序言 1
前言 1
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 智能结构的思想与方法 1
1.3 智能结构研究现状 3
1.4 智能结构的关键技术 5
1.4.1 材料与结构 5
1.4.2 传感器 6
1.4.3 执行器 7
1.4.4 信号处理、通讯与控制 8
1.4.5 结构集成基础 9
1.5 光纤智能结构的实现方法 9
1.6 智能结构的应用领域 12
1.7 智能结构的前景展望 16
第2章 复合材料结构基础 18
2.1 复合材料简介 18
2.2 复合片层 19
2.2.1 片层描述 19
2.2.2 应力与应变分析 20
2.2.3 热效应分析 23
2.3 复合叠层 24
2.3.1 叠层复合板理论 25
2.3.2 应力与力矩合成 25
2.3.3 叠层简写 27
2.3.4 应力域的计算 28
2.3.5 热效应分析 29
2.3.6 特殊叠层分析 31
2.4 片层断裂分析 33
3.1 应力与应变集中 39
第3章 光纤/复合材料结构的力学分析 39
3.1.1 应力与应变集中的分析研究 40
3.1.2 应力与应变集中的数字化实验 42
3.1.3 应变集中的实验观测 46
3.2 裂缝 49
3.2.1 埋入光纤复合材料的微裂缝 49
3.2.2 裂缝的抑制 50
3.3 结构稳定性分析 50
3.3.1 有关结构稳定性的定义 50
3.3.2 复合材料中的光纤包含体 51
3.3.3 准静态负荷 52
3.3.4 低速碰撞负载 53
3.3.5 疲劳负载 54
3.4 传感器性能 55
3.5 未来的发展展望 58
第4章 智能结构中的光纤集成 60
4.1 光纤智能结构/复合材料的集成 60
4.1.1 复合材料制造与光纤智能结构 60
4.1.3 光纤与无层结构复合材料的集成 62
4.1.2 光纤与手工敷层复合材料的集成 62
4.1.4 绕丝机械构造 63
4.1.5 自动复合材料结构的制造 63
4.2 光纤涂层设计 64
4.2.1 光纤涂层的力学分析 64
4.2.2 光纤涂层的设计问题 65
4.3 光纤联接方法 68
4.3.1 光纤联接要求 69
4.3.2 光学联接方法与装置 72
4.3.3 联接器设计 75
4.4 未来的发展展望 80
5.1 光纤传感器概况 81
第5章 光纤应变传感器 81
5.2 干涉式应变光纤传感器简介 82
5.3 Fabry-Perot干涉式光纤传感器 85
5.3.1 基本理论 86
5.3.2 干涉仪(FFPI) 87
5.4 光纤Bragg光栅传感器 89
5.4.1 传感原理 89
5.4.2 在智能结构中应用的可能性 90
5.5.1 基本理论 92
5.5 双模椭芯光纤传感器 92
5.5.2 传感器设计 93
5.6 光纤应变传感器的灵敏度分析 96
5.6.1 Fabry-Perot、双模及偏振式应变传感器的灵敏度 96
5.6.2 Bragg光栅光纤应变传感器的灵敏度 100
5.6.3 传感器与基质的耦合及信号译释 101
5.7 光纤应变传感器的解调 102
5.7.1 干涉式光纤传感器的信号补偿 102
5.7.2 转换双波长正交技术 103
5.7.3 准外差相位探测 104
5.7.4 光谱编码/比例解调 106
5.8 光纤应变传感器的应用 107
5.8.1 光纤应变传感器的性能及选择 107
5.8.2 基本应变测量 109
5.8.3 操作评估 111
5.8.4 复合材料固化监测 111
5.8.5 主动结构控制 113
5.9 总结评述及未来展望 114
6.1.1 光纤弯曲损耗的物理光学解释 116
6.1 光纤微弯传感原理 116
第6章 光纤微弯传感器 116
6.1.2 光纤弯曲损耗的几何光学解释 117
6.1.3 光纤微弯损耗的射线分析 118
6.2 光纤微弯传感器分析 119
6.2.1 理论分析 119
6.2.2 标准测试过程与实验技术 121
6.2.3 亮场/暗场 122
6.2.4 传输/反射 123
6.3.1 传感光纤 124
6.3 光纤微弯传感器的关键问题 124
6.3.2 光源 128
6.3.3 引线 129
6.3.4 探测 129
6.3.5 多路复用技术 129
6.3.6 局限性 131
6.4 光纤微弯传感器在智能结构中的应用 131
6.4.1 标准光纤 132
6.4.2 改进光纤 132
6.4.3 集成应变传感 133
6.4.4 集成冲击传感 135
6.4.5 涂层问题 138
6.4.6 埋入传感器问题 139
6.4.7 其它应用概述 139
第7章 分布式光纤传感器 141
7.1 分布式传感器的基本概念 141
7.2 OTDR技术 142
7.2.1 基本原理 142
7.2.2 使用主动光纤元件以增强基本OTDR的性能 144
7.3.1 微弯传感 145
7.3 基于使用OTDR监测衰减变化的分布式传感器 145
7.3.2 辐射传感 147
7.3.3 温度传感 147
7.3.4 化学传感 150
7.4 基于Raman散射、Brillouin散射及荧光监测的分布式温度传感器 150
7.4.1 基于自发Raman散射的传感 151
7.4.2 基于Brillouin散射的传感 152
7.4.3 基于时域荧光监测的传感 153
7.5.2 基于伪随机编码源调制的方法 154
7.5 基于其它反向散射调制方法的分布式传感系统 154
7.5.1 基于偏振光时域反射测量的方法 154
7.5.3 基于光学频域反射的方法 155
7.6 透射分布式传感系统 155
7.6.1 用于分布定位的传输频率调制载波方法 156
7.6.2 使用光纤放大的分布式传感 156
7.6.3 使用Sagnac干涉仪的干扰定位 157
7.6.4 使用白光干涉仪的传输定位系统 158
7.7 总结评述及未来展望 159
8.1 光纤传感器网络与多路复用 160
第8章 光纤传感器网络和多路复用技术 160
8.2 光纤传感器网络的一般形式和原理 161
8.2.1 一般形式 161
8.2.2 信息传输原理 163
8.3 光纤传感器网络分析 165
8.3.1 网络结构 165
8.3.2 网络功耗预估 167
8.3.3 网络中复用传感器的最大数量 168
8.4 光纤传感器多路复用的基本形式 171
8.5.1 时分多路复用 172
8.5 基于强度的光纤传感器多路复用技术 172
8.5.2 频分多路复用 174
8.5.3 码分多路复用 177
8.5.4 波分多路复用 178
8.5.5 偏振分割多路复用 179
8.6 基于干涉的光纤传感器多路复用技术 179
8.6.1 频分多路复用 180
8.6.2 相干多路复用 182
8.6.3 时分多路复用 183
8.6.4 其它技术 185
8.7.1 串联点(准分布)光纤传感器多路复用 187
8.7 其它光纤传感器多路复用技术 187
8.7.2 基于Bragg光栅的光纤传感器多路复用 188
第9章 光纤智能结构的神经网络处理 191
9.1 生物神经元的结构、功能与特性 191
9.1.1 神经元的结构 191
9.1.2 神经元的功能与特性 192
9.2 人工神经网络的原理、结构要素与基本特性 192
9.2.1 人工神经元基本工作原理 192
9.2.2 人工神经网络的结构要素 193
9.2.3 神经网络的基本特性 195
9.3 信号处理的BP模型及仿真实验 196
9.3.1 BP模型 196
9.3.2 仿真实验 197
9.4 信号处理的Kohonen模型及仿真实验 199
9.4.1 Kohonen模型 199
9.4.2 仿真实验 201
9.5 N-模光纤传感系统的神经网络处理 202
9.5.1 系统构成及原理 202
9.6.1 液晶神经元的实现 203
9.6 液晶神经网络实现 203
9.5.2 训练及测试结果 203
9.6.2 基于液晶显示的小型神经网络实现 205
9.7 神经网络处理在智能天线系统中的应用 206
9.7.1 神经网络模型 206
9.7.2 训练算法 207
9.7.3 训练与测试结果 208
9.8.1 系统构成及原理 210
9.8.2 复合材料结构 210
9.8 神经网络处理在智能结构损伤评估系统中的应用 210
9.8.3 光纤传感器阵列 211
9.8.4 Kohonen神经网络 211
9.8.5 测试结果 212
9.9 神经网络处理在智能悬臂梁结构系统中的应用 212
9.9.1 系统构成及原理 212
9.9.2 光纤传感器 213
9.9.3 形状记忆合金执行器 214
9.9.4 神经网络处理结果 214
9.10 总结评述及未来发展 216
10.1 功能材料概述 217
第10章 智能结构执行器 217
10.2 压电材料执行器 218
10.2.1 压电材料的功能原理 218
10.2.2 PZT压电陶瓷简介 220
10.2.3 PZT执行器设计及应用 221
10.2.4 PVDF执行器 223
10.3 电子陶瓷复合材料执行器 225
10.3.1 电子陶瓷复合材料特性 225
10.3.2 电子陶瓷复合材料的联接与制造 226
10.3.3 电子陶瓷复合材料原理模型 227
10.3.4 电子陶瓷复合材料应用 228
10.4 电致伸缩执行器 228
10.4.1 电致伸缩特性 228
10.4.2 结构关系 229
10.4.3 应用 229
10.5 形状记忆合金执行器 229
10.5.1 形状记忆效应 229
10.5.2 形状记忆合金特性 230
10.5.3 形状记忆合金原理模型 232
10.5.4 形状记忆合金应用 234
10.6.1 Terfenol-D的工作情况 235
10.6 磁致伸缩执行器 235
10.6.2 Terfenol-D的特性 237
10.6.3 磁致伸缩材料原理模型 237
10.6.4 磁致伸缩执行器的应用及局限 238
10.7 电致流变体执行器 239
10.7.1 电致流变现象 239
10.7.2 ER材料的性能及要求 240
10.7.3 ER材料的应用 240
11.1 控制理论的发展概况 243
第11章 智能结构控制器 243
11.2 经典控制 244
11.3 现代控制 245
11.4 智能控制 246
11.4.1 智能控制发展历程 246
11.4.2 多层递阶智能控制 247
11.4.3 基于知识的专家控制 247
11.4.4 模糊控制 248
11.4.5 神经控制 248
11.4.6 仿入智能控制 249
11.5 智能结构控制器设计 250
11.6.1 飞船控制类型 251
11.6 智能空间结构控制器 251
11.6.2 控制系统组成 252
11.6.3 经典控制方法 252
11.6.4 现代线性最优控制方法 257
第12章 状态监测与损伤评估的光纤智能结构 260
12.1 材料与结构损伤机制概要 260
12.2 结构整体性监测及损伤评估的光纤方法 262
12.2.1 对嵌入式整体性监测/损伤评估系统的需求 262
12.2.3 损伤监测系统 263
12.2.2 负载监测系统 263
12.2.4 损伤评估与连续监测 264
12.2.5 工程折衷方案 264
12.3 光纤智能结构状态监测损伤评估的应用方法 265
12.3.1 金属中的裂缝传感 265
12.3.2 复合材料中的撞击损伤传感 266
12.3.3 复合材料中其它类型损伤的探测 269
12.3.4 光纤声发射及超声波传感器 270
12.4.1 光纤微弯传感阵列 273
12.3.5 其它光纤损伤探测方法 273
12.4 状态监测与损伤评估光纤智能结构系统示例 273
12.4.2 阵列信号处理的神经网络方法 276
12.4.3 光纤状态监测系统及实验 277
第13章 航空器的光纤智能结构 285
13.1 军用航空器生存能力 285
13.1.1 损伤探测 285
13.1.2 损伤的扩展 285
13.1.3 损伤响应 286
13.2 军用航空器的支持能力 287
13.3 智能结构应用于军用航空器的技术问题 288
13.3.1 材料设计允许度 288
13.3.2 粘合质量 289
13.3.3 制造的适应性 289
13.3.4 维修及逻辑上的支持 290
13.3.5 数据有效性 290
13.4 用于飞机前翼的光纤智能结构--损伤评估系统 290
13.4.1 小试样上的实验 291
13.4.2 前翼中的传感层 292
13.4.3 测试结果 293
13.5 在商用航空器上的应用 294
13.4.4 此方法的展望 294
13.6 总结与展望 295
第14章 土木工程的光纤智能结构 296
14.1 智能结构技术在土木工程中应用的潜力 296
14.2 智能土木结构中的传感问题 297
14.3 桥梁及其它土木工程的集成传感 298
14.4 光纤智能土木结构发展现状 300
14.5 光纤智能土木结构未来的研究 307
15.1.1 医用金属材料 309
第15章 医学工程的光纤智能结构 309
15.1 医学工程中的智能材料 309
15.1.2 无机生物医学材料 310
15.1.3 杂化生物材料 311
15.1.4 可以反复收缩和膨胀的聚合胶体 311
15.2 医用光纤传感器 313
15.2.1 医用光纤传感器概述 313
15.2.2 医用光纤内窥镜 314
15.2.3 光纤血气分析仪 315
15.2.4 光纤血液流速和流量测定仪 316
15.2.5 医用光纤压力传感器 317
15.2.6 医用光纤温度传感器 318
15.3 光纤智能结构在医学工程中的应用前景 319
第16章 军事工程的光纤智能结构 321
16.1 军用飞机上的光纤智能结构 321
16.1.1 FOCSI计划 321
16.1.2 飞机骨架健康评估 324
16.1.3 超高性能预警机 325
16.1.4 超高速飞机器 325
16.2.1 舰船损伤光纤传感控制系统 326
16.2 海军舰船上的光纤智能结构 326
16.2.2 舰船螺旋浆损伤控制系统 327
16.2.3 反潜战应用的光纤水听器 327
16.3 光纤陀螺仪及其在军事工程上的应用 329
16.3.1 光纤陀螺的军事工程应用简介 330
16.3.2 军用飞机导航 330
16.3.3 战术武器制导 333
16.4 智能蒙皮相控阵雷达 334
参考文献 336