第5章_智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)-zhang

1、1智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)【本章學(xué)習(xí)目標(biāo)】掌握：u智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本組成、功能與發(fā)展趨勢。智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本組成、功能與發(fā)展趨勢。了解：u光纖在線實時監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成與功能；光纖在線實時監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成與功能；u三種振動主動控制系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用；三種振動主動控制系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用；u大型結(jié)構(gòu)溫度場實時監(jiān)測系統(tǒng)的組成與設(shè)計。大型結(jié)構(gòu)溫度場實時監(jiān)測系統(tǒng)的組成與設(shè)計。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)【本章教學(xué)要點】知識要點能力要求相關(guān)知識光纖在線實時監(jiān)光纖在線實時監(jiān)控系統(tǒng)控系統(tǒng)了解光纖傳感器，實時監(jiān)了解光纖傳感器，實時監(jiān)測，在線控制等技術(shù)的具測，在線控制等技術(shù)的具體應(yīng)用體應(yīng)用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測振動

2、主動控制系振動主動控制系統(tǒng)統(tǒng)了解凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)了解凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)以及基于壓電元件的振動以及基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)主動控制系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用用振動的危害與控制振動的危害與控制大型結(jié)構(gòu)溫度場大型結(jié)構(gòu)溫度場實時監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測系統(tǒng)了解測溫系統(tǒng)的組成，溫了解測溫系統(tǒng)的組成，溫度監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計度監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計溫度場溫度場張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)內(nèi)容綱要1.光纖在線實時監(jiān)控系統(tǒng)（2學(xué)時） 2.振動主動控制系統(tǒng) （2學(xué)時） 3.大型結(jié)構(gòu)溫度場實時監(jiān)測系統(tǒng) （2學(xué)時） 4.智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的其他典型應(yīng)用（2學(xué)時） 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.光纖在線實時監(jiān)控系統(tǒng) 1.1 樹脂基復(fù)合材料成型

3、過程的基本模型 1.2 光纖固化監(jiān)測傳感器的研究現(xiàn)狀 1.3 應(yīng)用多模模斑譜光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程 1.4 應(yīng)用光纖微彎傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程 1.5 復(fù)合材料成型工藝過程在線控制專家系統(tǒng) 1.6 在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展正推動著宇航飛行器、航海船舶潛艇及陸地建筑橋梁等設(shè)計的變革。u隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，把光纖引入復(fù)合材料達(dá)到在三維方隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，把光纖引入復(fù)合材料達(dá)到在三維方向上測量力學(xué)量的目的成為可能。向上測量力學(xué)量的目的成為可能。u如果加入作動器和處理器，甚至可以做到實時自動修

4、補和調(diào)整，如果加入作動器和處理器，甚至可以做到實時自動修補和調(diào)整，這就形成了智能材料結(jié)構(gòu)。這就形成了智能材料結(jié)構(gòu)。利用光纖傳感技術(shù)可以對材料內(nèi)部的固化情況進(jìn)行全面有效的監(jiān)測。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)復(fù)合材料成型過程的光纖在線實時監(jiān)控系統(tǒng)原理 1. 對復(fù)合材料成型工藝在線監(jiān)控模型的基本要求復(fù)合材料成型工藝在線控制系統(tǒng)的研究始于80年代初。相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域主要包括工藝過程機(jī)理模型和固化監(jiān)測傳感器的研究等。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)復(fù)合材料成型過程的光纖在線實時監(jiān)控系統(tǒng)原理 溫度溫度壓力壓力樹脂粘度樹脂粘度固化度固化度濕度濕度加熱加熱冷卻冷卻壓力壓力若和或則若和或則高壓釜高壓釜控制控制傳感器傳感器判斷判斷復(fù)

5、合材料復(fù)合材料張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 纖維增韌復(fù)合材料固化裝置示意圖:金屬板金屬板吸脂層吸脂層預(yù)浸層板預(yù)浸層板擋板擋板張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 固化溫度、固化壓力及其隨時間的變化會影響如下主要參數(shù)：1)復(fù)合材料內(nèi)溫度、固化度和粘度的分布及變化；2)樹脂和纖維中壓力的分布及變化，排出的樹脂量和復(fù)合材料的尺寸隨時間的變化；張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 3)氣泡含量及尺寸分布；4)殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變的分布；5)固化周期，即整個過程所需時間。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過

6、程的基本模型 為保證產(chǎn)品質(zhì)量，操作過程需滿足如下要求：任何時刻，體系內(nèi)溫度分布均勻，且低于最大容許值，不能出現(xiàn)因反應(yīng)過快而導(dǎo)致的溫度驟變，尤其不能在局部出現(xiàn)這種現(xiàn)象；任一時刻，固化度分布均勻，且副反應(yīng)少；操作結(jié)束時，各層的固化度都達(dá)到頸定值；張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 達(dá)到凝膠點之前，各預(yù)浸層被完全壓緊，即多余樹脂完全被擠出；固化結(jié)束時，材料中氣泡數(shù)量最少，尺寸最小且分布均勻；操作結(jié)束后，各層的殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變盡量小或消除；固化周期短。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 固化工藝條件主要包括以下幾個方面：溫度、壓力及其隨時間的變

7、化。好的工藝條件應(yīng)使固化操作過程中材料內(nèi)的各參數(shù)（包括溫度、壓力、固化度、氣泡含量等）及其分布處于合理區(qū)域內(nèi)。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 2. 熱化學(xué)模型熱化學(xué)機(jī)理:研究熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)在樹脂固化過程中的作用。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 化學(xué)機(jī)理的目的化學(xué)機(jī)理的目的 ：使材料內(nèi)的溫度和固化度的分布在固化過程保持均勻，且它們的變化平緩，從而使材料內(nèi)的力學(xué)等性能均勻，保證產(chǎn)品質(zhì)量。（這也是優(yōu)化操作工藝條件的一個方面）張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 影響體系內(nèi)溫度的分布和固化度和粘度的分影響體

8、系內(nèi)溫度的分布和固化度和粘度的分布的因素主要包括：布的因素主要包括：1.樹脂固化反應(yīng)釋放熱量；2.固化體系內(nèi)部及內(nèi)部與外部環(huán)境之間存在溫差導(dǎo)致熱量傳遞； 除此之外還包括反應(yīng)速度、反應(yīng)熱、材料物性、幾何形狀和尺寸等，研究熱。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 3. 樹脂流動纖維作用模型樹脂流動纖維作用模型是研究固化體系承受釜壓的作用下，樹脂流動和纖維變形對固化進(jìn)程的影響 。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 隨著因樹脂的流動使預(yù)浸層被壓縮的逐漸進(jìn)行，纖維受壓迫而變形并產(chǎn)生彈力，部分負(fù)荷被纖維承擔(dān)，樹脂中的平均壓力減小；張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)

9、1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 隨著預(yù)浸層被繼續(xù)壓縮，纖維承擔(dān)負(fù)荷的比例越來越大，最終纖維體積分?jǐn)?shù)完全取決于纖維束的彈性性能，與樹脂流動無關(guān)。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 伴隨著樹脂的流動過程，還存在著纖維的彈力作用，預(yù)浸層板可被看作是充滿粘性流體的具有非線性彈性形變性能的多孔介質(zhì)，所施負(fù)荷完全由樹脂承擔(dān)。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 4. 氣泡活動模型氣泡是影響復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。如何減少并消除氣泡，是保障復(fù)合材料制品的關(guān)鍵。這方面的研究主要包括：氣泡的形成、成長和傳遞。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1

10、樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 1)氣泡的形成： 一般出現(xiàn)在層間交界和樹脂纖維交界處。它的形成主要有兩種原因：制作預(yù)浸層板過程中空氣的夾雜；因受熱析出揮發(fā)的氣體而導(dǎo)致內(nèi)部成核。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 2）氣泡的生長(或縮小)氣泡內(nèi)成分是空氣和樹脂中的揮發(fā)組分(主要是水蒸氣。如果樹脂內(nèi)壓力或溫度發(fā)生變化，將導(dǎo)致氣泡漲縮或水的飽和蒸氣壓發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致水分在界面處擴(kuò)散而使氣泡生長或縮小。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 3)氣泡的傳遞氣泡可隨樹脂的流動而運動，因此可借助樹脂的流動將氣泡排出復(fù)合材料。由于樹脂是在由纖維床架構(gòu)成

11、的網(wǎng)中流動，可將這個問題與多孔介質(zhì)中多相流動過程或多孔介質(zhì)中不互溶的流體的置換過程進(jìn)行類比。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 為使氣泡能夠運動，樹脂流動的動力應(yīng)大于阻礙氣泡運動的阻力，即沿樹脂流動方向的壓力梯度必須大于某個臨界值。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 如果借溫度、壓力將分布于各處的氣泡的尺寸控制在果臨界范圍內(nèi)，而在這一尺寸范圍內(nèi)的氣泡正好可以在壓差作用下克服纖維網(wǎng)的阻礙被流動的樹脂帶走，這就可以原則上徹底消除氣泡，從而提高復(fù)合材料產(chǎn)品的質(zhì)量。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 5. 殘余應(yīng)力模型

12、當(dāng)固化操作結(jié)束，并恢復(fù)到室溫，取向不同的鋪層在某一方向的收縮不一致，因而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力和應(yīng)變，稱為殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變。它們的存在會降低材料的力學(xué)性能，嚴(yán)重時會使復(fù)合材料剛出爐就遭到破壞。因此研究如何消除殘余應(yīng)力的影響是優(yōu)化操作工藝的一個方面。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 綜述：以上四部分模型是相互聯(lián)系的：1.由反應(yīng)放熱和體系內(nèi)外的傳熱而導(dǎo)致的溫度分布決定了樹脂的粘度分布；這又影響到加壓時機(jī)，同時，材料的溫度還決定了固化反應(yīng)速率和到達(dá)凝膠點的時間，而后者又同樣影響到加壓時機(jī)。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.1 樹脂基復(fù)合材料成型過程的基本模型 2.溫度、壓力與粘度的分布

13、及樹脂流動又對氣泡的活動和消除有很大影響。固化操作中的溫度歷程又影響到產(chǎn)品內(nèi)的殘余應(yīng)力的大小等。因此，在進(jìn)行固化工藝的研究中需要把這四部分模型結(jié)合起來應(yīng)用。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.2 光纖固化監(jiān)測傳感器的研究現(xiàn)狀 光纖熒光固化傳感器的原理是基于樹脂粘度與熒光性的關(guān)系。分子在激發(fā)態(tài)由于扭曲運動而進(jìn)行非輻射退化造成了與其粘密切相關(guān)的熒光性。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.2 光纖固化監(jiān)測傳感器的研究現(xiàn)狀 FOCSFOS光纖熒光固化傳感器示意圖 ：白光燈白光燈激發(fā)濾波激發(fā)濾波發(fā)射濾波發(fā)射濾波比放大器比放大器FOCS信號顯示信號顯示熱電偶熱電偶溫度顯示溫度顯示電源電源內(nèi)置纖維的內(nèi)置纖維的復(fù)合材料層板復(fù)

14、合材料層板張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.2 光纖固化監(jiān)測傳感器的研究現(xiàn)狀 1.光纖超聲固化傳感器超聲檢測技術(shù)由超聲產(chǎn)生和檢測兩部分組成。通過光纖傳輸高能量激光脈沖在試件表面產(chǎn)生超聲波，再通過干涉型光纖傳感器檢測，就形成了光纖超聲方法。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.2 光纖固化監(jiān)測傳感器的研究現(xiàn)狀 1.光纖超聲固化傳感器埋入的干涉型光纖傳感器對材料內(nèi)彈性波的響應(yīng)由超聲波的傳播和偏振方向以及光纖的取向和傳輸光的偏振態(tài)決定。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.2 光纖固化監(jiān)測傳感器的研究現(xiàn)狀 固化傳感器示意圖： Q-開關(guān)Nd-YAG激光器數(shù)字示波器光電探測參考光纖傳輸光纖傳感光纖復(fù)合材料信號處理模塊張光磊：智能材料

15、與結(jié)構(gòu)1.2 光纖固化監(jiān)測傳感器的研究現(xiàn)狀 2.光纖紅外頻譜固化傳感器傅立葉紅外頻譜法作為化學(xué)反應(yīng)中功能基團(tuán)的檢測方法是已成熟的研究手段，將其用于復(fù)合材料固化在線監(jiān)測。檢測時通過對吸收峰的測量可直接得到化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的信息。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.2 光纖固化監(jiān)測傳感器的研究現(xiàn)狀 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)激光二極管耦合器光電管傳感頭多模（反射）光纖散射光纖端頭單模（入射）光纖空心光纖環(huán)氧膠張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.2 光纖固化監(jiān)測傳感器的研究現(xiàn)狀 該法優(yōu)點在于：可獲得固化化學(xué)反應(yīng)的直接信息且不受溫度、壓力等因素的干擾，可反映主要固化反應(yīng)進(jìn)程。缺點是：無法檢測非化學(xué)反應(yīng)因素如樹脂流動、殘余應(yīng)力等對固化質(zhì)量

16、的影響，且設(shè)備較為昂貴。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.2 光纖固化監(jiān)測傳感器的研究現(xiàn)狀 3.光纖EFPI固化傳感器外置式Fabry-Perot光纖傳感器也被用于對復(fù)合材料的固化過程進(jìn)行監(jiān)測。常規(guī)EFPI應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)圖： 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.2 光纖固化監(jiān)測傳感器的研究現(xiàn)狀 原始的不能滿足所需，因此對EFPI傳感原理進(jìn)行了改進(jìn)，即：改換反射多模光纖，換為折射率均勻的玻璃纖維。改進(jìn)的固化檢測EFPI應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)圖： 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.2 光纖固化監(jiān)測傳感器的研究現(xiàn)狀 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)S-LED耦合器探測器傳感頭均勻(反射)光纖拋光光纖端頭單模（入射）光纖空心光纖環(huán)氧膠鎖相放大器張光磊：

17、智能材料與結(jié)構(gòu)1.3應(yīng)用多模模斑譜光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程1. 監(jiān)測樹脂折射率的光纖固化傳感器在復(fù)合材料聚合物基體固化期間，分子鍵組分權(quán)重發(fā)生在復(fù)合材料聚合物基體固化期間，分子鍵組分權(quán)重發(fā)生變化，導(dǎo)致材料的折射率變化。變化，導(dǎo)致材料的折射率變化。因此因此對材料折射率的傳感就會反映材料的固化狀態(tài)對材料折射率的傳感就會反映材料的固化狀態(tài)。下表給出幾種普通聚合分子鍵的體折射系數(shù)下表給出幾種普通聚合分子鍵的體折射系數(shù) : 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.3應(yīng)用多模模斑譜光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.3應(yīng)用多模模斑譜光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程對于多種分子鍵混合的材料，及可用

18、分子鍵的組分權(quán)重平均值近似表示。根據(jù)介電常數(shù)或折射率隨樹脂交聯(lián)而變化的原理，發(fā)展了許多固化傳感器，例如：在5MHz到10MHz的頻帶內(nèi)使用電子頻譜介電儀測量樹脂交聯(lián)度相關(guān)的介電特性等。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.3應(yīng)用多模模斑譜光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程2. 多模光纖的模斑功率譜密度n 色相干光束在多模光纖中傳輸時，各個傳輸模色相干光束在多模光纖中傳輸時，各個傳輸模態(tài)會發(fā)生相互干涉，態(tài)會發(fā)生相互干涉，光纖末端會形成許多干涉光纖末端會形成許多干涉模斑。模斑。n 模斑分布會受到模斑分布會受到光線人射角、光纖數(shù)值孔徑及光線人射角、光纖數(shù)值孔徑及作用于光纖的外界擾動作用于光纖的外界擾動等因素的影響

19、。等因素的影響。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.3應(yīng)用多模模斑譜光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程3. 模斑譜光纖傳感器機(jī)理模斑譜光纖傳感器機(jī)理u由于玻璃可經(jīng)過處理而提高折射率，所以可直接制作折射率較大的玻璃纖芯，使其折射率大于樹脂的折射率。u由于樹脂折射率小于纖芯折射率，形成光波導(dǎo)，光線可在其中傳播。當(dāng)樹脂固化過程中折射率變化時，就可通過測量傳輸光信號來反映。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.3應(yīng)用多模模斑譜光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程3. 模斑譜光纖傳感器機(jī)理模斑譜光纖傳感器機(jī)理u普通光纖玻璃纖芯外是折射率稍低的玻璃包層，為便于剝掉包層特殊制作了PCS光纖，其聚合物包層同時具有普通玻璃包層的作用，且易于

20、用化學(xué)方法去除。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.3應(yīng)用多模模斑譜光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程4. 應(yīng)用多模模斑譜光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料的固化 利用模斑譜方法測量和處理數(shù)據(jù)，利用模斑譜方法測量和處理數(shù)據(jù)，從機(jī)理從機(jī)理上講，測量的對象是模斑的分布，上講，測量的對象是模斑的分布，顯然比顯然比只有當(dāng)模態(tài)總數(shù)發(fā)生變化才有效的測量強(qiáng)只有當(dāng)模態(tài)總數(shù)發(fā)生變化才有效的測量強(qiáng)度的方法更加敏感。度的方法更加敏感。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.3應(yīng)用多模模斑譜光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程4. 應(yīng)用多模模斑譜光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料的固化 利用光纖傳感器對利用光纖傳感器對不同溫度，壓力，不同不同溫度，壓力，不同固化劑等工藝參

21、數(shù)的固化過程進(jìn)行在線監(jiān)固化劑等工藝參數(shù)的固化過程進(jìn)行在線監(jiān)測研究測研究，為以后的復(fù)合材料工藝過程在線，為以后的復(fù)合材料工藝過程在線實時監(jiān)控系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。實時監(jiān)控系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.3應(yīng)用多模模斑譜光纖傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程由于固化后光纖仍保持光波導(dǎo)特性，該光纖還可用來監(jiān)測結(jié)構(gòu)受環(huán)境的擾動如溫度變化、振動等。固化后期保溫階段的溫度發(fā)生波動，這是由于熱壓機(jī)精度所致。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.4應(yīng)用光纖微彎傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程復(fù)合材料預(yù)浸帶成型過程初期，樹脂粘度由于溫度上升而降低至最低點。通過測量粘度的變化可確定固化結(jié)束時間，避免不完全因化和過度固化。在工藝過程中監(jiān)

22、測粘度的變化是改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本的關(guān)鍵。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.4應(yīng)用光纖微彎傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程1. 光纖微彎傳感器原理光纖微彎傳感器原理l微彎造成光纖傳輸能量損失，主要是微彎造成光纖傳輸能量損失，主要是由于纖芯由于纖芯最高階傳導(dǎo)模耦合到包層的輻射模，然后很快最高階傳導(dǎo)模耦合到包層的輻射模，然后很快衰減。衰減。l這種模態(tài)間的耦合可由許多環(huán)境效果造成，這種模態(tài)間的耦合可由許多環(huán)境效果造成，如如溫度、壓力、碰撞或引起結(jié)構(gòu)應(yīng)變的聲波。溫度、壓力、碰撞或引起結(jié)構(gòu)應(yīng)變的聲波。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.4應(yīng)用光纖微彎傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程光纖微彎與普通彎曲的比較示意圖如下：光纖微彎與普

23、通彎曲的比較示意圖如下：只有了解微彎對模態(tài)傳輸影響的方式才能有效利用這種現(xiàn)象。 光纖光纖R光纖光纖微彎微彎普通宏觀彎曲普通宏觀彎曲張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.4應(yīng)用光纖微彎傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程2. 復(fù)合材料固化過程的實時監(jiān)測復(fù)合材料固化過程的實時監(jiān)測l光源采用光源采用He-Ne激光器，光電探測采用硅光電二極管。激光器，光電探測采用硅光電二極管。l依據(jù)依據(jù)樹脂流動樹脂流動纖維作用機(jī)理的模型纖維作用機(jī)理的模型，可以把預(yù)浸層板，可以把預(yù)浸層板看作是充滿黏性流體的具有非線性彈性形變性能的看作是充滿黏性流體的具有非線性彈性形變性能的多孔多孔介質(zhì)介質(zhì)，對其施以釜壓后，樹脂和纖維共同承擔(dān)負(fù)荷。，對其施以

24、釜壓后，樹脂和纖維共同承擔(dān)負(fù)荷。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.4應(yīng)用光纖微彎傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程在初始階段纖維尚未發(fā)生變形，所施負(fù)荷完全由樹脂承擔(dān)；隨著溫度升高樹脂黏度降低，此時若層板邊緣處樹脂壓力較低，在內(nèi)、外壓差作用下樹脂將流動，由纖維造成的光纖微彎減弱；張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.4應(yīng)用光纖微彎傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程當(dāng)溫度降至最低點時，預(yù)浸層被壓縮，纖維受壓迫而變形并產(chǎn)生彈力，此時部分負(fù)荷被纖維承擔(dān)，光纖微彎開始增強(qiáng)，樹脂中的平均壓力減小；隨著預(yù)浸層被繼續(xù)壓縮，纖維所承擔(dān)負(fù)荷的比例越來越大，光纖微彎也越來越強(qiáng)， 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.4應(yīng)用光纖微彎傳感器監(jiān)測復(fù)合材料固化過程最終

25、的纖維體積分?jǐn)?shù)完全取決于纖維束的彈性性能，與樹脂的流動過程無關(guān)，直至固化結(jié)束，光纖微彎也保持最強(qiáng)，不再改變 。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.5復(fù)合材料成型工藝過程在線控制專家系統(tǒng)1. 復(fù)合材料成型過程的優(yōu)化設(shè)計 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型工藝過程非常復(fù)雜，不同的工藝過程和條件對最終復(fù)合材料制品的質(zhì)量有很大影響。對復(fù)合材料的工藝過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，是提高復(fù)合材料制品質(zhì)量和可靠性的關(guān)鍵。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.5復(fù)合材料成型工藝過程在線控制專家系統(tǒng)通常采用方法：根據(jù)固化過程機(jī)理建立描述固化過程的模型，通過數(shù)值計算方式描述整個固化過程，設(shè)計和優(yōu)化固化工藝，最終給出優(yōu)化的工藝參數(shù)。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.5復(fù)合

26、材料成型工藝過程在線控制專家系統(tǒng)具體步驟如下：a)選擇操作過程(溫度、壓力及其隨時間的變化)；b)計算各參數(shù)變量的分布及其隨時間的變化。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.5復(fù)合材料成型工藝過程在線控制專家系統(tǒng)在復(fù)合材料固化過程中，由于存在各種因素的相互作用，各參數(shù)變量不可能同時滿足要求，因此需要綜合考慮，處理好主次關(guān)系。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.5復(fù)合材料成型工藝過程在線控制專家系統(tǒng)利用數(shù)值模擬對固化過程進(jìn)行設(shè)計，可以反映固化體系的變化歷程，了解內(nèi)部過程機(jī)制，設(shè)計和優(yōu)化操作工藝，從而縮短了設(shè)計周期，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，并降低生產(chǎn)成本。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.5復(fù)合材料成型工藝過程在線控制

27、專家系統(tǒng)2. 復(fù)合材料成型工藝過程的專家系統(tǒng)復(fù)合材料成型設(shè)備復(fù)合材料成型設(shè)備1.熱壓機(jī)熱壓機(jī)2.高壓機(jī)高壓機(jī)3.纏繞機(jī)纏繞機(jī)埋入的光纖傳感器埋入的光纖傳感器壓力傳感器壓力傳感器固化傳感器固化傳感器溫度傳感器溫度傳感器工藝控制設(shè)備工藝控制設(shè)備加熱器加熱器冷卻器冷卻器壓力調(diào)節(jié)器壓力調(diào)節(jié)器實時評價專家系統(tǒng)實時評價專家系統(tǒng)不同的判斷規(guī)則不同的判斷規(guī)則固化監(jiān)測固化監(jiān)測專家評價專家評價實時檢測實時檢測控制指令控制指令張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.5復(fù)合材料成型工藝過程在線控制專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)對各參數(shù)變量的要求與復(fù)合材料成型過程的優(yōu)化設(shè)計對各參數(shù)變量的要求一樣，即：1)固化過程中復(fù)合材料內(nèi)任何位置任意時刻的溫度

28、不能超過某一允許值；2)固化過程中體系內(nèi)溫度分布均勻，內(nèi)外溫差在允許界限內(nèi)；張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.5復(fù)合材料成型工藝過程在線控制專家系統(tǒng)3)固化結(jié)束時各鋪層的固化度達(dá)到設(shè)計值，且各鋪層被壓縮后的厚度達(dá)到所設(shè)定的尺寸；4)體系內(nèi)殘留的氣泡尺寸小、數(shù)量少；5)固化周期短。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.5復(fù)合材料成型工藝過程在線控制專家系統(tǒng)溫度控制壓縮進(jìn)程控制氣泡生長控制判據(jù)規(guī)則殘余應(yīng)力控制固化結(jié)束控制生產(chǎn)結(jié)束控制綜合判斷等張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.5復(fù)合材料成型工藝過程在線控制專家系統(tǒng)將光纖傳感器埋入復(fù)合材料中，與專家系統(tǒng)相結(jié)合，所組成的復(fù)合材料工藝過程在線實時監(jiān)控系統(tǒng)，是該領(lǐng)域研究的發(fā)展方向。

29、張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用1.超高頻局部放電實時監(jiān)視系統(tǒng)超高頻(UHF)局部放電實時監(jiān)視系統(tǒng)是將超高頻傳感器設(shè)計技術(shù)、高速信號處理技術(shù)、多頻道檢測及分析技術(shù)、變電站外界雜波對策、程序運行及分析技術(shù)等相結(jié)合的綜合電力IT技術(shù)。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用超高頻局部放電實時監(jiān)視系統(tǒng)的工作原理是：u當(dāng)局部放電發(fā)生時，檢測其中超高頻波段的電磁波信號，達(dá)到監(jiān)視GIS狀態(tài)的目的。u現(xiàn)場操作容易，信號對噪聲比(SNR)的比值更高，可達(dá)到精密監(jiān)視GIS狀態(tài)的目的。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用監(jiān)視系統(tǒng)由：a)超高頻傳感器(U

30、HF Sensor)b)高級監(jiān)控系統(tǒng)(Advanced Monitoring System，AMoS)c)分站在線監(jiān)控系統(tǒng)(Substation Online Monitoring System，SOMoS)等部分組成。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用傳感器AMoS 1AMoS nDB服務(wù)服務(wù)SOMoS主服務(wù)器主服務(wù)器控制單元控制單元交流電源回路交流電源回路傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器AMoS 1AMoS nDB服務(wù)服務(wù)SOMoS主服務(wù)器主服務(wù)器控制單元控制單元交流電源回路交流電源回路傳感

31、器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器AMoS 1AMoS nDB服務(wù)服務(wù)SOMoS主服務(wù)器主服務(wù)器控制單元控制單元交流電源回路交流電源回路傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用光纖傳感器特別是利用光纖光纜采集和傳輸信號，可以做到現(xiàn)場無電檢測，本質(zhì)安全防爆，特別適于易燃易爆場所的計量、檢測和管理。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用罐區(qū)實時監(jiān)控系統(tǒng)主要包括如下功能： (1)報告各儲罐的當(dāng)前狀態(tài)信息；包括

32、儲罐儲藏的物品、液位、是否泄漏等信息。 (2)設(shè)定日常信號報警系統(tǒng)用于罐區(qū)的日常安全管理； (3)監(jiān)鍘罐區(qū)火警信息，并進(jìn)行初步火警處理。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用超高頻傳感器分為外置型和內(nèi)置型傳感器。（1）外置型傳感器安裝在GIS絕緣子的外部，檢測GIS內(nèi)部發(fā)生的局部放電信號。（2）內(nèi)置型傳感器安裝在GIS的內(nèi)部。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用由于不同電壓等級和生產(chǎn)單位所使用GIS的結(jié)構(gòu)不同，所以他們所使用的傳感器也應(yīng)針對不同電壓等級和生產(chǎn)單位來設(shè)計開發(fā)。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用2. 罐區(qū)無電實時監(jiān)控系統(tǒng)

33、在我國的石油化工、冶金以及國防等部門，如何對油品和化工產(chǎn)品等易燃易爆液體類物質(zhì)進(jìn)行自動化計量、安全檢測和安全管理一直是個難題。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用在高新技術(shù)的推動下，測量技術(shù)已跨入了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的時代，其主流發(fā)展呈現(xiàn)測量信息數(shù)字化、檢測控制儀表智能化及控制管理集成化的趨勢。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用下面將對此系統(tǒng)進(jìn)行一一學(xué)習(xí)：I.光纖傳感器系統(tǒng) 根據(jù)對罐區(qū)整體結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化分析，需要在罐區(qū)安裝的傳感器及有關(guān)附件包括：光纖液位傳感器、管線泄漏監(jiān)測分布式光纖傳感器、分布式光纖溫度傳感器、信號放大器、調(diào)理器等。 張光磊：智能

34、材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用傳感器也在朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在此過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞，它的出現(xiàn)給石油、化工工業(yè)的自動化計量、安全檢測和安全管理技術(shù)帶來重大變革。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用整個監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個部分，其中硬件部分包括四個系統(tǒng)，即：光纖傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析和處理系統(tǒng)。 控制保護(hù)裝置數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信和傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)光纖傳感系統(tǒng)儲罐張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用光纖傳感器在傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有非常明顯的

35、技術(shù)優(yōu)勢，主要包括：可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)這是因為光纖光柵對被測信息用波長編碼不受光源功率波動和光纖彎曲等因素引起的系統(tǒng)損耗的影響。測量精度高 精確的透射和反射特征(小誤差)使其更加準(zhǔn)確的反映丁應(yīng)力和溫度的變化。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用單路光纖上可以制作多個光柵 這樣便可以對大型工程進(jìn)行分布式測量。傳感器頭部結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，適于各種應(yīng)用場合，尤其適合于埋入材料內(nèi)部構(gòu)成所謂的智能材料或結(jié)構(gòu)?？闺姶鸥蓴_、抗腐蝕。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用II.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 主要包括安裝在罐區(qū)外的由微電腦控制的數(shù)據(jù)采集站，每個采集站都是基于PC的數(shù)據(jù)

36、采集分站。它們的主要功能是收集由光纖傳感器傳來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行信號調(diào)理、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的初步處理和儲存，然后傳輸?shù)奖O(jiān)控中心數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)中。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用III.數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng) 包括了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)平臺、安全監(jiān)測局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及與其他局域網(wǎng)或主干網(wǎng)的連接等。各系統(tǒng)之間的通信通過光纖傳輸，實現(xiàn)了全光通信，做到了本質(zhì)上的安全防爆。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用罐區(qū)數(shù)據(jù)通信與傳輸系統(tǒng)采用的是集計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、過程控制技術(shù)于一體的計算機(jī)測控管理系統(tǒng)，系統(tǒng)將高性能、高可靠性工業(yè)控制計算機(jī)、可編程控制器和各類現(xiàn)場儀表有機(jī)的結(jié)合

37、起來，實現(xiàn)各部分信息的共享和協(xié)調(diào)工作，完成綜合測控與管理功能。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用IV.數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)中主要以面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)的罐區(qū)信息管理系統(tǒng)軟件。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用它最主要的功能是能夠提供各種簡潔直觀的儲運系統(tǒng)信息，使管理人員能夠及時了解、掌握罐區(qū)的所有油品的各種動、靜態(tài)信息，為安全生產(chǎn)提供參考。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用無電實時監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用：A.滿足了石油化工、冶金以及國防等部門對易燃易爆液體類物質(zhì)的自動化計量、安全檢測

38、和安全管理的發(fā)展要求；B.大大提高了罐區(qū)的自動化管理及運營能力、張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)1.6在線監(jiān)控系統(tǒng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用去除和減少不必要中間環(huán)節(jié)；C.加強(qiáng)了內(nèi)部管理、提高了整體運營效率；D.實現(xiàn)整個系統(tǒng)運營的經(jīng)濟(jì)、合理和高效。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.振動主動控制系統(tǒng)2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng) 2.2 連桿機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)2.3 基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng) 1. 一個凸輪機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng) 1等速馬達(dá)；2凸輪軸；3盤形凸輪；4凸輪軸位置/速度傳感器；5控制器；6液壓缸；7活塞桿位置/速度傳感器；8減振盤；9彈性扭桿1

39、0加速度傳感器；11從動轉(zhuǎn)盤；12從動軸；13從動擺桿；14滾子張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)主系統(tǒng)主系統(tǒng)動力系動力系統(tǒng)統(tǒng)傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)等速馬達(dá)等速馬達(dá)1作為主系統(tǒng)的動力機(jī)作為主系統(tǒng)的動力機(jī)盤形凸輪盤形凸輪3安裝凸輪軸安裝凸輪軸2上，安裝在從上，安裝在從動擺桿動擺桿13上的滾子上的滾子14與盤形凸輪與盤形凸輪3滾動接觸，從動擺桿滾動接觸，從動擺桿13、從動轉(zhuǎn)盤、從動轉(zhuǎn)盤U均安裝在從動軸均安裝在從動軸12上。上。系統(tǒng)系統(tǒng)由由主系統(tǒng)主系統(tǒng)和和附加控制系統(tǒng)附加控制系統(tǒng)組成組成張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)附加控制系

40、統(tǒng)附加控制系統(tǒng) 信息處理與控制單元信息處理與控制單元 檢測傳感單元檢測傳感單元 執(zhí)行單元執(zhí)行單元 5為信息處理與控制單元為信息處理與控制單元 在凸輪軸在凸輪軸2上安裝位置腸度傳感器上安裝位置腸度傳感器4，檢，檢測凸輪的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速；在液壓缸測凸輪的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速；在液壓缸6的活塞的活塞桿上安裝位置避度傳感器桿上安裝位置避度傳感器7，檢測與活塞，檢測與活塞桿固定連接的減振盤桿固定連接的減振盤8的位置和速度；在的位置和速度；在從動轉(zhuǎn)盤從動轉(zhuǎn)盤U上安裝加速度傳感器上安裝加速度傳感器10，檢，檢測從動轉(zhuǎn)盤測從動轉(zhuǎn)盤11的加速度的加速度在從動轉(zhuǎn)盤在從動轉(zhuǎn)盤11上固定連接一個彈性拉桿上固定連接一個彈性拉桿9。減

41、振盤減振盤8與彈性扔桿與彈性扔桿9以移動副連接，兩者可以移動副連接，兩者可以作相對直線移動而不能作相對轉(zhuǎn)動。液壓以作相對直線移動而不能作相對轉(zhuǎn)動。液壓缸缸6的推桿與減振盤的推桿與減振盤8固接，驅(qū)動減振盤固接，驅(qū)動減振盤8沿沿彈性扭桿彈性扭桿9移動移動 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)2. 凸輪機(jī)構(gòu)振動主動控制系統(tǒng)的工組原理 控制器剛度函數(shù)1剛度函數(shù)2剛度函數(shù)n信息處理與控制單元存儲器液壓缸減振盤從動轉(zhuǎn)盤凸輪等速馬達(dá)位置/速度傳感器時間位置/速度傳感器運動規(guī)律張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)主系統(tǒng)的運動原理為： 等速馬達(dá)等速馬達(dá)1驅(qū)動盤形凸輪驅(qū)動盤

42、形凸輪3等速轉(zhuǎn)動，推動滾子等速轉(zhuǎn)動，推動滾子14和從動擺桿和從動擺桿13往復(fù)擺動，從動轉(zhuǎn)盤往復(fù)擺動，從動轉(zhuǎn)盤U將繞從動將繞從動軸軸12往復(fù)擺動作為輸出。往復(fù)擺動作為輸出。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng) 在信息處理與控制單元在信息處理與控制單元5的存儲器中，預(yù)先存儲的存儲器中，預(yù)先存儲有若干個彈性扭桿有若干個彈性扭桿9的剛度函數(shù)，在不同的凸輪的剛度函數(shù)，在不同的凸輪轉(zhuǎn)速下將選擇不同的剛度函數(shù)。轉(zhuǎn)速下將選擇不同的剛度函數(shù)。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)3.設(shè)計方法（1）剛度函數(shù)的計算步驟剛度函數(shù)的計算步驟l步驟一、建立凸輪從動件系統(tǒng)的動力學(xué)模型

43、。l步驟二、綜合減振器的動力學(xué)參數(shù)，建立總體系統(tǒng)的動力學(xué)模型。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)3.設(shè)計方法（1）剛度函數(shù)的計算步驟）剛度函數(shù)的計算步驟l步驟三、描述減振器剛度待定函數(shù)，建立動力優(yōu)化綜合模型。l步驟四、求解動力綜合優(yōu)化模型，獲得主動減振器的剛度函數(shù) 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.1 凸輪機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)（2） 凸輪機(jī)構(gòu)振動主動控制系統(tǒng)的剛度函數(shù)設(shè)計流程 總體系統(tǒng)動力學(xué)模型總體系統(tǒng)動力學(xué)模型動力優(yōu)化綜合模型動力優(yōu)化綜合模型減震器剛度函數(shù)減震器剛度函數(shù)主動減振器動力學(xué)模型主動減振器動力學(xué)模型減振器剛度待定函數(shù)減振器剛度待定函數(shù)模型求解模型求解凸輪凸輪-從動件

44、系統(tǒng)動力學(xué)模型從動件系統(tǒng)動力學(xué)模型張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.2 連桿機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)彈性連桿機(jī)構(gòu)的連桿曲線彈性連桿機(jī)構(gòu)的連桿曲線 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.2 連桿機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)彈性連桿機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)組成1.等速馬達(dá)；2曲柄；3連桿；4搖桿；5電阻應(yīng)變計；6壓電陶瓷作動器7馬達(dá)軸位置/速度傳感器；8信息處理與控制單元；9驅(qū)動器張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.2 連桿機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)主系統(tǒng)主系統(tǒng)動力系動力系統(tǒng)統(tǒng)傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)等速馬達(dá)等速馬達(dá)1作為主系統(tǒng)的作為主系統(tǒng)的動力機(jī)。動力機(jī)。 執(zhí)行系統(tǒng)是一個曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，執(zhí)行系統(tǒng)是一個曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，由曲柄由曲柄2、連

45、桿、連桿3、搖桿、搖桿4組成。組成。其中搖桿其中搖桿4為彈性構(gòu)件，其他桿為彈性構(gòu)件，其他桿均為剛性構(gòu)件。均為剛性構(gòu)件。 系統(tǒng)系統(tǒng)由由主系統(tǒng)主系統(tǒng)和和附加控制系統(tǒng)附加控制系統(tǒng)組成組成張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.2 連桿機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)附加控制系統(tǒng)附加控制系統(tǒng) 信息處理與控制單元信息處理與控制單元 檢測傳感單元檢測傳感單元 執(zhí)行單元執(zhí)行單元 信息處理單元負(fù)責(zé)接收和處理傳信息處理單元負(fù)責(zé)接收和處理傳感器的信號；控制單元負(fù)責(zé)計算感器的信號；控制單元負(fù)責(zé)計算控制算法并發(fā)出控制指令給執(zhí)行控制算法并發(fā)出控制指令給執(zhí)行單元。單元。 在馬達(dá)軸上安裝位置在馬達(dá)軸上安裝位置/速度傳感器速度傳感器7，檢，檢測曲柄

46、測曲柄2的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速；在彈性搖桿的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速；在彈性搖桿4上上一點的上下表面粘貼一點的上下表面粘貼l對電阻應(yīng)變計對電阻應(yīng)變計5，檢，檢測該點的彈性應(yīng)變。測該點的彈性應(yīng)變。在彈性搖桿在彈性搖桿4中點的上下表面粘貼中點的上下表面粘貼l對片狀壓對片狀壓電陶瓷作動器電陶瓷作動器6，由驅(qū)動器，由驅(qū)動器9驅(qū)動。驅(qū)動。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.2 連桿機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)工作原理：工作原理： 以電阻應(yīng)變計以電阻應(yīng)變計5拾取彈性搖桿拾取彈性搖桿4的應(yīng)變信的應(yīng)變信號傳至信息處理與控制單元號傳至信息處理與控制單元8，輸出控制電壓，輸出控制電壓給驅(qū)動器給驅(qū)動器9，驅(qū)動壓電陶瓷作動器，驅(qū)動壓電陶瓷作動器6，壓電陶，壓電

47、陶瓷作動器瓷作動器6生成控制力矩來抑制搖桿生成控制力矩來抑制搖桿4的彈性的彈性變形變形張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.2 連桿機(jī)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)壓電陶瓷作動器的安裝與接線方式 壓電陶瓷作動器原始構(gòu)件V 容易看出，壓電陶瓷作動器對彈性桿形成的控制力矩與所加的電壓成正比。因此，通過對輸入電壓的控制，即可實現(xiàn)對彈性機(jī)構(gòu)的振動控制。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)壓電陶瓷張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)智能結(jié)構(gòu)振動主動控制系統(tǒng)的控制思想是：將壓電材料作為傳感器和驅(qū)動器粘貼在結(jié)構(gòu)材料表面，壓電傳感器感受因振動而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，通過信號調(diào)理電路將振動響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號，該電壓信號被輸入

48、控制系統(tǒng)，經(jīng)過相應(yīng)控制算法的計算，生成相應(yīng)的控制信號，再通過功率放大器作用于驅(qū)動器，由驅(qū)動器將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，使之產(chǎn)生變形，從而改變結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力狀態(tài)或阻尼，達(dá)到振動主動控制的目的。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)基本思想 u在致動過程中提取出獨立于作動器激勵信號的在致動過程中提取出獨立于作動器激勵信號的運動狀態(tài)信息，所以壓電自傳感作動器在實際運動狀態(tài)信息，所以壓電自傳感作動器在實際應(yīng)用中的核心問題是如何將自感式壓電傳感作應(yīng)用中的核心問題是如何將自感式壓電傳感作動器的傳感信號同加在該元件上的激勵信號真動器的傳感信號同加在該元件上的激勵信號真正地分離。正地分離。 張

49、光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)壓電自傳感作動器物理模型 qrqcCrRrVcVpCpRp(a)(b)張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 壓電陶瓷傳感器電荷放大電路控制電路高壓放大器壓電陶瓷作動器張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)控制策略分析u機(jī)械振動都是圍繞平衡位置進(jìn)行振動的，機(jī)械機(jī)械振動都是圍繞平衡位置進(jìn)行振動的，機(jī)械振動的運動軌跡就是物體或物體的一部分偏離振動的運動軌跡就是物體或物體的一部分偏離平衡位置和返回平衡位置的運動。平衡位置和返回平衡位置的運動。u根據(jù)模態(tài)控制理論的原理，任何形式的振動都根據(jù)模態(tài)

50、控制理論的原理，任何形式的振動都可以由最基本的各階模態(tài)的振動累加而成?？梢杂勺罨镜母麟A模態(tài)的振動累加而成。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)u考慮到實際應(yīng)用中的可實現(xiàn)性，可采用一種四考慮到實際應(yīng)用中的可實現(xiàn)性，可采用一種四分之一周期振動控制方案，即對機(jī)構(gòu)偏離平衡分之一周期振動控制方案，即對機(jī)構(gòu)偏離平衡位置運動的四分之一個振動周期施加最大的作位置運動的四分之一個振動周期施加最大的作用力，讓振動速度盡快趨近于零，從而使結(jié)構(gòu)用力，讓振動速度盡快趨近于零，從而使結(jié)構(gòu)較少的偏離平衡位置。較少的偏離平衡位置。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)在純彎曲條件下

51、，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生小形變時，在壓電陶瓷片表面產(chǎn)生的電荷量為：u其中：其中：EI壓電傳感器的彈性模量；壓電傳感器的彈性模量；ud31壓電系數(shù)；壓電系數(shù)；ub 壓電傳感器的寬度；壓電傳感器的寬度；uy懸臂梁的撓度；懸臂梁的撓度；經(jīng)電荷放大器放大后，可得到與電荷量成正比的電壓信號。xxtxybEIddAtqxd),()(12231張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)力矩大小與控制電壓的關(guān)系為：u其中：其中：d31靜壓電系數(shù)；靜壓電系數(shù)；uh1 懸臂梁的厚度；懸臂梁的厚度；uh2 壓電元件的厚度；壓電元件的厚度；uEl懸臂梁的彈性模量；懸臂梁的彈性模量；uE2壓電陶瓷的彈性模量；壓電陶

52、瓷的彈性模量；uV(t)控制電壓?？刂齐妷?。221121121312)()(EhEhEEhhhdtVtM張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)u由上式可以看出控制力矩的大小與控制電由上式可以看出控制力矩的大小與控制電壓成正比，如果想得到較大的控制力，只壓成正比，如果想得到較大的控制力，只需要施加較大的電壓到壓電陶瓷作動器兩需要施加較大的電壓到壓電陶瓷作動器兩端即可。端即可。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)u因此，為了實現(xiàn)上述控制方法，只需要設(shè)因此，為了實現(xiàn)上述控制方法，只需要設(shè)計一個轉(zhuǎn)換電路，將電荷放大器送出的分計一個轉(zhuǎn)換電路，將電荷放大器送出的分

53、段正弦電壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，施加到段正弦電壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，施加到壓電陶瓷作動器的兩端即可。壓電陶瓷作動器的兩端即可。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)壓電陶瓷張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)移動質(zhì)量激勵懸臂梁振動主動控制系統(tǒng)u移動質(zhì)量載荷激勵作用下，梁動態(tài)響應(yīng)移動質(zhì)量載荷激勵作用下，梁動態(tài)響應(yīng)的分析與研究一直是結(jié)構(gòu)動力學(xué)的熱點問的分析與研究一直是結(jié)構(gòu)動力學(xué)的熱點問題，類似于梁等柔性結(jié)構(gòu)受移動載荷質(zhì)題，類似于梁等柔性結(jié)構(gòu)受移動載荷質(zhì)量作用在交通、工業(yè)生產(chǎn)和軍事上都有應(yīng)量作用在交通、工業(yè)生產(chǎn)和軍事上都有應(yīng)用。用。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)移動質(zhì)

54、量激勵懸臂梁振動主動控制系統(tǒng)u因此，對移動質(zhì)量載荷激勵作用下梁動因此，對移動質(zhì)量載荷激勵作用下梁動態(tài)特性進(jìn)行分析，進(jìn)而從振動控制的理論態(tài)特性進(jìn)行分析，進(jìn)而從振動控制的理論和技術(shù)出發(fā)，從根本上抑制梁結(jié)構(gòu)的振動和技術(shù)出發(fā)，從根本上抑制梁結(jié)構(gòu)的振動是一項有學(xué)術(shù)價值，而且，將產(chǎn)生巨大經(jīng)是一項有學(xué)術(shù)價值，而且，將產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的研究。濟(jì)效益和社會效益的研究。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)移動質(zhì)量激勵懸臂梁振動主動控制系統(tǒng)u壓電材料由于具有良好的機(jī)電耦合性能，可以壓電材料由于具有良好的機(jī)電耦合性能，可以做成分布傳感器、分布作動器內(nèi)嵌或外粘到柔做成分布傳感器、分布作

55、動器內(nèi)嵌或外粘到柔性結(jié)構(gòu)中，感知結(jié)構(gòu)所受激勵，并通過控制系性結(jié)構(gòu)中，感知結(jié)構(gòu)所受激勵，并通過控制系統(tǒng)做出相應(yīng)的動作，以補償或消除無益效應(yīng)，統(tǒng)做出相應(yīng)的動作，以補償或消除無益效應(yīng)，加強(qiáng)有益效應(yīng)。加強(qiáng)有益效應(yīng)。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)u壓電材料受到外力作用而發(fā)生形變時，將壓電材料受到外力作用而發(fā)生形變時，將產(chǎn)生電荷。在純彎曲條件下，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生產(chǎn)生電荷。在純彎曲條件下，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生小變形時，壓電元表面產(chǎn)生的電荷量經(jīng)過小變形時，壓電元表面產(chǎn)生的電荷量經(jīng)過電荷放大器放大后，得到與電荷成正比的電荷放大器放大后，得到與電荷成正比的傳感電壓信號，即傳感電壓信號，即張光磊：智能材

56、料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng))(),(),(2),()(),(),(2222224444vtxxtxyvyxtxyvxtxymvtxmgxtxymxtxyIEb221)()(xxFtUciaiNi式中，c=kad31/hp，ka為與材料特性有關(guān)的常數(shù)；d31為壓電應(yīng)力常數(shù)，mV；為Dirac函數(shù)；Fi(x)為第i片壓電元位置分布函數(shù)；Uai(t)為施加于第i片壓電元的電壓，V；N為壓電元的個數(shù)。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)u壓電材料受到外力作用而發(fā)生形變時，將產(chǎn)生壓電材料受到外力作用而發(fā)生形變時，將產(chǎn)生電荷。在純彎曲條件下，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生小變形時，電荷

57、。在純彎曲條件下，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生小變形時，壓電元表面產(chǎn)生的電荷量經(jīng)過電荷放大器放大壓電元表面產(chǎn)生的電荷量經(jīng)過電荷放大器放大后，得到與電荷成正比的傳感電壓信號，即后，得到與電荷成正比的傳感電壓信號，即xxtxybdEktUiixxppaid),()(212231式中Uai(t)為傳感電壓信號，k為電荷放大器的放大倍數(shù)。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)針對上述移動質(zhì)量激勵懸臂梁橫向振動主動控制壓電元的作動方程和傳感方程，通過分離變量法將其分別轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間模型中的系統(tǒng)狀態(tài)方程和輸出方程。將各階振動方程在模態(tài)坐標(biāo)系中進(jìn)行迭加，則由前n階模態(tài)振動方程組裝得到移動質(zhì)量激勵懸臂梁橫向

58、振動系統(tǒng)的狀態(tài)方程和輸出方程。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元件的振動主動控制系統(tǒng)柔性冗余度機(jī)器人振動主動控制系統(tǒng) u冗余規(guī)劃方法，雖然可以改善柔性冗余度機(jī)器冗余規(guī)劃方法，雖然可以改善柔性冗余度機(jī)器人的動力學(xué)品質(zhì)，但卻勢必影響其操作性能，人的動力學(xué)品質(zhì)，但卻勢必影響其操作性能，如消除奇異、避免障礙等，故難以適應(yīng)復(fù)雜的如消除奇異、避免障礙等，故難以適應(yīng)復(fù)雜的工作任務(wù)與環(huán)境的要求。工作任務(wù)與環(huán)境的要求。u此外，該方法所規(guī)劃的關(guān)節(jié)自運動一般比較復(fù)此外，該方法所規(guī)劃的關(guān)節(jié)自運動一般比較復(fù)雜，難以實時控制，且算法穩(wěn)定性較差。雜，難以實時控制，且算法穩(wěn)定性較差。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)2.3基于壓電元

59、件的振動主動控制系統(tǒng)u宋軼民等研究了具有壓電作動器與應(yīng)變傳感器宋軼民等研究了具有壓電作動器與應(yīng)變傳感器的柔性冗余度機(jī)器人的振動主動控制問題，在的柔性冗余度機(jī)器人的振動主動控制問題，在假定受控系統(tǒng)完全可控、完全可觀的前提下，假定受控系統(tǒng)完全可控、完全可觀的前提下，設(shè)計了，設(shè)計了，LQG狀態(tài)反饋控制器與狀態(tài)反饋控制器與Kalman最優(yōu)最優(yōu)濾波器，有效地抑制了，柔性冗余度機(jī)器人的濾波器，有效地抑制了，柔性冗余度機(jī)器人的彈性動力響應(yīng)。彈性動力響應(yīng)。張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)3.大型結(jié)構(gòu)溫度場實時監(jiān)測系統(tǒng)3.1 背景3.2 測溫系統(tǒng)的組成3.3 溫度檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計3.4 應(yīng)用與結(jié)論張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)3

60、.1 背景u大型結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性十分重要，對大型大型結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性十分重要，對大型結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測、診斷、控制及評價，結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測、診斷、控制及評價，從而及時發(fā)現(xiàn)并消除結(jié)構(gòu)的安全隱患，確保結(jié)從而及時發(fā)現(xiàn)并消除結(jié)構(gòu)的安全隱患，確保結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，是當(dāng)前國際學(xué)術(shù)界和工構(gòu)的安全性和可靠性，是當(dāng)前國際學(xué)術(shù)界和工程界普遍關(guān)注和高度重視的熱點。程界普遍關(guān)注和高度重視的熱點。 u當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，橋梁等結(jié)構(gòu)的溫度也當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，橋梁等結(jié)構(gòu)的溫度也會隨著發(fā)生變化。會隨著發(fā)生變化。 張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)熱敏電阻張光磊：智能材料與結(jié)構(gòu)3.1 背景u傳統(tǒng)的溫度檢測大都采