同。本发明从硬件层面排除多模态响应带来的信号干扰，降低了换能器对目标结构动力学特性的影响，便于拆装和维护，有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于机电换能器技术领域，涉及一种便于拆装的，对弹性波变形模式具有选择性的机电换能器，具体是一种基于压电纤维复合材料的环状波模态换能器。

背景技术

机电换能器指一类可以在机械场和电场间进行能量交换的设备，主要用于传感、作动以及近年来提出的振动能量收集和振动抑制等。这类设备必然包含某种具有机电耦合效应的部件，可以由纯机械设计实现，例如可动极板电容、可动芯棒电感或音圈作动器等；也可以由具有机电耦合效应的智能材料实现，例如光学纤维、压电陶瓷片、压电堆或压电薄膜等。基于智能材料实现的换能器具有轻质、小型和高效的特点，是目前机电换能器相关领域的关注热点。

目前，机电换能器中使用最成熟、应用最广的智能材料是植入式或粘接式的压电晶片，其优势是质量轻、机电耦合性能好以及易于加工实现等。然而，压电晶片较脆，易于断裂，难以于曲面贴合。为了突破这一限制，NASA兰利研发中心(Langley Research Center)开发了压电纤维复合材料，如参考文献1：用于结构控制的低功耗压电复合材料作动器.Proceeding SPIE,2000(3991):323-334.公开了压电纤维复合材料主要由压电纤维、叉指式电极和环氧树脂基体构成，压电纤维植入环氧树脂基体中，所以压电纤维可以做的很细，因此具有比压电陶瓷单晶片低很多的弯曲刚度，可以贴合复杂的曲面形状。同时，压电纤维作动器还具有比压电晶片更好的性能，如果同样采用3-3机电耦合模式，其作动力是相同尺寸压电晶片的3倍；具体见参考文献2：基于导波特性的结构健康监测技术评述,The Shockand Vibration Digest,2007(39):91-114。但是，无论是压电晶片或是压电纤维复合材料，如果在使用中以粘贴或植入的方式与目标结构连接，都存在不方便拆卸、安装和维护的弱点。

一旦将换能器布置到结构上，布置处结构的振动和变形会导致机械场与电场能量的交换。根据固体力学理论，结构的弹性变形和振动是弹性波传导的结果，一个结构中正在传导的所有弹性波在同一瞬间产生的位移场叠加起来，构成了结构在这一瞬间的变形。因此，如果不经特殊设计，在结构上布置换能器，例如在一个或多个位置放置独立的加速度传感器或作动器，则有多个弹性波导致的形变参与了机电耦合。换言之，此时换能器对弹性波不具有选择性，不能满足某些要求换能器对弹性波具有选择性的工程应用；例如在基于导波的结构健康监测技术领域，研究发现结构中存在的各种波模态对于不同的损伤具有不同的敏感度(散射、透射特性不同)。例如，S0模态的弹性波的散射特性对于板中沿厚度方向的损伤较敏感，而A0模态的弹性波则对表面裂纹和腐蚀更敏感；如文献3：王奕首,卿新林.复合材料连接结构健康监测技术研究进展.复合材料学报,2016(01):1-16。因此，在探测特性损伤时，为了提高测试精度，总是希望输入能的激振能量尽可能用于激发与特定损伤敏感度较高的波模态。除了用于健康监测，了解有某种给定的弹性波导致的变形量也有重要的实用意义，有助于人们更详细地分析结构的激振力，以及有助于有针对性地设计阻尼器等。