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