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目录 1

第1章　绪论 1

摘要 1

1.1　引言 1

1.2　智能结构的思想与方法 2

1.3　智能结构的研究现状 5

1.4　智能结构的关键技术 7

1.4.2　传感器 8

1.4.1　材料与结构 8

1.4.3　执行器 10

1.4.4　信号处理、通信和控制 11

1.4.5　结构集成基础 13

1.5　光纤智能结构的实现方法 13

1.6　智能结构的应用领域 17

1.7　智能结构的前景展望 21

第2章　复合材料结构基础 24

摘要 24

2.1　复合材料简介 24

2.2.1　片层描述 26

2.2　复合片层 26

2.2.2　应力与应变分析 27

2.2.3　热效应分析 31

2.3　复合叠层 32

2.3.1　叠层复合板理论 32

2.3.2　应力与力矩合成 33

2.3.3　叠层简写 35

2.3.4　应力域的计算 36

2.3.5　热效应分析 37

2.3.6　特殊叠层分析 38

2.4　片层断裂分析 41

2.5　展望 46

第3章　光纤／复合材料结构的力学分析 47

摘要 47

3.1　应力与应变集中 48

3.1.1　应力与应变集中的分析实验 49

3.1.2　应力和应变集中的数字化实验 52

3.1.3　应变集中的实验观测 57

3.2　裂缝 60

3.2.1　埋入光纤复合材料的微小裂缝 60

3.3.1　有关结构稳定性的定义 62

3.3　结构稳定性分析 62

3.2.2　裂缝的抑制 62

3.3.2　复合材料中的光纤包含体 63

3.3.3　准静态负荷 64

3.3.4　低速碰撞负荷 67

3.3.5　疲劳负荷 67

3.4　传感器性能 68

3.5　展望 73

第4章　智能结构中的光纤集成 75

摘要 75

4.1.1　复合材料制造与光纤智能结构 76

4.1　光纤智能结构与复合材料的集成 76

4.1.2　光纤与手工敷层复合材料的集成 78

4.1.3　光纤与无层结构复合材料的集成 78

4.1.4　绕丝机械构造 79

4.1.5　自动复合材料的制造 79

4.2　光纤涂层设计 80

4.2.1　光纤涂层的力学分析 80

4.2.2　光纤涂层的设计问题 82

4.3　光纤连接方法 86

4.3.1　光纤连接要求 86

4.3.2　光学连接方法与装置 89

4.3.3　连接器设计 93

4.4　展望 99

第5章　光纤应变传感器 101

摘要 101

5.1　光纤传感器概况 102

5.2　干涉式应变光纤传感器简介 103

5.3　Fabry-Perot干涉式光纤传感器 107

5 3 1　基本理论 107

5 3 2　干涉仪（FFPI） 109

5 4　Bragg光栅光纤传感器 111

5 4 1　传感原理 112

5 4 2　在智能结构中应用的可能性 113

5 5　双模椭芯光纤传感器 115

5 5 1　基本理论 115

5 5 2　传感器设计 116

5 6　光纤应变传感器的灵敏度分析 120

5 6 1　Fabry-Perot、双模及偏振式应变传感器的灵敏度 120

5 6 2　Bragg光栅光纤应变传感器的灵敏度 124

5 6 3　传感器与基质的耦合及信号译释 125

5 7 1　干涉式光纤传感器的信号补偿 127

5 7 2　转换双波长正交技术 127

5 7　光纤应变传感器的解调 127

5 7 3　准外差相位探测 128

5 7 4　光谱编码／比例解调 130

5.8　光纤应变传感器的应用 132

5 8 1　光纤应变传感器的性能及选择 132

5 8 2　基本应变测量 134

5 8 3　损伤评估 137

5 8.4　复合材料固化监测 138

5 8.5　主动结构控制 138

5 9　展望 141

摘要 143

第6章　光纤微弯传感器 143

6 1　光纤微弯传感原理 144

6 1 1　光纤微弯损耗的物理光学分析 144

6 1 2　光纤微弯损耗的几何光学分析 145

6 1 3　光纤微弯损耗的射线分析 146

6 2　光纤微弯传感器分析 147

6 2 1　理论分析 147

6 2 2　标准测试过程与实验技术 149

6 2 3　亮场／暗场 150

6 2 4　传输／反射 151

6 3 1　传感光纤 152

6 3　光纤微弯传感器的关键问题 152

6 3 2　光源 158

6 3 3　引线 159

6 3 4　探测 159

6 3 5　多路复用技术 160

6 3 6　局限性 161

6 4　光纤微弯传感器在智能结构中的应用 162

6 4 1　标准光纤 163

6 4 2　改进光纤 163

6 4 3　集成应变传感 165

6 4 4　集成冲击传感 167

6 4 5　涂层问题 170

6 4 6　埋入传感器问题 171

6 5　展望 171

第7章　分布式光纤传感器 173

摘要 173

7 1　分布式光纤传感器的基本概念 174

7 2　OTDR技术 175

7 2 1　基本原理 175

7 2.2　使用主动光纤元件以增强OTDR的性能 177

7 3 1　微弯传感 179

7 3　基于OTDR监测衰减变化的分布式传感器 179

7 3 3　温度传感 181

7 3 2　辐射传感 181

7 3 4　化学传感 184

7 4　基于Raman散射、Brillouin散射及荧光监测的分布式温度传感器 185

7 4 1　基于自发Raman散射的传感 185

7 4 2　基于Brillouin散射的传感 187

7 4 3　基于时域荧光监测的传感 188

7 5　基于其他调制方法的分布式传感系统 189

7 5 1　基于偏振光时域反射测量的方法 189

7 5 2　基于伪随机编码源调制的方法 190

7 6　透射分布式传感系统 191

7 5 3　基于光学频域反射的方法 191

7 6 1　用于分布定位的传输频率调制载波方法 192

7 6 2　使用光纤放大的分布式传感 192

7 6.3　使用Sagnac干涉仪的干扰定位 193

7 6 4　使用白光干涉仪的传输定位系统 195

7 7　展望 196

第8章　光纤传感器网络和多路复用技术 197

摘要 197

8 1　光纤传感器网络与多路复用 198

8 2 1　一般形式 199

8 2　光纤传感器网络的一般形式和原理 199

8 2 2　信息传输原理 201

8 3　光纤传感器网络分析 204

8 3 1　网络结构 204

8 3 2　网络功耗预估 206

8 3 3　网络中复用传感器的最大数量 208

8 4　光纤传感器多路复用的基本形式 211

8 5　基于强度的光纤传感器多路复用技术 212

8 5 1　时分多路复用 213

8 5 2　频分多路复用 214

8 5 3　码分多路复用 218

8 5 4　波分多路复用 219

8 5 5　偏振分割多路复用 220

8 6　基于干涉的光纤传感器多路复用技术 220

8 6 1　频分多路复用 221

8 6 2　相干多路复用 223

8 6 3　时分多路复用 225

8 7　其他光纤传感器多路复用技术 228

8 7 1　串联点（准分布）光纤传感器多路复用 228

8 7 2　基于Bragg光栅的光纤传感器多路复用 229

8 8　展望 233

摘要 234

第9章　光纤智能结构的神经网络处理 234

9 1　生物神经元的结构、功能与特性 235

9 1 1　神经元的结构 235

9 1 2　神经元的功能与特性 236

9 2　人工神经网络的原理、结构要素与基本特性 237

9 2 1　人工神经元基本工作原理 237

9 2 2　人工神经网络的结构要素 238

9 2 3　神经网络的基本特性 239

9 3 1　BP模型 240

9 3　信号处理的BP模型及仿真实验 240

9.3.2　仿真实验 242

9.4　信号处理的Kohonen模型及仿真实验 244

9.4.1　Kohonen模型 244

9.4.2　仿真实验 246

9.5　N模光纤传感系统的神经网络处理 247

9.5.1　系统构成及原理 247

9.5.2　训练及测试结果 249

9.6　液晶神经网络实现 249

9.6.1　液晶神经元的实现 250

9.6.2　基于液晶显示的小型神经网络实现 251

9.7　神经网络处理器在智能天线系统中的应用 253

9.7.1　神经网络模型 253

9.7.2　训练算法 254

9.7.3　训练与测试结果 255

9.8　神经网络处理器在智能结构损伤评估系统中的应用 256

9.8.1　系统构成及原理 256

9.8.2　复合材料结构 257

9.8.3　光纤传感器阵列 258

9.8.4　Kohonen神经网络 258

9.8.5　测试结果 259

9.9　神经网络处理器在智能悬臂梁结构系统中的应用 260

9.9.1　系统构成及原理 260

9.9.2　光纤传感器 261

9.9.3　形状记忆合金执行器 262

9.9.4　神经网络模拟（仿真）结果 262

9.10　展望 264

第10章　智能结构执行器 265

摘要 265

10.1　功能材料概述 266

10.2.1　压电材料的功能原理 267

10.2　压电材料执行器 267

10.2.2　PZT简介 269

10.2.3　PZT执行器设计及应用 270

10.2.4　PVDF执行器 274

10.3　电子陶瓷复合材料执行器 277

10.3.1　特性 277

10.3.2　连接与制造 278

10 3 3　原理模型 279

10 4　电致伸缩执行器 280

10 4 1　特性 280

10 3 4　应用 280

10 4 2　结构关系 281

10 4 3　应用 282

10 5　形状记忆合金执行器 282

10 5 1　形状记忆效应 282

10 5 2　特性 282

10 5 3　原理模型 285

10 5 4　应用 287

10 6　磁致伸缩执行器 288

10 6 1　Terfenol-D的工作情况 289

10 6 2　Terfenol-D的特性 290

10 6 3　原理模型 291

10.6 4　应用及局限 292

10 7　电致流变体执行器 292

10 7 1　电致流变现象 292

10 7 2　ER流变体的性能及要求 293

10 7 3　ER流变体的应用 294

10 8　展望 296

摘要 300

11 1　控制理论的发展概况 300

第11章　智能结构控制器 300

11 2　经典控制 302

11 3　现代控制 303

11 4　智能控制 305

11 4 1　智能控制发展历程 305

11 4 2　多层递阶智能控制 305

11 4 3　基于知识的专家控制 306

11 4 4　模糊控制 307

11 4 5　神经控制 308

11 4 6　仿人智能控制 309

11 5　智能结构控制器设计 309

11 6 1　飞船控制类型 311

11 6　智能空间结构控制器 311

11 6 2　控制系统组成 312

11 6 3　经典控制方法 313

11 6 4　现代的线性最优控制方法 317

11 7　展望 321

第12章　状态监测与损伤评估的光纤智能结构 322

摘要 322

12 1　材料与结构损伤机制概要 322

12 2　结构整体性监测及损伤评估的方法 326

12 2 1　对嵌入式整体性监测／损伤评估系统的需求 326

12 2 3　损伤监测系统 327

12 2 2　负载监测系统 327

12 2 4　损伤评估与连续监测 328

12 2 5　工程折中方案 328

12 3　状态监测与损伤评估光纤智能结构的应用方法 329

12 3 1　金属中的裂缝传感 329

12 3 2　复合材料中的撞击损伤传感 330

12 3 3　复合材料中其他类型损伤的探测 334

12 3 4　光纤声发射及超声传感器 335

12 3 5　其他光纤损伤探测方法 339

12 4 1　光纤微弯传感阵列 340

12 4　状态监测与损伤评估光纤智能结构系统示例 340

12 4 2　阵列信号处理的神经网络方法 342

12 4 3　光纤状态监测系统及实验 344

12 5　展望 352

第13章　航空器的光纤智能结构 354

摘要 354

13 1　军用航空器的生存能力 355

13 1 1　损伤探测 355

13 1 2　损伤扩展 355

13 1 3　损伤响应 355

13 2　军用航空器的支持能力 357

13 3　智能结构应用于军用航空器的技术问题 359

13 3 1　材料设计允许度 359

13 3 2　粘合质量 360

13 3 3　制造的适应性 360

13 3 4　维修及后勤上的支持 360

13 3 5　数据有效性 361

13 4　用于飞机前翼的光纤智能结构——损伤评估系统 361

13 4 1　小试样上的实验 362

13 4 2　前翼中的传感层 362

13 4 3　测试结果 364

13 4 4　方法展望 365

13 6　展望 366

13 5　在商用航空器上的应用 366

第14章　土木工程的光纤智能结构 368

摘要 368

14 1　智能结构技术在土木工程中应用的潜力 368

14 2　智能土木结构中的传感问题 369

14 3　智能土木结构中的集成传感 371

14 4　光纤智能土木结构的发展现状 374

14 5　展望 382

15 1　医学领域中的智能材料 385

第15章 医学领域的光纤智能结构 385

摘要 385

15 1 1　医用金属材料 386

15 1 2　无机生物医学材料 387

15 1 3　杂化生物材料 388

15 1 4　可以反复收缩和膨胀的聚合胶体 388

15 2　医用光纤传感器 391

15 2 1　医用光纤传感器概述 391

15 2 2　医用光纤内窥镜 392

15 2 3　光纤血气分析仪 394

15 2 4　光纤血液流速和流量测定仪 395

15 2 5　医用光纤压力传感器 396

15 2 6　医用光纤温度传感器 398

15 3　展望 399

第16章　军事装备的光纤智能结构 402

摘要 402

16 1　军用飞机上的光纤智能结构 402

16 1 1　FOCSI计划 402

16 1 2　飞机骨架健康评估 407

16 1 3　超高性能预警机 407

16 1 4　超高速飞行器 408

16 2 1　舰船损伤光纤传感控制系统 409

16 2　海军舰船上的光纤智能结构 409

16 2 2　舰船螺旋桨损伤控制系统 411

16 2 3　反潜战应用的光纤水听器 411

16 3　光纤陀螺仪在军事上的应用 414

16 3 1　光纤陀螺仪的军事应用简介 414

16 3 2　军用飞机导航 415

16 3 3　战术武器制导 418

16 4　智能蒙皮相控阵雷达 421

16 5　展望 422

参考文献 424