用于结构健康监测的声发射传感器研究

作     者：梁颖 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭涛

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：压电陶瓷 声发射传感器 有限元分析 结构健康监测 声发射信号 

摘      要：金属结构件被广泛应用于交通船务、航空航天和建筑等领域,对其进行结构健康监测十分重要。声发射作为结构健康监测技术中的重要手段,可以通过处理、分析声发射传感器采集到的信号数据,有效预估结构件剩余寿命。在结构健康监测过程中,不同的应用场合对声发射传感器谐振频率要求不同,可以选择不同谐振频率的敏感元件来设计满足场景监测需求,基于这一研究热点,本文通过对传感元件的谐振频率进行研究,研制了针对金属结构健康监测的声发射传感器。本文主要研究内容包含以下几点:（1）分析了金属材料中裂纹缺陷声发射信号的特点,设计出以PZT-5H压电陶瓷为敏感元件,氧化铝为声匹配层的声发射传感器结构,基于谐振频率、声阻抗匹配等理论,分析了各组成部分的材料以及参数尺寸。对传感器壳体做倒角设计,内部粘结消音棉,有效抑制了噪声的影响。（2）通过有限元分析中多种仿真类型,对压电声发射传感器中的关键元件进行性能仿真,评估不同参数尺寸传感器模型的响应特性,得到设计参数下的传感器模型谐振频率在设计要求范围内,验证了理论分析的正确性。（3）搭建声发射结构健康监测实验平台,通过断铅试验、集中区定位试验、疲劳载荷试验,测试压电声发射传感器在结构健康监测系统中的性能。试验结果表明:压电声发射传感器谐振频率为152k Hz,谐振点灵敏度为70d B,它对多类金属材料均具备良好的声学响应,其声源定位误差不超过5%,设计达到了预估的性能要求。