CN114280104A - 用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构损伤监测技术领域，特别涉及一种用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，包括岛桥连接件、连接胶层和压电传感单元；岛桥连接件包括自上而下依次设置的顶梁、支撑臂和触脚，支撑臂分别与顶梁和触脚相连接，压电传感单元通过连接胶层平齐设于顶梁上，触脚底面可通过固定胶层粘贴安装至被监测结构表面；通过设置岛桥连接件，缓冲分散来自于被监测结构表面的高应变至支撑臂处，削弱并降低了设于顶梁上压电传感单元的应变水平，不仅结构简单，且可靠性高、适应性强、使用方便，在高应变监测场合使用时，显著提高了压电传感器的高应变承受能力和使用寿命。

Description

用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器

技术领域

本发明涉及结构损伤监测技术领域，特别涉及一种用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器。

背景技术

随着传感技术的发展，使用以永久安装在结构上的传感器阵列为基础的结构健康监测技术(Structural health monitoring简称SHM)被认为是确保结构设计先进性、完整性和耐久性，提高设备安全性和降低维护成本的革命性创新技术。SHM的一个关键因素是先进传感技术及其系统，包括光纤传感、压电传感、电磁传感、MEMS、纳米传感和无线传感系统等。

其中，压电传感由于其灵敏度高、控制系统简单、且能同时用作主动与被动监测，因而被广泛用于构造不同类型的结构健康监测技术，如常见的基于导波理论和机电阻抗理论的传感技术。用于SHM的压电传感器常采用粘合剂永久结合到待监测的主体结构上，粘合界面提供了压电元件和主体结构之间传递力和应变所需的必要机械耦合，从而实现了信号的传递。

目前，基于导波理论的代表性工作是美国斯坦福大学研发的压电智能夹层传感器阵列，已在飞行器上进行了超声导波健康监测技术的实验室验证工作。基于机电阻抗理论的代表性工作是在NASA Langley中心Learjet 25机身结构和C-17机身上完成的，该工作验证了基于阻抗法结构健康监测技术的可行性。

直至目前，尽管基于压电传感器的结构损伤监测技术已经取得了长足的进步。但是，大部分压电传感器无法在航空航天、高端装备、深海设备上进行应用，究其原因，上述环境较为恶劣，例如，高温、高压、大变形及冲击载荷等情况，这些复杂环境因素的单独作用或耦合作用对传感系统的适应性、耐久性和可靠性有更高的要求。

其中，由于压电传感器的拉伸应变承受能力较差，一旦其所受应变水平高于极限承受能力时，压电传感器将破碎并失效，并且，压电传感器的极限拉应变承受能力通常比被测结构的应变水平低得多，例如，一般压电传感器的极限拉伸应变为1100με左右，但一些航空结构在工作中最大瞬时应变可达6000με左右，而某些深海管道处的应变水平甚至高达10000με。

若将压电传感器直接粘接安装在高应变环境下的被监测结构上，则由被测结构传递至传感器中的应变水平必然超出其所能承受的范围，导致传感系统失效，因此，由监测结构大变形导致压电传感器出现破坏性高应变进而失效的问题尤为突出，若需对高应变环境结构进行损伤监测，必须通过一些措施来提高压电传感器的高应变承受性能，以保证压电传感器在服役过程中的安全性、可靠性。

虽然，中国专利申请(公开号为CN105675022A)公开的损伤监测复合式压电薄膜传感器，采用单片PVDF压电薄膜测应变，同时通过PVDF压电薄膜和质量块相结合的方式测加速度，具有良好的线性度。但是该现有技术也并未解决由于监测结构大变形导致压电传感器出现破坏性高应变进而失效的问题。

发明内容

为解决上述现有技术中压电传感器出现破坏性高应变进而失效的不足，本发明提供一种用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，可以缓冲分散来自于被监测结构表面的高应变，提高压电传感器的高应变承受能力。

本发明提供一种用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，包括岛桥连接件、连接胶层和压电传感单元；

所述岛桥连接件包括自上而下依次设置的顶梁、支撑臂和触脚，所述支撑臂分别与所述顶梁和所述触脚相连接，所述压电传感单元通过所述连接胶层平齐设于所述顶梁上，所述触脚底面可通过固定胶层粘贴安装至被监测结构表面。

在一实施例中，所述支撑臂的内壁分别与所述顶梁底面的边缘和所述触脚底面的边缘相连接，所述支撑臂的外壁分别与所述顶梁顶面的边缘和所述触脚顶面的边缘相连接。

在一实施例中，所述顶梁与所述压电传感单元或连接胶层相匹配。

在一实施例中，所述顶梁呈圆柱状；所述支撑臂呈空心的圆台环状；所述触脚呈圆环状。

在一实施例中，随着所述顶梁和所述支撑臂组成的弓形结构投影至被监测结构表面的等效长度L₁减小，所述压电传感单元的最大应变ε₂随之减小。

在一实施例中，所述压电传感单元的最大应变ε₂随着所述支撑臂的长度L₂和所述支撑臂与被监测结构表面之间夹角α的增大而减小。

在一实施例中，所述支撑臂与被监测结构表面之间夹角α范围为0-90°。

在一实施例中，所述支撑臂与被监测结构表面之间夹角α范围为30-60°。

在一实施例中，根据应变传递系数η和所述压电传感单元的最大应变ε₂分别确定所述顶梁和所述触脚的厚度h₃、所述支撑臂的长度L₂以及所述夹角α。

在一实施例中，所述压电传感单元的最大应变ε₂为0.8倍的ε^p，ε^p为所述压电传感单元的失效应变；

所述顶梁和所述触脚的厚度h₃满足3(h₁+h₂)≥h₃≥(h₁+h₂)；其中，h₁为所述压电传感单元的厚度，h₂为所述连接胶层的厚度；

所述夹角α满足

其中，L₃为所述顶梁的长度，L₄为所述触脚的长度；

所述支撑臂的长度L₂满足

基于上述，与现有技术相比，本发明提供的用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，结构简单，通过设置岛桥连接件，缓冲分散来自于被监测结构表面的高应变至支撑臂处，削弱并降低了设于顶梁上压电传感单元的应变水平，显著提高了压电传感器的高应变承受能力、耐久性、生存性以及压电传感器的使用寿命，还保证了压电传感器在监测过程中的可靠性、安全性和完整性；

同时由于高频激励下岛桥连接压电传感器模态与被监测结构模态间相互促进所形成的高阶耦合结构模态在模态幅值上的提升，岛桥连接压电传感器与被监测结构耦合所形成的结构模态具备高能量特性，因此压电传感单元产生的高频监测信号在传递过程中可较好地保持或增强信号的能量，从而实现了增强压电传感器的安全性、高应变承受能力的同时，还保障了高应变损伤监测时压电传感单元所反馈信号的信噪比以及可靠性，有利于结构损伤监测。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。

图1为本发明提供的岛桥连接压电传感器的结构示意图；

图2为本发明提供的岛桥连接件的结构示意图；

图3为本发明提供的岛桥连接压电传感器的侧视图；

图4为本发明提供的支撑臂与被监测结构表面角度的示意图；

图5为本发明提供的岛桥连接压电传感器各参数示意图；

图6为本发明提供的岛桥连接压电传感器受拉伸载荷的示意图；

图7为本发明提供的岛桥连接压电传感器受压缩载荷的示意图。

附图标记：

10岛桥连接件 11顶梁 12支撑臂

13触脚 20连接胶层 30压电传感单元

40固定胶层 50被监测结构

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。

为提升压电传感器的耐久性和生存性，当前研究中主要集中研究胶层尺寸、弹性模量等参数对应变传递效率的影响，进而选定符合监测环境需求的胶层，其在一定程度上促进了压电传感器在高应变环境下的可用性，但仍然无法满足被监测结构大于4000με的环境安全工作的要求。

而且在高应变环境下，仅通过改变胶层的属性削弱压电传感器的应变水平，那满足需求的胶层尺寸必然相对较大，导致压电传感器接收信号能力急剧下降，不利于结构损失监测。由此可见，提高压电传感器的高应变承受能力，保证其在高应变环境结构服役过程中的可靠性、安全性、完整性是SHM工程应用的一大技术难点。

为此，如图1、图2所示，本发明提供一种用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，包括岛桥连接件10、连接胶层20和压电传感单元30；

所述岛桥连接件10包括自上而下依次设置的顶梁11、支撑臂12和触脚13，所述支撑臂12分别与所述顶梁11和所述触脚13相连接，所述压电传感单元30通过所述连接胶层20平齐设于所述顶梁11上，所述触脚13底面可通过固定胶层40粘贴安装至被监测结构50表面。

具体实施时，如图1、图2所示，岛桥连接件10包括自上而下依次设置的顶梁11、支撑臂12和触脚13，支撑臂12分别与顶梁11和触脚13相连接，较佳地，本实施例中，顶梁11呈圆柱状，支撑臂12呈空心的圆台环状，触脚13呈圆环状。

具体地，如图1、图2、图3、图4所示，支撑臂12相对被监测结构50表面之间具有一定的夹角α，支撑臂12的内壁分别与顶梁11底面的边缘和触脚13底面的边缘相连接，支撑臂12的外壁分别与顶梁11顶面的边缘和触脚13顶面的边缘相连接。

如图1、图3所示，压电传感单元30通过连接胶层20平齐设于顶梁11上，具体地，连接胶层20的下表面平齐设于顶梁11的上表面，压电传感单元30平齐设于连接胶层20的下表面，触脚13的底面可通过固定胶层40安装粘贴至被监测结构50表面，较佳地，触脚13底面与固定胶层40顶面保持平齐且二者均与被监测结构50表面平行。

在实际监测时，当被监测结构50受载产生较大应变时，应变通过固定胶层40的剪切力及拉弯耦合作用首先传递至触脚，经历第一次应变衰减；接着，应变从触脚13进一步由具备良好延展性的支撑臂12削减并传递至顶梁11；此时，依靠于岛桥连接件10的缓冲特性，上传的大应变集中在支撑臂12处，顶梁11仅分布小应变。因此，来自于被监测结构50的应变经历了第二次衰减；最终在连接胶层20的黏力作用下，顶梁11处的应变传递至压电传感单元30。

如图5、图6、图7所示，得益于岛桥连接件10的应变衰减，传递至压电传感单元30的最大应变将远低于触脚13处的应变，相应的应变削弱程度通过应变传递系数η进行表示；

应变传递系数

其中，ε₁为触脚平均应变，ε₂为压电传感单元最大应变；L₁为岛桥连接件中顶梁11和支撑臂12组成的弓形结构投影至被监测结构表面的等效长度，L₂为支撑臂长度，L₃为顶梁11或压电传感单元30或连接胶层20的有效长度；

系数γ＝(h₁+h₂+h₃)/h₃，h₁、h₂及h₃分别为压电传感单元、连接胶层及顶梁或触脚的厚度；压电传感单元厚度h₁和连接胶层厚度h₂根据实际选择确定；

α为支撑臂12与被监测结构表面50所形成的锐角式夹角；

y_s为压电传感单元30上应变最大位置与由压电传感单元30、连接胶层20和顶梁11所组成的纯弯曲梁的中性面的距离，

E₁、E₂和E₃分别为压电传感单元、连接胶层和岛桥连接件的弹性模量，压电传感单元的弹性模量E₁和连接胶层的弹性模量E₂根据实际选择确定，岛桥连接件的弹性模量E₃常取与被监测结构同属性材质。

根据应变传递系数η可进一步获得压电传感单元的最大应变ε₂；

压电传感单元的最大应变

具体地，随着顶梁和支撑臂组成的弓形结构投影至被监测结构表面的等效长度L₁减小，压电传感单元的最大应变ε₂随之减小；压电传感单元的最大应变ε₂随着支撑臂的长度L₂和支撑臂与被监测结构表面之间夹角α的增大而减小。

为了使压电传感单元的最大应变ε₂减小，则可通过调整支撑臂的长度L₂和支撑臂与被监测结构表面之间的夹角α进行调整。其中，如图4所示，支撑臂与被监测结构表面之间夹角α可以是0-90°，优选地，支撑臂与被监测结构表面之间夹角α可以是30-60°。

压电传感单元厚度h₁、连接胶层厚度h₂以及顶梁或压电传感单元或连接胶层的有效长度L₃根据实际选择确定，触脚长度L₄与固定胶层40相同；因此，可根据应变传递系数η和所述压电传感单元的最大应变ε₂分别确定顶梁和触脚的厚度h₃、支撑臂的长度L₂以及夹角α。

首先，根据应变环境需求ε_max，可以确定触脚处应变ε₁，触脚处应变ε₁＝λ×ε_max；接着，根据触脚处应变ε₁，得出压电传感单元的最大应变

其中，压电传感单元的最大应变ε₂为0.8倍的ε^p，ε^p为所述压电传感单元的失效应变。

较佳地，本实施例中，ε^p以1100με为例，则压电传感单元的最大应变ε₂为880με；系数λ∈(0.4,0.7)，表征应变由被监测结构传递至触脚的衰减，优选地，系数λ可以是0.6。

顶梁和触脚厚度h₃满足3(h₁+h₂)≥h₃≥(h₁+h₂)；其中，h₁为压电传感单元的厚度，h₂为连接胶层的厚度；

夹角α满足

其中，L₃为顶梁的长度，L₄为触脚的长度，触脚长度L₄与固定胶层40相同；

支撑臂的长度L₂满足

顶梁和支撑臂组成的弓形结构投影至被监测结构表面的等效长度L₁随着支撑臂的长度L₂和顶梁的长度L₃而确定。

最后，根据触脚厚度h₃、夹角α₄和支撑臂长度L₂等参数代入压电传感单元的最大应变

中，以使压电传感单元的最大应变ε₂小于880με，从而确保压电传感器的高应变承受能力、耐久性、生存性以及压电传感器的使用寿命。

优选地，根据上述方法可获得多种符合要求的根据触脚的厚度h₃、夹角α和支撑臂的长度L₂等参数，其最优解可通过MATLAB等软件循环计算对比获得，为了避免尺寸过大的岛桥连接压电传感器所附加的外部质量影响被监测结构，最优解可以是符合监测环境应变要求且可使岛桥连接件最小化的解，同时满足压电传感单元在高应变环境下的安全性要求。

通过调节触脚的厚度h₃、夹角α和支撑臂的长度L₂等参数，可以有效改变其应变传递系数η，应变传递系数η越小，则表明岛桥连接压电传感器对于来自被监测结构都应变抑制或削弱作用越好，即传递至压电传感单元中的应变水平越低，从而有效保障压电传感器的结构安全性以及信号的可靠性。

为了确认岛桥连接压电传感器对于提高压电传感单元大应变承受能力的效果，根据应变传递系数η确定以下岛桥连接压电传感器的尺寸，如下表1所示。表中，h为厚度统称，E为弹性模量统称，ρ为密度的统称，λ为泊松比的统称。

元件	h/mm	L<sub>1</sub>/mm	L<sub>2</sub>/mm	L<sub>3</sub>/mm	E/GPa	ρ/(kg/m<sup>3</sup>)	λ	α/°
									压电传感单元	0.33	/	/	6	60	7750	0.34	/
连接胶层	0.02	/	/	6	1	1200	0.3	/
									岛桥连接件	0.4	8.66	2.66	6	67	2690	0.33	60

表1

同时，设置相同尺寸的常规压电传感器进行比较，常规压电传感器即无本发明提供的岛桥连接件，仅将常规压电传感单元通过固定胶层直接安装至被监测结构表面，常规压电传感器对应结构尺寸如下表2所示，具体地，常规压电传感器采用较为常见的压电陶瓷PZT-5A作为示例。

元件	h<sub>1</sub>/mm	L<sub>3</sub>/mm	E<sub>1</sub>/GPa	ρ<sub>1</sub>/(kg/m<sup>3</sup>)	λ<sub>1</sub>
						常规压电传感器	0.33	6mm	60	7750	0.34

表2

被监测结构以航空结构中常用铝板为例，利用COMSOL软件对两种压电传感器粘贴在发生大应变铝板进行二维平面有限元模拟分析，铝板的尺寸可以是100mm×1mm，铝板的材料特性可以是E＝67GPa、ρ＝2690kg/m³、λ＝0.33。

将本发明提供的岛桥连接压电传感器和常规压电传感器均通过0.02mm等厚度固定胶层(E＝1GPa、ρ＝1200kg/m³、λ＝0.3)安装至铝板表面中央，固定胶层的长度分别与其自身粘贴的压电传感器受粘面等长，即1.5mm×2(×表示岛桥连接压电传感器两侧触脚均受粘)和6mm。

在实际进行对比时，将铝板一端固支，另一端施加均匀横向位移，使铝板分别产生2000με、4000με、6000με、8000με、10000με高应变，用以检测并对比所述两种压电传感器中的压电传感单元在对应的铝板变形下的最大应变大小，相应结果如表3所示。

铝板应变	2000με	4000με	6000με	8000με	10000με
						常规压电传感器最大应变	984.7με	1969με	2954με	3939με	4926με
岛桥连接压电传感器最大应变	82.64με	165.3με	274.9με	330.6με	413.2με

表3

根据表3可知，在铝板受载情况相同情况下，岛桥连接压电传感器上的最大应变远小于常规压电传感器上的最大应变。例如，当铝板发生10000με的高应变时，岛桥连接压电传感器中的压电传感单元上最大应变仅有413.2με，而常规压电传感器上的常规压电传感单元的最大应变高达4926με；可见，本发明提供的岛桥连接压电传感器相较于常规压电传感器上的常规压电传感单元的应变承受能力的优化效率约为1192.16％。

一般情况下，由于压电传感单元可承受的极限失效应变约为1100με；常规压电传感器在被监测结构仅发生2500με左右变形时就将损坏；而本发明提供的岛桥连接压电传感器则可轻松、安全地工作在10000με左右的高应变环境。

图6为岛桥连接压电传感器受拉伸载荷的示意图，图7为岛桥连接压电传感器受压缩载荷的示意图，如图6、图7所示，岛桥连接压电传感器在被监测结构50受压应变或拉应变时，均可实现对来自于结构应变的削减作用；由于岛桥连接件的拉压可逆性决定，在被监测结构50发生大小相同压应变或拉应变时，压电传感单元30最大应变大小是一致的，因此，本实施例不再赘述岛桥连接件受压时的情况。

另一方面，为了显示压电传感单元在高频激励时其结构模态与被监测结构模态间相互促进所形成的高阶耦合结构模态在模态幅值上的提升，能够保证以及优化高频监测信号在传递过程中的信噪比对特性，采用结构尺寸与前述应变仿真分析一致的两种压电传感器进行信号大小的比较，其中，监测信号选取压电传感器常用的阻抗信号为代表进行对比。

被监测结构亦采用航空结构中常用铝板为例，利用COMSOL软件对上述两种压电传感器粘贴在发生铝板表面这一情况进行有限元模拟分析，仿真时施加给压电传感单元1V的电压激励信号，激励频率选取常用的频段10kHz～150kHz。

用于测试的铝板尺寸为：200mm×200mm×2mm，主要材料特性为：E＝67GPa、ρ＝2690kg/m³、λ＝0.33；岛桥连接压电传感器的固定胶层以及常规压电传感器的固定胶层的属性与尺寸均和前述应变仿真分析采用的一致。

此外，基于常规压电传感器高应变承受能力差的问题，现有技术中提出的改变胶层厚度适当提高压电传感器应变承受能力的方法，其在胶层厚度高达0.47mm、0.62mm、0.82mm时也可分别保证传感器在结构应变环境为6000με、8000με、10000με的情况下不被损坏；然而，上述三种胶层厚度远高于实际应用中可达到的常用的胶层厚度值，并且由于实际胶层材料的复杂性，过厚的胶层将大大影响传感器的信号传递，造成极差的信噪比，从而不适用于实际应用。

因此，为了进一步说明岛桥连接压电传感器的信号可靠性，还对比比较了胶层厚度为0.47mm、0.62mm、0.82mm时的常规压电传感器阻抗信号。对比结果如表4所示。

表4

表4中，信号比定义为其它4种压电传感器与0.02mm胶层厚度下的常规压电传感器的平均/最大阻抗信号对比下的信号增强(+)或减弱(-)。

由表4可得，通过改变固定胶层厚度改善压电传感器高应变承受能力时，将导致监测信号的平均值和最大值的大幅下降，如在0.82mm胶层厚度时的常规压电传感器阻抗信号平均值下降了450％、最大值下降了617％。

用于传感监测的信号大幅降低将导致极差的信噪比，在损伤监测实际应用中难以有效地显示出损伤前后信号的差异，从而为损伤表征带来困扰，因此改变胶层厚度这一方案不适用结构应变大于6000με时的损伤监测场合。

反观本发明提供的岛桥连接压电传感器，其阻抗信号在平均值与最大值方面较0.02mm胶层厚度下的常规压电传感器均呈现出了显著的提升，相应的提升程度分别为383％与1184％。

由此可见，由于高频激励下岛桥连接压电传感器与被监测结构耦合所形成的结构模态具备高能量、高功率的特性，因此压电传感单元产生的高频监测信号在传递过程中可较好地保持或增强信号的能量，从而实现在改善压电传感单元应变水平的同时，保证损伤监测信号的信噪比，使其满足于高应变监测的需求。

在高应变环境下开展损伤监测时，结构应变的传递属于静态载荷的迁移过程，而岛桥连接压电传感器中负责结构损伤监测的压电传感单元产生的高频监测信号的传递及接收过程属于动态载荷的传递。本发明提供的用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，依靠于岛桥连接件10的应变衰减作用，岛桥连接件10缓冲分散来自于被监测结构50表面的高应变至支撑臂12处，有效抵消和衰减由被监测结构50表面传递至压电传感单元30中的应变水平，削弱并降低了设于顶梁11上压电传感单元30的应变水平，岛桥连接压电传感器可有效抑制静态载荷的传递。

基于上述，与现有技术相比，本发明提供的用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，结构简单，通过设置岛桥连接件，缓冲分散来自于被监测结构表面的高应变至支撑臂处，削弱并降低了设于顶梁上压电传感单元的应变水平，显著提高了压电传感器的高应变承受能力、耐久性、生存性以及压电传感器的使用寿命，还保证了压电传感器在监测过程中的可靠性、安全性和完整性；

同时由于高频激励下岛桥连接压电传感器模态与被监测结构模态间相互促进所形成的高阶耦合结构模态在模态幅值上的提升，岛桥连接压电传感器与被监测结构耦合所形成的结构模态具备高能量特性，因此压电传感单元产生的高频监测信号在传递过程中可较好地保持或增强信号的能量，从而实现了增强压电传感器的安全性、高应变承受能力的同时，还保障了高应变损伤监测时压电传感单元所反馈信号的信噪比以及可靠性，有利于结构损伤监测。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

尽管本文中较多的使用了诸如岛桥连接件、顶梁、支撑臂、触脚和连接胶层等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的；本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，其特征在于：包括岛桥连接件、连接胶层和压电传感单元；

所述岛桥连接件包括自上而下依次设置的顶梁、支撑臂和触脚，所述支撑臂分别与所述顶梁和所述触脚相连接，所述压电传感单元通过所述连接胶层平齐设于所述顶梁上，所述触脚底面可通过固定胶层粘贴安装至被监测结构表面。

2.根据权利要求1所述的用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，其特征在于：所述支撑臂的内壁分别与所述顶梁底面的边缘和所述触脚底面的边缘相连接，所述支撑臂的外壁分别与所述顶梁顶面的边缘和所述触脚顶面的边缘相连接。

3.根据权利要求1所述的用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，其特征在于：所述顶梁与所述压电传感单元或连接胶层相匹配。

4.根据权利要求1所述的用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，其特征在于：所述顶梁呈圆柱状；所述支撑臂呈空心的圆台环状；所述触脚呈圆环状。

5.根据权利要求1所述的用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，其特征在于：随着所述顶梁和所述支撑臂组成的弓形结构投影至被监测结构表面的等效长度L₁减小，所述压电传感单元的最大应变ε₂随之减小。

6.根据权利要求1所述的用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，其特征在于：所述压电传感单元的最大应变ε₂随着所述支撑臂的长度L₂和所述支撑臂与被监测结构表面之间夹角α的增大而减小。

7.根据权利要求1所述的用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，其特征在于：所述支撑臂与被监测结构表面之间夹角α范围为0-90°。

8.根据权利要求1所述的用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，其特征在于：所述支撑臂与被监测结构表面之间夹角α范围为30-60°。

9.根据权利要求7所述的用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，其特征在于：根据应变传递系数η和所述压电传感单元的最大应变ε₂分别确定所述顶梁和所述触脚的厚度h₃、所述支撑臂的长度L₂以及所述夹角α。

10.根据权利要求9所述的用于高应变环境结构损伤监测的岛桥连接压电传感器，其特征在于：所述压电传感单元的最大应变ε₂为0.8倍的ε^p，ε^p为所述压电传感单元的失效应变；

所述顶梁和所述触脚的厚度h₃满足3(h₁+h₂)≥h₃≥(h₁+h₂)；其中，h₁为所述压电传感单元的厚度，h₂为所述连接胶层的厚度；

所述夹角α满足

其中，L₃为所述顶梁的长度，L₄为所述触脚的长度；

所述支撑臂的长度L₂满足

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