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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