质量负载的压电式声发射传感器谐振频率调控方法及系统

本发明涉及压电式传感器，具体地，涉及一种质量负载的压电式声发射传感器谐振频率调控方法及系统。

背景技术：

1、压电式声发射传感器基于压电材料的正压电效应，将结构损伤或变形产生的瞬态弹性波转换为可分析的电信号，具备响应速度快、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，在重大装备与工程结构的健康监测领域具有不可替代的核心作用。尤其在压力容器、管道、桥梁等大型金属或混凝土结构的损伤识别与寿命评估中，声发射信号在传播过程中高频分量衰减迅速，长距离检测主要依赖于远距离传播的低频成分，所以声发射传感器的低频响应能力至关重要。因此，具备低频、高灵敏度响应特性的声发射传感器，是保障压力容器、航空航天装备、大型建筑结构服役安全的关键基础器件。

2、当前，压电式声发射传感器的频率响应特性主要由其核心换能元件，即压电陶瓷的几何尺寸与材料特性决定。根据经典振动理论，压电陶瓷的谐振频率与其厚度成反比，为获得较低的谐振频率，通常需要制备尺寸较大的压电陶瓷片。然而，该技术路线存在诸多难以克服的技术瓶颈，具体体现在：

3、其一，低频与小型化的固有矛盾：增大压电陶瓷厚度会显著增加传感器的体积与重量，难以满足结构健康监测对传感器小型化、轻量化、便于集成安装的严苛要求。

4、其二，过厚的压电陶瓷在制备工艺上存在困难：烧结过程中容易出现内部缺陷、致密性不均等问题，导致成品率低、一致性差。同时，过厚的压电陶瓷需要更高的极化电压才能完成极化，增加了工艺难度与安全风险。

5、其三，压电陶瓷几何尺寸的调整范围有限：一旦完成制备，其谐振频率便被固定，无法根据实际工况需求进行灵活、精细的微调。这种按尺寸定频率的固化设计模式，无法实现传感器谐振频率的定制化、可重构设计。

6、综上，现有声发射传感器设计技术受限于压电陶瓷几何尺寸对其谐振频率的硬性约束，存在低频响应与小型化矛盾突出、制备工艺困难、设计灵活性不足的核心技术瓶颈，成为制约低频高灵敏度声发射传感器技术发展与工程化应用的关键难题。因此，开发一种能够在不显著增加传感器体积和制备难度的前提下，有效降低并灵活调控压电元件谐振频率的设计方法，是本领域亟待解决的核心技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种质量负载的压电式声发射传感器谐振频率调控方法及系统。

2、根据本发明提供的一种质量负载的压电式声发射传感器谐振频率调控方法，包括：

3、步骤s1：获取压电陶瓷元件的相关参数，所述相关参数包括材料参数和几何尺寸；

4、步骤s2：将压电陶瓷元件与附加质量块作为整体谐振系统，构建复合杆分布参数等效模型；

5、步骤s3：基于所述复合杆分布参数等效模型，确定所述整体谐振系统的谐振频率与质量块参数之间的定量关系；

6、步骤s4：根据目标谐振频率以及所述压电陶瓷元件的相关参数，利用所述定量关系求解得到所述质量块的关键参数；所述质量块的关键参数包括质量、材料密度、几何形状及尺寸；

7、步骤s5：基于所述质量块的关键参数选取对应的质量块，将其固定于所述压电陶瓷元件使整体谐振系统的谐振频率调控至目标谐振频率。

8、优选的，还包括：

9、步骤s6：根据所述质量块的关键参数，在压电陶瓷元件的有限元仿真模型中添加质量负载模型，通过频域输出的导纳幅值获得附加质量块后的谐振频率和频响特性，并将仿真结果与理论计算值进行对比，以验证质量块的降频效果。

10、优选的，所述步骤s3包括：

11、基于所述复合杆分布参数等效模型，推导整体谐振系统对附加质量负载的依赖关系；对于厚度伸缩振动模式，整体谐振系统的谐振频率由如下公式表征：

12、；

13、式中

z1为压电陶瓷的声阻抗，

s1为压电陶瓷的截面面积，

k1为压电陶瓷的波数，

l1为压电陶瓷的厚度，

z2为质量负载的声阻抗，

s2为质量负载的截面面积，

k2为质量负载的波数，

l2为质量负载的厚度。

14、优选的，所述步骤s2包括：

15、基于一维纵向振动方程，建立包含等效质量、等效刚度以及等效阻尼的复合杆分布参数等效模型。

16、优选的，所述附加质量块的弹性系数和所述压电陶瓷元件的弹性系数分别为：

17、；

18、所述整体谐振系统的刚度分配系数为：

19、

20、其中，

k1为质量负载的弹性系数，

k2为压电陶瓷元件的弹性系数，

e1为质量负载的杨氏模量，

e2为压电陶瓷的杨氏模量，

s1为质量负载的横截面积，

s2为压电陶瓷的横截面积，

l1为质量负载的厚度，

l2为压电陶瓷的厚度。

21、优选的，所述一维纵向振动方程为：

22、

23、式中，u表示位移，t表示时间，x表示位置；

24、其中，波速

c为：

25、

26、式中

e为材料的杨氏模量，

ρ为材料的密度。

27、根据本发明提供的一种质量负载的压电式声发射传感器谐振频率调控系统，包括：

28、模块m1：获取压电陶瓷元件的相关参数，所述相关参数包括材料参数和几何尺寸；

29、模块m2：将压电陶瓷元件与附加质量块作为整体谐振系统，构建复合杆分布参数等效模型；

30、模块m3：基于所述复合杆分布参数等效模型，确定所述整体谐振系统的谐振频率与质量块参数之间的定量关系；

31、模块m4：根据目标谐振频率以及所述压电陶瓷元件的相关参数，利用所述定量关系求解得到所述质量块的关键参数；所述质量块的关键参数包括质量、材料密度、几何形状及尺寸；

32、模块m5：基于所述质量块的关键参数选取对应的质量块，将其固定于所述压电陶瓷元件使整体谐振系统的谐振频率调控至目标谐振频率。

33、优选的，还包括：

34、模块m6：根据所述质量块的关键参数，在压电陶瓷元件的有限元仿真模型中添加质量负载模型，通过频域输出的导纳幅值获得附加质量块后的谐振频率和频响特性，并将仿真结果与理论计算值进行对比，以验证质量块的降频效果。

35、优选的，所述模块m3包括：

36、基于所述复合杆分布参数等效模型，推导整体谐振系统对附加质量负载的依赖关系；对于厚度伸缩振动模式，整体谐振系统的谐振频率由如下公式表征：

37、；

38、式中

z1为压电陶瓷的声阻抗，

s1为压电陶瓷的截面面积，

k1为压电陶瓷的波数，

l1为压电陶瓷的厚度，

z2为质量负载的声阻抗，

s2为质量负载的截面面积，

k2为质量负载的波数，

l2为质量负载的厚度。

39、优选的，所述模块m2包括：

40、基于一维纵向振动方程，建立包含等效质量、等效刚度以及等效阻尼的复合杆分布参数等效模型。

41、优选的，所述附加质量块的弹性系数和所述压电陶瓷元件的弹性系数分别为：

42、；

43、所述整体谐振系统的刚度分配系数为：

44、

45、其中，

k1为质量负载的弹性系数，

k2为压电陶瓷元件的弹性系数，

e1为质量负载的杨氏模量，

e2为压电陶瓷的杨氏模量，

s1为质量负载的横截面积，

s2为压电陶瓷的横截面积，

l1为质量负载的厚度，

l2为压电陶瓷的厚度。

46、优选的，所述一维纵向振动方程为：

47、

48、式中，u表示位移，t表示时间，x表示位置；

49、其中，波速

c为：

50、

51、式中

e为材料的杨氏模量，

ρ为材料的密度。

52、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

53、1、在理论层面，本发明突破了压电元件谐振频率由其几何尺寸单一决定的技术局限。本发明通过引入质量负载效应，将决定谐振频率的物理参量从压电陶瓷自身的等效质量，扩展到压电陶瓷的等效质量与外部附加质量的复合参数，建立了一种在不改变压电陶瓷本体几何尺寸的前提下，通过改变外部附加质量灵活调控系统谐振频率的设计理论，丰富了压电声学器件的频率调控手段。

54、2、在设计层面，本发明打破了传统按尺寸定频率的固化设计模式，实现了谐振频率的正向精准定制。本发明通过建立谐振频率与质量负载的定量解析关系，可根据目标低频响应需求，直接逆向求解最优质量块参数，实现了从以材定频到以需定质的设计范式的跃迁，具备较好的定制化设计能力。该方法允许为同一规格的压电陶瓷配置不同质量或材质的质量块，从而衍生出一系列不同谐振频率的传感器产品，大幅提升了设计的灵活性。

55、3、在工程层面，本发明在显著降低传感器谐振频率的同时，兼顾了小型化与制备工艺的简易性。本方法无需增大压电陶瓷厚度，仅需在其表面粘接或机械固定一个紧凑的质量块，即可将传感器谐振频率有效降至50khz乃至更低频段，尺寸增加远不及通过直接改变压电陶瓷来降低谐振频率。该工艺成本低廉，为低频声发射传感器的小型化、集成化、批量制造与现场灵活部署提供了强有力的工程实现路径。