智能结构.ppt

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1、智能结构智能结构智能结构的概念和作用智能结构的概念和作用近几年来，智能传感技术与智能致动技术以及敏感材料本身越来越结合成为一个整体，形成了当前传感技术领域和材料领域的一个新热点，这就是智能结构技术。智能结构（Smart Structure）又称智能材料结构。这一概念最早源于这样的思想：让材料本身就具有自感知、自诊断、自适应的智能功能，即材料本身就是一个智能式传感器，无需再为测量材料的各种物理量而外接大量传感器。智能结构可如下定义：将具有仿生命功能的敏感材料或传感器、致动器以及微处理器以某种方式集成于基体材料中，使制成的整体材料构件具有自感知、自诊断、自适应的智能功能。图1211为一种典型的智能

2、结构，它把传感元件、致动元件以及信息处理和控制系统集成于基体材料中，使制成的构件不仅具有承受载荷、传递运动的能力，而且具有检测多种参数的能力（如应力、应变、损伤、温度、压力等），并在此基础上具有自适应动作能力从而改变结构内部应力、应变分布、结构外形和位置，或控制和改变结构的特性，如结构阻尼、固有频率、光学特性、电磁场分布等。智能结构一般可分成两种类型，即嵌人型和本征型。前者是在基体材料中嵌人具有传感、致动和控制处理功能的三种原始材料或元件，利用传感元件采集和检测结构本身或外界环境的信息，控制处理器则控制致动元件执行相应的动作；后者指材料本身就具有智能功能，能够随着环境和时间改变自己的性能，例如

3、自滤波玻璃等。智能结构的组成智能结构的组成智能结构由三个功能单元组成：传感器单元、致动器单元、信息处理及控制单元。智能结构的最高级形式，不仅具有集成的传感元件和致动元件，而且实现信息处理和控制功能的微处理器和信号传输线以及电源等都集成在同一母体结构中。1传感器单元传感器单元 传感器单元的作用是感受结构状态（如应变、位移）的变化，并将这些物理量转换为电信号，以便处理和传输，它是智能结构的重要组成部分。构成传感器单元的敏感材料是决定智能结构性能的重要因素，常用的敏感材料主要有三类：应变型材料、压电型材料、光纤。2致动器单元 致动器单元的作用是在外加电信号的激励下，产生应变和位移的变化，对原结构起驱

4、动作用，从而使整体结构改变自身的状态或特性，实现自适应功能。对致动器的主要技术指标是：最大应变量、弹性模量、频率带宽、线性范围、延迟特性、可埋人性等。目前，可供使用的应变致动材料主要有五类：即形状记忆合金、压电材料、电致和磁致伸缩材料，以及电、磁流变体。3信息处理和控制单元 信息处理和控制单元是智能结构的关键组成部分，它的作用是对来自传感器单元的各种检测信号进行实时处理，并对结构的各种状态做障畏力、温度等）进行判断，根据判断结果，按照控制策略输出控制信号，控制致动器单元。信息处理和控制单元所完成的信号处理功能同智能式传感器的功能一致，这里不再赘述，而它所完成的控制功能较为复杂。智能结构控制的一

5、个明显特点是分散控制，一般分成三个层次，即局部控制、全局控制和认知控制。局部控制可用于增加阻尼、吸收能量、减小残余位移；全局控制可以达到更高的控制精度，除了常规控制所需的鲁棒性，还必须充分考虑控制的分布性；认知控制则是控制的更高层次，具有主动辨识、诊断和学习功能。光纤型智能结构实例光纤型智能结构实例下面我们介绍一种自诊断自适应智能结构系统，其中传感器网络由光纤传感元件构成，致动器采用记忆合金框架。该智能结构可以实现大面积结构的载荷监测和损伤在线诊断，并能根据损伤诊断结果自适应控制相应区域的应力状态使其产生改变，使结构处于抑制损伤扩展的应力状态。该智能结构总体为平板状，其中采用偏振型光纤应变传感

6、器构成传感器网络，传感器排列方式如图1212所示，呈纵横排列状布局。它具有结构简单，埋置方便，灵敏度适中的优点。当传感器的敏感光纤受到应变作用时，一小段长L光纤中传输光的偏振态变化为 式中，P21、P12为光纤芯的弹光常数，n、为纤芯的折射率及油松比，产为光在光纤中的传播常数。通过传感器系统中的检偏镜及光敏管可把的变化转换成输出电压的变化，从而得到要检测的应变。若板上A处由于载荷作用或损伤造成一大应变区域，则A附近的四根传感元件感受的应变较大，输出也较大，而其他处传感元件输出均较小，这样，就可以从不同位置传感元件的输出大小分布情况判别载荷或损伤的位置。该智能结构采用形状记忆合金（SMA）作为致动元件，它可使68的塑性变形完全恢复。若形状回复受到约束，则可产生高达690MPa的回复应力。为了实现结构大面积的强度自适应，SMA在平板结构中采用组合式布置方案。图1213是组合式SMA致动器的布局，不论损伤处于什么位置，都可以根据损伤识别的结果，通过控制电路改变SMA单元的连接方式，使SMA构成不同的回路，并激励相应的SMA动作，在损伤周围形成压应力区域，防止损伤的进一步发展。