基于PVDF的无线智能疲劳监测系统

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug．252014V01．35No82190-2198ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．ca基于PVDF的无线智能疲劳监测系统白石1，周智2，申宇2，欧进萍1’*1．哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨1500902．大连理工大学土木工程学院，辽宁大连116024摘要：疲劳问题由于影响因素多、理论分析误差大、长期实时捕获疲劳信息困难等特点，使得工程中难于对疲劳破坏实现及时的、可靠的预警，这是一直以来困扰机械、土木、航

2、空航天、能源装备等领域研究者们的一个重要课题。针对传统基于应变时程分析疲劳累积损伤的诸多问题，提出了一种以聚偏二氟乙烯(PolyvinylideneFluoride，PVDF)为感知元件、方便用于结构疲劳监测的无线传感器系统。首先，根据PVDF的感知特性，对其灵敏度系数进行了标定；然后，通过对6061-T6铝合金材料的疲劳性能进行试验研究，验证了该系统的各方面工作性能；最后，通过将试验测点与该铝合金材料的s—N曲线进行对比，验证了该测试方法在研究材料疲劳性能时的可行性。试验结果表明，所开发的疲劳监测系统工作稳定性好、准确性高、实时性强，具有良好的工程应用前景。关键词：PVDF；疲劳；

3、无线传感器；铝合金；疲劳试验中图分类号：V231．95；0346．2；TP212．6文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)08—2190—09材料在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用后形成裂纹或完全断裂的局部、永久变化过程，称为疲劳。疲劳破坏，由于其普遍性和突发性，往往造成灾难性的事故，从而给人民带来严重的生命和财产损失。据统计，工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的50％～90％，是机械、结构失效的最常见形式uj。疲劳问题一直是困扰航空航天装备、机械工程(如装备、吊车等)、土木工程结构(如桥梁、高层建筑、大跨结构、路面结构等)、交通运输器械、

4、能源装备(如海洋平台、风机叶片、发动机组、油气管道、钻井钻柱等)等领域的关键科学与技术问题。经过100多年的研究历程与发展，疲劳问题取得了十分丰硕的理论研究成果，主要体现于疲劳设计方法、疲劳寿命预测方法、疲劳累积损伤理论等方面。但是由于疲劳问题具有影响因素较多、离散性大、单一参量无法准确表征等特点，使得绝大多数研究方法仅仅停留在设计阶段，或者基于阶段监测数据的统计分析，尚没有形成长期实时捕获疲劳信息、快速预警与可靠的基于荷载历程的寿命评估技术[2]。因此，工程中对于结构和构件的疲劳寿命评估一直是一项充满了挑战的研究课题。随着结构健康监测的快速发展，实现了疲劳问题的在线监测，并且针对疲

5、劳破坏的随机性，提供了可靠的解决办法。为此，学者们提出了多种疲劳监测与检测技术手段。其中，基于电阻变化机理的疲劳寿命计[33具有很高的疲劳响应及很好的重复性和稳定性，在工程中得到了一定的应用，但其对于低应变周期较为乏力、耐久性不收稿日期：2013·12—24；退修日期：2014—04—16；录用日期：2014—05—21；网络出版时间：2014．05—2612：59网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／10．7527／$1000．689320140106html基金项目：国家“973”计划(2011CB013705)；国家科技支撑项11(2011BAK0280

6、1)；教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET一10-0290)*通讯作者Tel：0451-86282209E-mail：oujinping@hiteducn引角椿武

7、BaiS，ZhouZ．ShenY．eta1．AwirelessintelligentfatiguemonitoringsystembasedonPVD旺J]．ActaAeronauticaetAstronau．ticaSinica，2014，35(8)：2190-2198．白石，蜀智，申字．等．基fPVDF的无线智能疲劳监溺系统!Jj．航空学报．2014．35(8)：2190-2198白石等：基于PVDF的无线智能疲劳监

8、测系统高、非线性效应较大、监测疲劳参数较少(仅为应力幅和循环次数)；基于应变时程的分析方法¨1需要长期的监测数据，实时滞后。在无损检测领域中，声发射技术∞61具有灵敏度高、捕捉裂纹信息快等特点，但无法监测静态损伤，不能定量描述损伤信息，且易受环境噪声影响；超声检测技术[7阳虽精度高、抗干扰能力强，但存在表面“盲区”，且检测效率较低；基于电磁感应理论的电涡流检测技术[9‘1⋯，能够灵敏地检测到由疲劳导致的材料的微小裂纹，但检测对象仅限于导体材料，并且仅能检测