众所周知,声发射(AE)是材料在受到形变或外力作用时,迅速释放能量而产生的瞬态应力波,是进行结构诊断的重要依据。声发射的检测过程可以归纳为:从声发射源发出的应力波信号经介质传播后达到声发射传感器,输出电信号,根据这些电信号对声发射源作出正确的解释,从而达到对结构的损伤检测的目的。声发射信号的频率分量可以从次声频扩展到50MHz,因此需要传感器具有较宽的频带,高的灵敏度才能有效地抓住结构损伤的特征信号。 目前人们一般用压电材料研制传感器,因为压电材料感应应力波时具有响应速度快、频带宽、测量精度高、性能稳定等优点。然而普通压电材料作为传感元件它将同时感受所有方向应力波,不具备测定特定方向应力波的能力,因此也不能分辨不同方向的AE信号。 压电正交异性复合材料OPCM(Orthotropic Piezoelectric Composite Materials,简称OPCM)传感器除了具有普通压电复合材料柔韧性好、强度高、极限应变大、重量轻等优点外,还具有平面横观各向异性的特点,可以区分平面结构中的各个应力波分量。本文用OPCM研制AE传感元件,通过有限元方法对传感元件的构造方式,尺寸和性能等进行设计和优化,包括 (1) 研究在有限元中压电元件电极模拟方法,讨论了读取电压自由度值的可行性和优越性;(2) 通过数值方法模拟结构中一种特定的AE源评价传感元件的特性,该方法具有简单,无噪声干扰的特点;(3) 基于MATLAB的信号处理方法对传感元件模拟输出信号进行分析。 通过设计相关的实验方法对传感元件的正交异性特性进行检测,并把所得信号和数值模拟结果进行分析比较,在验证理论方法可行的基础上,对影响传感元件传感特性的因素作了详细的研究;并同时研究了OPCM传感元件的加工制作工艺。最后对该传感元件的应用前景作了阐述。