1.3压电阻抗法的特色及优点

随着科学的发展与进步，在智能材料[12]领域中，一些新的传感器被应用到结构健康监测的研究中去，压电材料就是其中之一。压电材料和压电技术日趋成熟和多样化，有着巨大的发展潜力和发展空间。机电阻抗（EMI）方法是一种现行的在非破坏性评估（NDE）和结构健康监测（SHM）领域来确定主体结构局部动态刚度的传感技术。基于压电智能材料的压电阻抗法将压电材料的压电特性和波动理论相结合，克服了传统传感器灵敏度不足的缺点，以动态阻抗信息为结构健康监测的依据，不但可以迅速检测到工程结构中产生的损伤，而且可以精确地计算出损伤的程度和定位出损伤的位置。

该方法通过测试压电陶瓷片的电阻抗/电导纳来判断结构中的损伤。利用该方法可以有效的对螺栓松动进行监测，它是一种新型的结构健康监测技术。基于压电阻抗的螺栓松动监测的研究具有以下重要意义：

首先，压电元件具有材料价格低廉及对环境的适应性强等优点，在无损检测领域具有巨大的潜力和市场；

其次，一般压电材料制成的压电片体积小巧，方便工作人员的携带，在工程结构中可以安装在结构表面或嵌入体内。在工程施工之前将压电材料安装在一些环境相对稳定的位置，就可以用于今后结构健康的监测，十分便捷有效，具有长远的发展意义；

然后，用陶瓷材料制成的压电传感器性能十分稳定，具有测量频率广，响应速度快，检测灵敏度高等优点。此外，检测方法简单，容易被工作人员所掌握，省时省力，拓宽了结构健康监测的渠道。

最后，国内外诸多研究成果表明了，压电阻抗技术在机械工程和土木工程领域具有巨大的发展潜力的市场价值,是一个有效的结构健康监测的新方法。

1.4介绍主要研究内容

本文是基于压电阻抗对螺栓松动监测[13]的研究，主要介绍了压电效应的原理、压电材料的使用，利用ABAQUS有限元软件对压电耦合进行模拟，推导出压电材料的电导纳。利用实验仪器对螺栓预紧力进行模拟，并分析预紧力与螺栓损伤指标之间的关系。本文章节主要内容安排如下：

第一章：绪论。主要介绍了对于螺栓松动监测的必要性和意义，总结了机电阻抗方法的优点和发展现状。

第二章：压电晶片机电阻抗法相关理论基础。本章介绍压电效应以及推导分析了压电阻抗技术的原理，最后引入了压电阻抗法的几种损伤指标及衡量方法。

第三章：螺栓松动监测的相关实验分析。介绍螺栓松动监测的相关实验测试装置和测试过程。实验对螺栓进行加载来模拟预紧力的变化，搭建实验平台，采用阻抗分析仪测量压电片导纳值。通过建立的损伤指标和螺栓预紧力之间的对应关系可以直接判断出在不同力作用下的螺栓松动情况。

第四章：螺栓松动监测的有限元模拟。阐述了有限元法和相关软件的概念，对压电耦合场分析的过程进行了详细描述，介绍了压电片阻抗模值提取的方法。软件模拟将螺栓与压电片耦合，进行压电分析，根据得到的数据曲线（阻抗谱），估计螺栓的松紧程度。

第五章：结论与展望。对本文基于压电阻抗技术对螺栓松动监测的有限元仿真模拟及相关研究实验进行了全面总结，列出了本文的不足之处、该课题在未来发展存在的未知挑战以及对该领域的一些展望。

第二章 压电晶片机电阻抗法相关理论基础

2.1压电效应和压电材料

2.1.1压电效应

19世纪80年代，法国的居里兄弟发现石英晶体具有压电效应。1881年，他们通过实验验证了逆压电效应，并得出了正逆压电效应常数。压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。某些电介质在沿一定方向上受外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应，它表明压电陶瓷片可以将机械能转化为电能。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，他表明压电陶瓷片可以将电能转化为机械能。晶体是否具有压电效应，是由晶体结构的对称性所决定的。