[发明专利]一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的结构健康监测装置及方法

权利要求书

1.一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜换能器的结构健康监测装置，基于压电阻抗法及相敏检波原理监测结构健康状况，监测装置同时包括两片或者两片以上压电换能器、基于相敏检波原理的微弱信号调理模块(3)以及数据采集系统；所述基于相敏检波原理的微弱信号调理模块(3)设置在压电换能器和数据采集系统之间；使用压电换能器组获取结构阻抗特征信息，所述压电换能器组采用两片或者两片以上聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜，微弱信号调理模块(3)对压电换能器(2)输出的信号放大后，压电换能器(1)输出激励信号和响应信号经过锁相放大电路输出两路直流信号，数据采集系统采集直流信号并利用阻抗法分析所测结构机械力学特性，多片PVDF压电薄膜传感器粘于具有复杂形状的体结构的被测结构表面，并且压电薄膜的可粘于被测表面，一片或者多片压电换能器(1)作为驱动器使用，接收激励信号，另外一片或者多片压电换能器(2)作为传感器使用，压电片组同时使用，解耦并输出结构阻抗响应信号，基于相敏检波原理的微弱信号调理模块(3)拟采用仪用放大器对测量的模拟信号的进行无损放大，并使用电路或者数字信号处理算法实现激励信号与响应信号的互相关锁相放大，充分抑制测量信号中的噪音并且提取出与激励信号直接相关的机械动力学特性；其特征在于，所述监测方法如下：根据基于相敏检波原理的微弱信号调理模块输出信号得到所测结构机械阻抗；

从压电换能器的本构方程出发，利用假设模态的方法，对压电-结构耦合的系统建立力学模型，同时利用有限元仿真软件对系统建立有限元模型，得到动力学方程：

其中M,C,K,k₁₂,C_p分别是系统的质量、阻尼、刚度、系统的机电耦合系数矩阵、压电换能器的电容,V₀是激励电压，q,Q₁和Q₂分别是系统机械响应矩阵和两片换能器响应电荷，ω是激励信号频率，i表示虚部，在两片PVDF换能器大小一致，并且贴在一起的情况下，所测得的电压信号是

所测得的信号完全表示系统的动力学响应，而且动力学响应信号没有直流偏置，直接对测量信号进行放大并且分析；

当被测结构发生变化，根据公式(3)，输出响应信号随激励信号频率变化曲线也会发生变化；

根据相应信号随频率变化曲线判断对被测结构机械动力特征进行分析。