基于压电晶片主动传感器的结构健康监测（原书第二版）Victor Giurgiutiu 著 科学出版 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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袁慎芳 译

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030291905

商品编码：28717567226

开本：16开

出版时间：2018-02-01

 

基于压电晶片主动传感器的结构健康监测（原书第二版）
	定价	228.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2018年02月
	开本	16
	作者	Victor Giurgiutiu
	装帧	平装
	页数	677
	字数	980000
	ISBN编码	9787030291905

 

译者的话

第1章 绪论 1

1.1 结构健康监测基础和概念 1

1.2 结构的断裂与失效 2

1.3 飞机结构完整性大纲 6

1.4 基于SHM的优化诊断和预测 11

1.5 关于本书 12

参考文献 13

第2章 电主动和磁主动材料 14

2.1 引言 14

2.2 压电效应 14

2.3 压电现象 21

2.4 钙钛矿陶瓷 22

2.5 压电聚合物 29

2.6 磁致伸缩材料 30

2.7 总结 32

2.8 问题和练习 33

参考文献 33

第3章 振动基础 34

3.1 引言 34

3.2 单自由度振动分析 34

3.3 杆的轴向振动 52

3.4 梁的弯曲振动 69

3.5 轴的扭转振动 85

3.6 弹性长条的水平剪切振动 88

3.7 梁的垂直剪切振动 91

3.8 总结 92

3.9 问题和练习 92

参考文献 94

第4章 板的振动 95

4.1 引言 95

4.2 板振动的弹性方程 95

4.3 矩形板的轴向振动 95

4.4 圆板的轴向振动 98

4.5 矩形板的弯曲振动 108

4.6 圆板的弯曲振动 118

4.7 总结 131

4.8 问题和练习 131

参考文献 132

第5章 弹性波 133

5.1 引言 133

5.2 固体和结构中的弹性波传播概述 133

5.3 杆中的轴向波 134

5.4 梁中的弯曲波 155

5.5 轴中的扭转波 173

5.6 长条中的水平剪切波 173

5.7 梁中的纵向剪切波 175

5.8 板波 175

5.9 平面波、球波和环形波波阵面 186

5.10 无限大弹性介质中的体波 192

5.11 总结 201

5.12 问题和练习 201

参考文献 204

第6章 导波 205

6.1 引言 205

6.2 Rayleigh波 205

6.3 SH板波 209

6.4 Lamb波 215

6.5 环形峰Lamb波 229

6.6 板中导波的概述 244

6.7 管和壳中的导波 247

6.8 总结 250

6.9 问题和练习 251

参考文献 251

第7章 压电晶片主动传感器 252

7.1 引言 252

7.2 PWAS驱动器 253

7.3 PWAS应力和应变测量 258

7.4 厚度对PWAS激励与传感的影响 263

7.5 基于PWAS的振动传感 264

7.6 基于PWAS的波传感 267

7.7 PWAS的安装与质量检查 269

7.8 PWAS的耐久性和存活能力 274

7.9 PWAS在SHM中的典型应用 278

7.10 总结 280

7.11 问题和练习 280

参考文献 281

第8章 PWAS与被监测结构的耦合 282

8.1 引言 282

8.2 1-D剪切层耦合分析 283

8.3 矩形PWAS的2-D剪切滞分析 293

8.4 圆形PWAS的剪切层分析 302

8.5 PWAS与结构间的能量传递 309

8.6 总结 319

8.7 问题和练习 319

参考文献 320

第9章 PWAS谐振器 321

9.1 引言 321

9.2 1-DPWAS谐振器 321

9.3 圆形PWAS谐振器 341

9.4 PWAS谐振器的耦合场分析 351

9.5 有约束的PWAS354

9.6 总结 365

9.7 问题和练习 365

参考文献 366

第10章 基于PWAS的模态传感器高频振动SHM——机电阻抗法 367

10.1 引言 367

10.2 基于PWAS的1-D模态传感器 370

10.3 基于PWAS的2-D圆形模态传感器 382

10.4 基于PWAS的模态传感器的损伤检测 390

10.5 基于PWAS的模态传感器耦合场FEM分析 407

10.6 总结 411

10.7 问题和练习 411

参考文献 412

第11章 基于PWAS的波调制 413

11.1 引言 413

11.2 基于PWAS的轴向波调制 413

11.3 基于PWAS的弯曲波调制 417

11.4 基于1-DPWAS的Lamb波调制 422

11.5 基于圆形PWAS的Lamb波调制 431

11.6 圆形PWAS调制分析中的Hankel变换 439

11.7 PWASLamb波调制的实验验证 447

11.8 矩形PWAS的方向性 455

11.9 总结 461

11.10 问题和练习 461

参考文献 463

第12章 基于PWAS的导波SHM464

12.1 引言 464

12.2 1-D建模与实验 471

12.3 2-DPWAS波传播实验 481

12.4 基于PWAS的嵌入式一发一收超声检测 486

12.5 基于PWAS的嵌入式脉冲回波超声检测 491

12.6 PWAS时间反转方法 493

12.7 偏移技术 506

12.8 基于PWAS的被动声波传感器 506

12.9 总结 509

12.10 问题和练习 510

参考文献 511

第13章 基于PWAS的在线相控阵方法 512

13.1 引言 512

13.2 传统超声NDE中的相控阵 513

13.3 1-D线性PWAS相控阵 515

13.4 线性PWAS阵列的进一步实验 525

13.5 PWAS相控阵波束成型的优化 538

13.6 PWAS相控阵的通用公式 547

13.7 2-D平面PWAS相控阵研究 555

13.8 2-D嵌入式超声结构雷达 560

13.9 基于矩形PWAS阵列的损伤检测实验 566

13.10 基于傅里叶变换的相控阵分析 572

13.11 总结 583

13.12 问题和练习 583

参考文献 584

第14章 基于PWAS的SHM信号处理与模式识别 585

14.1 引言 585

14.2 损伤识别理论及进展 585

14.3 从傅里叶变换到短时傅里叶变换 590

14.4 小波分析 596

14.5 神经网络 611

14.6 特征提取 618

14.7 基于E/M阻抗的PWAS损伤检测算法 620

14.8 总结 621

14.9 问题和练习 622

参考文献 622

第15章 基于PWAS的多种SHM案例：实验信号中的损伤因子 623

15.1 引言 623

15.2 案例1：基于E/M阻抗的圆板损伤检测 623

15.3 案例2：老龄飞行器壁板中的损伤检测 642

15.4 总结 654

参考文献 655

注释表 656

缩略词 666

重要词汇 668

附录A 数学预备知识 678

附录B 弹性符号和公式 679

彩图 680

 

第1章 绪论

　　1.1 结构健康监测基础和概念

　　结构健康监测（structural health monitoring，SHM）是一个越来越受到关注并蕴含创新的领域。美国每年在维修装备上的花费超过2000 亿美元，维护和修理费用占美国商业飞机运营成本的四分之一。列在美国国家清单中的近576 600 座桥梁中1/3因结构性缺陷而需要维修或因功能缺失需要重造，与之相关的老化基础设施维护费用问题也很突出。

　　现存基础设施的老化使得维护和修理的费用越来越不容忽视，结构健康监测运用视情维护（condition-based maintenance，CBM）替代计划维修来缓解上述问题，一方面可以减少不必要的维修费用，另一方面可以避免结构突发问题引起的临时检修。对于新结构，在设计阶段就集成结构健康监测传感器及其，可有效减少服役周期费用。更重要的是，结构健康监测可以在减少维护费用的情况下保证结构的安全性和可靠性。

　　结构健康监测应用广泛，该技术可以评估结构健康状态，通过合理的数据处理与解释分析预估结构剩余寿命。在实际应用中，很多航空航天和民用基础设施在超过设计寿命后仍能继续使用，所以人们希望可以延长这些设施的使用寿命。结构健康监测是可实现该目的的技术之一，它可以找出老化结构问题所在，而这正是工程界所关心的。结构健康监测可以让视情维护替代传统的计划维护。结构健康监测的另一种应用前景是与结构融为一体，也就是将结构健康监测传感器和相关的传感嵌入新结构中，从而改变设计模式，大幅减少结构的重量、尺寸和费用。图1-1是通用结构健康监测的示意图。

　　图1-1 通用结构健康监测示意图

　　结构健康监测的实现主要有两种方法：被动监测和主动监测。被动监测关注的是各种运行参数测量并通过这些参数来评估结构健康状况。例如，通过监测飞行器的飞行参数（空速、空气扰动、过载系数、重要部位应力等），然后运用飞机设计算法推断已消耗的使用寿命和剩余寿命。被动监测方式的结构健康监测非常有用，但它不能直接检查出结构是否破坏。主动结构健康监测可以直接发现现有与潜在的结构损伤，从而评估结构的健康状况。从这个方面来说，主动SHM与无损评估（non-destructive evaluation，NDE）所用方法相似，但主动SHM在NDE的基础上又前进了一步：主动方法尝试发展可以**安装于结构中的损伤监测传感器和可以提供按需结构健康检测的方法。近年来，运用导波NDE来发现结构损伤的方法正引起人们的重视。导波（如板中的Lamb波）是一种在薄板结构中能进行长距离传播且振幅损失较小的弹性扰动，因此在Lamb波无损检测（non-destructiveinspection，NDI）中，所需传感器数量会大大减少。运用导波相控阵技术，在固定位置扫描大范围的结构区域也成为可能。然而，将传统NDE技术转变成SHM技术存在一个明显的限制，那就是传统的NDE传感器都存在尺寸大和费用高的问题。将传统无损检测传感器**安装在结构中也不太适用，尤其是在重量和费用严格限制的航空领域。*近发展起来的压电晶片主动传感器（piezoelectric wafer active sensors，PWAS）对于结构健康监测、损伤诊断和无损检测技术的优化具有良好的发展前景。PWAS具有体积小、重量轻、价格便宜和便于加工成形等优点。PWAS可以安装在结构的表面也可以安装在结构的内部，甚至可以嵌入结构层与非结构层之间，尽管这样有可能带来对结构强度和损伤容限的影响，这些问题还在研究中。

　　基于PWAS的结构损伤诊断方法主要有以下几种：①波的传播法；②频率响应传递函数法；③机电阻抗法（electromechanical，E/M）。其他运用PWAS进行监测的方法还在研究和发展中，但通过表面粘贴或者埋入PWAS实现Lamb波激励和传感的模型建立与特征分析的研究仍有很长道路要走。评估结构健康状态的损伤因子也不完全可靠。将PWAS集成在结构中实现Lamb波损伤诊断的方法还在研究中。研发结构健康监测还缺乏用以选择各种相关监测参数的数学理论基础，如传感器的几何特征、维数、位置、材料、激励频率和带宽等。

　　不可否认，结构健康监测领域涉及的内容很多，存在不同类型的传感器、方法和数据压缩技术可以用于查询“结构有何感觉”，并确定其状态“健康否”，包括结构的完整性、可能存在的损伤和剩余寿命。本书目的不是提供此类百科全书式的叙述。本书主要以基于PWAS的结构健康监测的综合性方法为例，引导读者一步一步了解如何运用PWAS来评估和诊断给定结构的健康状况。本书从易到难，从简单到复杂，从对实验室简单试件的建模和测试过渡到评估大型真实结构。本书可用为课堂教材，也可用作相关领域感兴趣读者的自学书籍，或者作为相关领域专家需要运用主动结构健康监测方法时的参考书。

　　1.2 结构的断裂与失效

　　1.2.1 线弹性断裂力学概述

　　裂纹**应力强度因子通常表示为式中，为外加应力；a为裂纹长度；C是取决于试件几何尺寸和载荷分布的常数。应力强度因子和应力有关；也和裂纹长度有关，随着裂纹扩展，应力强度因子相应增加。裂纹快速扩展到不可控时，会达到临界状态。和裂纹快速扩展有关的变量称作临界应力强度因子，是反映材料抵抗脆性断裂能力的参数。也就是说，对于同一材料，裂纹的快速扩展总是开始于同一应力强度。对不同样品试件、不同的裂纹长度、不同的几何尺寸，裂纹快速扩展的情况是不一样的，但不变。是反映材料抵抗脆性断裂能力的参数，是材料的一种属性。发生断裂是因为当前应力强度超过，即为断裂预测提供了单参数断裂准则。虽然具体的计算和的确定在某些时候比较困难，但是用去预测脆性断裂是可行的。的概念可以用于具有延展性的材料，比如高强度合金。在这种情况下，的表达式（1-1）可以改进为描述裂纹**塑性区域的应力强度表达：的*大值可以估计为(平面应力状态)(平面应变状态)1-5）式中，是材料的屈服应力。研究材料的行为发现，平面应变状态的是*小的，而平面应力状态的是平面应变状态的2～10倍。这种影响与施加在材料上的约束程度有关。材料约束越多，越小。平面应变状态约束*多，平面应变状态下的也叫作材料断裂韧性。标准测试方法可以确定材料的断裂韧性。设计中使用时，断裂韧性准则比弹塑性断裂力学的方法要安全得多，比如：①裂纹**张开位移量方法（crack tiPopen ingdisplacement，CTOD）；②R曲线法；③J积分法。断裂韧性的方法比较保守，更安全，但更繁琐。设计者应该考虑以下两点：①脆性断裂可能的失效形式；②柔性屈服可能的失效形式。

　　1.2.2 裂纹扩展的断裂力学进展

　　线性断裂力学概念可用于分析特定结构，并且可以预测在特定载荷下裂纹自发扩展到失效时的裂纹长度大小。临界裂纹的大小可以由式（1-3）中定义的临界应力强度因子确定。循环载荷或其他损伤机理引起的疲劳裂纹在持续的循环载荷作用下会不断扩展，直到扩展到临界裂纹长度，此时裂纹快速扩展造成灾难性的失效。其中给定的裂纹损伤扩展到临界值所需要的时间是典型的结构健康寿命重要指标。为了测定结构的使用寿命，需掌握以下几点：①理解裂纹萌生机制；②定义临界裂纹长度，当超过临界裂纹长度时，结构将发生灾难性破坏；③理解裂纹从亚临界状态到临界裂纹长度的力学扩展原理。

　　大量循环载荷下裂纹扩展的实验表明：循环载荷越大，裂纹扩展得越快；循环载荷越小，裂纹扩展得越慢[1]。裂纹扩展现象有明显的几个区间，如图1-2所示：①区间I被称为裂纹萌生区，在初始阶段，裂纹扩展缓慢；②区间II为稳定扩展区，裂纹扩展速率与循环次数的对数成正比，呈线性；③区间III为快速扩展区，当应力强度因子大于阈值强度因子时，裂纹扩展快速直至破坏失效，呈现非线性。

　　图1-2 金属材料的疲劳裂纹扩展示意图

　　为了分析裂纹疲劳扩展，Paris和Erdogan[2]定义疲劳裂纹扩展依赖于交变应力和裂纹长度：式中，为循环应力中*大值与*小值之间的差值；a为裂纹长度；C为依赖于载荷、材料性能和其他次要变量的常数。

　　考虑式（1-1），可以假定裂纹扩展速率依赖于循环应力强度因子，如式中，为应力强度因子的*大值与*小值之差。实验表明，对于不同的应力等级和裂纹长度，裂纹扩展速率与应力强度因子之间的关系服从同一准则[1]。这个标志性的行为现象后来被称为Paris规则，它与图1-2中稳定扩展区II是一致的，疲劳裂纹扩展速率规则适用于大量工程材料。Paris规则适用于常幅载荷。图1-2中第二区域的线性曲线是式（1-7）取对数后的曲线，可以写为式中，是曲线的斜率；是和材料性质、测试频率、均布载荷和一些次要变量有关的经验参数。如果n和EPC已知，裂纹经N次循环后的扩展长度可以计算为式中，是原始裂纹长度。

　　Paris规则表示图1-2中第二区域的线性曲线，但是完整的裂纹扩展行为有独立的三种相态：①裂纹形成；②在log-log坐标下成稳定的线性裂纹扩展；③转变到不稳定的快速裂纹扩展及断裂状态。三种相态分别对应于图1-2中的区间I、区间II和区间III。研究发现，存在可以表征裂纹所在扩展区域的临界值，但不同材料之间的应力强度因子临界值相差很大。

　　Paris规则广泛应用于工程实践，应用时要考虑以下因素：①循环应力比对临界值的影响；②常幅载荷和复杂载荷谱下的区别；③载荷谱上*大应力的影响；④过载带来的迟滞和加速的影响。

　　考虑应力比和临界值的影响，Paris规则可修正为[3]式中，R为应力比为临界应力强度因子；是阈值应力强度因子幅；为经验参数。

　　常幅载荷和复杂载荷谱下裂纹扩展的不同之处主要取决于*大应力值。如果所加的常幅载荷和复杂载荷谱下*大应力值相同，裂纹扩展速率将会遵循同一规则。但是，如果*大应力不同，复杂载荷谱下的结果更依赖于所加循环载荷的顺序。值得注意的是，复杂载荷谱下总体裂纹扩展速率比常幅载荷快[4]。有研究者将过载引起的迟滞效应理解为疲劳损伤和裂纹的扩展与循环载荷历史的相互影响。*有可能的相互影响是裂纹的迟滞效应，裂纹**循环载荷过载就会引起迟滞效应。迟滞效应定义为裂纹扩展速率的减缓，由于载荷峰值逐渐减小，裂纹扩展速率减缓。文献[4]解释迟滞效应：过载使得裂纹**产生塑性区，引起局部塑性变形。去除过载后，塑性区转变为残余压应力区，因此会阻碍裂纹扩展。另一方面，裂纹加速也会出现在裂纹闭合过载后。在这种情况下，过载屈服区域会产生残余拉伸应力，会产生额外载荷，进而引起裂纹扩展加速。

　　对于简单几何形状试件，可以通过分析，预测出其应力强度因子，其预测可以通过大量实验、制作成图表以供设计时查阅。例如，一个有中心裂纹的矩形试件，在I型裂纹下的应力强度因子为式中，是拉应力；是裂纹长度的一半；是有中心裂纹无限大板的理想应力强度因子；表示有限尺寸板的影响，即板的边界距离裂纹不是无限远时弹性场的变化，如图1-3 所示。文献中可以查阅到大量不同几何尺寸试件的值。

　　图1-3 带有2a长度的中心裂纹的长2h、宽2b矩形板

　　1.3 飞机结构完整性大纲

　　美国空军在20世纪70年代提出飞机结构完整性大纲（aircraft structural integrity program，ASIP）[5-8]。ASIP的基本假设是所有在役飞机的结构（机身）都存在现有无损检测技术检测不到的内在损伤，由于机身结构具有损伤容限，因此飞机能够带着这些“初始缺陷”安全飞行。ASIP同时假设这些初始缺陷会在正常飞行的服役循环和腐蚀作用下不断扩展直至达到能够被无损检测方法检测到的长度。

　　损伤容限理论的基本前提是飞机结构存在现有无损检测技术检测不到的内在损伤，但仍能够继续安全的飞行。ASIP制定了一套定期检测和维修活动，目的是发现和修复那些已经增长到可以通过无损检测方法检出的损伤。一旦损伤被修复，在下次检测和维修活动前，飞机重新给定寿命。

　　ASIP的持续应用避免了结构由于疲劳、应力腐蚀和腐蚀疲劳而产生失效的现象[9]。现存的结构制造质量缺陷（例如划痕、瑕疵、毛边、微裂纹等），服役引起的损伤（如腐蚀斑点），还有维修引起的损伤都有可能成为裂纹扩张的开端。这些缺陷对飞机安全的影响取决于它们的初始尺寸、服役中的扩展速度、关键缺陷尺寸、结构的可检性和初始结构设计时的损伤容限能力等。

　　飞机的可靠性、疲劳和损伤容限[9]需要保障结构可能存在的初始*大损伤在飞机服役过程中，不会扩展至影响飞机安全的尺寸。同时也要尽可能减缓疲劳和腐蚀作用下在役飞行器结构裂纹的产生及结构特性的减退。

　　1.3.1 术语

　　以下术语从参考文献[6]中摘录。

　　①损伤：缺陷、裂纹、空隙、分层等，在生产制造或使用过程中出现在结构中的问题。在金属机身中，损伤往往被考虑成尖角裂纹。

　　②损伤容限：在规定的寿命增量内，结构能成功遏制损伤而无损于飞行安全的能力。

　　③安全性：在预计服役寿命下，每架飞机的重要结构（例如机身上对于飞行十分重要的结构）可以维持特定强度水平（在未知损伤出现的情况下）的保障。

　　④耐久性：在常规裂纹、腐蚀、磨损等影响下，采用*少的结构维护、检测、停场时间、翻新、维修和替换主要结构的情况下，保障飞机可以有效服役的能力。

　　⑤寿命管理：维护每架飞机或者整个机群的安全性和耐久性所需要的行动。

　　⑥确定性分析方法/进展：通过考虑所有离散量输入数据来预测寿命和损伤水平（如裂纹长度）的方法。对一组给定数据，预测是单一值。

　　⑦概率分析方法/进展：通过考虑一个或多个输入变量的统计特性来预测寿命的分布或损伤水平分布（如裂纹尺寸分布）的方法。对于一个给定的数据集，结果表示为等于或超过某给定值的概率。

 

　　本书英文原著由美国南卡罗来纳大学机械工程系Victor Giurgiutiu教授撰写。中文译本由南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室教育部“长江学者”特聘教授袁慎芳完成。本书循序渐进地讲解了基于压电晶片主动传感器的结构健康监测理论、方法和案例，所涉及内容包括结构健康监测相关基本概念、电主动材料和磁主动材料、结构振动及其分析方法、弹性波理论和建模方法、压电晶片主动传感器及其与结构的耦合分析、压电晶片谐振器、基于结构机电阻抗的结构健康监测方法、压电弹性波调制方法、压电导波结构健康监测方法、压电在线相控阵方法和压电结构健康监测信号处理与模式识别方法，*后介绍了基于压电晶片主动传感器的结构健康监测研究案例。本书内容全面，通俗易懂，既有性，又兼具可读性，特别适合读者学习有关结构健康监测的概念、原理和方法，为他们在该领域开展深入研究奠定基础。

结构健康监测技术的新视野：理论、方法与前沿应用 本书深入探讨了结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）领域的核心理论、前沿方法与实际应用，旨在为土木、航空航天、机械工程以及材料科学的研究人员、工程师和决策者提供一个全面且深入的知识框架。本书聚焦于如何利用先进的传感、数据采集、信号处理与智能分析技术，对关键基础设施和复杂结构的安全性和服役性能进行实时、可靠的评估。 第一部分：结构健康监测的基础理论与系统架构 第一章：结构健康监测的战略意义与发展历程 本章首先界定了结构健康监测的概念、目标及其在现代工程中的不可替代性。通过回顾从传统的定期无损检测（NDT）到当前依赖分布式传感网络的SHM技术的发展脉络，阐述了SHM如何从被动检测转向主动预测性维护。重点分析了SHM在减少意外失效、延长使用寿命、降低维护成本和提升公众安全方面的战略价值。本章还讨论了当前SHM面临的挑战，如传感器的长期稳定性、数据处理的实时性以及多源异构数据的融合问题。 第二章：结构动力学基础与损伤识别的理论基础 结构健康监测的核心在于通过对结构动力学特性的微小变化来推断损伤的发生、位置和程度。本章系统回顾了经典梁、壳、板单元的振动理论，并深入讲解了有限元模型（FEM）在构建基准动力学模型中的应用。随后，详细阐述了基于模态参数（固有频率、振型、阻尼比）的损伤识别原理。讨论了模态识别技术，包括频域分析法（如FFT、峰值拾取）和时域分析法（如ERA、FDD），并对比了它们在不同噪声环境下的性能表现。 第三章：传感器技术与数据采集系统 SHM的有效性直接依赖于传感器的质量和数据采集系统的性能。本章对主流的结构健康监测传感器进行了详尽的分类和性能比较。内容涵盖： 1. 电阻应变片与光纤传感器： 重点介绍基于布拉格光栅（FBG）的应变和温度测量技术，探讨其抗电磁干扰能力和分布式传感潜力。 2. 加速度计与位移传感器： 比较压电式、电容式加速度计的优缺点，并介绍激光多普勒测振仪（LDV）在高精度测量中的应用。 3. 超声波与声发射（AE）传感器： 深入分析声发射技术捕获瞬态应力波的机理，以及其在早期微裂纹检测中的优势。 此外，本章还详细介绍了高性能数据采集（DAQ）系统的设计原则，包括采样率、量化精度、同步性要求，以及无线传感网络（WSN）在广域结构监测中的组网、功耗管理与数据传输协议。 第二部分：损伤检测与状态评估方法 第四章：基于模态参数的损伤定量评估 本章将理论模型与实际应用相结合，探讨如何将采集到的模态数据转化为可操作的损伤指标。首先，介绍了模态应变能法（Modal Strain Energy, MSE）和模态灵敏度法，它们是基于振型变化的经典损伤定位技术。接着，重点阐述了基于模型的损伤识别方法，如： 直接承迹法 (Direct Damage Identification)： 通过修正有限元模型参数（如刚度矩阵）以最小化理论模态与实验模态之间的残差。 基于频率响应函数的损伤指标： 介绍如C2D指标、频率响应函数（FRF）的差分分析等，这些方法对环境温度变化具有较好的鲁棒性。 第五章：信号处理与先进的特征提取技术 在复杂的实际工况下，传感器信号往往混杂着环境噪声、操作荷载和基线漂移。本章专注于先进的信号处理技术，以提取隐藏在噪声中的损伤特征： 1. 去噪技术： 应用经验模态分解（EMD）/集合经验模态分解（EEMD）和小波变换（Wavelet Transform）对时域信号进行去噪和多尺度分析。 2. 基于高阶统计量的特征提取： 探讨峰度、偏度等高阶矩在识别非线性损伤（如摩擦、接触变化）中的应用。 3. 模式识别与机器学习： 详细介绍如何将信号特征向量输入到支持向量机（SVM）、随机森林（RF）以及深度学习网络（如卷积神经网络CNN）中，实现损伤类型的自动分类和状态的实时判读。 第六章：环境对SHM系统的影响与补偿策略 结构监测数据受温度、湿度、风载等环境因素的显著影响，这可能导致虚假警报。本章系统分析了环境因素对模态参数的影响机制，并提出有效的补偿与解耦方法： 温度敏感性分析： 利用回归模型或PCA（主成分分析）来分离温度引起的模态变化与实际损伤引起的模态变化。 基线数据的动态化处理： 介绍如何利用多变量统计方法构建一个随环境变化的“动态基线”，从而提高损伤检测的可靠性。 第三部分：前沿应用与未来展望 第七章：无源与主动传感策略的融合应用 本章探讨了如何将两种主要的传感机制——被动（如振动响应监测）和主动（如导波传播）——有效地融合，以构建更鲁棒的SHM系统。重点分析了： 1. 导波（Guided Wave）检测技术： 探讨在管道、桥梁索股等长结构中，如何利用高频导波实现区域性的损伤快速扫描。 2. 多尺度监测集成： 讨论如何将宏观结构健康状态（如模态分析）与微观损伤演化（如声发射监测）相结合，实现从裂纹萌生到结构失效的完整监测链条。 第八章：SHM的数字化孪生与预测性维护 本章展望了SHM技术的未来发展方向——与数字孪生（Digital Twin）技术的深度融合。阐述了如何利用实时监测数据对高保真有限元模型进行持续校准（Model Updating），从而创建结构的实时数字副本。通过结合可靠性分析和剩余使用寿命（RUL）预测模型，实现从“故障诊断”到“预测性维护”的转变。讨论了数据治理、云计算和边缘计算在处理海量SHM数据流中的关键作用。 第九章：特定结构领域的案例研究 本章通过多个具体案例，展示SHM技术在不同工程领域中的成功实施与挑战： 桥梁与大型结构： 针对风致振动、车辆冲击的监测案例。 航空航天结构： 复合材料疲劳损伤的在线监测。 能源基础设施： 涡轮机叶片和储油罐的腐蚀与裂纹监测。 本书力求在严谨的理论基础上，充分展示结构健康监测技术的广阔应用前景与工程实践中的关键技术细节。

评分☆☆☆☆☆

全书的逻辑架构处理得极其精妙，作者仿佛是一位经验老到的工程师，他没有急于抛出最尖端的技术细节，而是采取了一种循序渐进、层层递进的讲解方式。开篇的理论基础铺垫得非常扎实，像是为后续复杂的应用打下了一个坚不可摧的地基，确保即便是背景知识稍弱的读者也能跟上节奏。随着章节深入，话题自然而然地过渡到实验验证和实际案例分析，这种从理论到实践的无缝衔接，极大地增强了内容的实用性和可信度。每当引入一个新的数学模型或者物理现象时，作者总能巧妙地将其与现实世界中的工程问题联系起来，使得抽象的知识点立刻变得鲜活、可触及。这种教科书式的严谨布局，让学习曲线变得平滑且高效，很少出现突然的知识断层感。

评分☆☆☆☆☆

本书的行文风格非常具有感染力，虽然主题高度专业化，但作者在阐述复杂原理时，总能保持一种清晰、有条理的叙述节奏，用词精准而又不失活力。阅读过程中，很少出现那种被晦涩术语堆砌而产生的阅读疲劳感。尤其是在介绍一些新兴或前沿的研究方向时，作者的态度是开放而审慎的，他既展示了技术的潜力，也坦诚地指出了当前方法的局限性以及未来亟待解决的关键问题。这种诚实的态度，极大地提升了读者对作者的信赖感，我们仿佛能感受到作者真诚地希望读者能够完全掌握并批判性地发展这些技术，而非仅仅是接受既有的结论。这使得阅读体验从单向的信息接收，转变成了一种双向的学术对话。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和印刷质量绝对是顶级的，拿到手里就感觉非常扎实，纸张的选择很有档次，阅读起来眼睛不容易疲劳，这对于一本技术性很强的著作来说至关重要。尤其是那些复杂的图表和公式，排版得一丝不苟，线条清晰锐利，即便是初次接触这些高深概念的读者，也能通过直观的图形辅助理解理论的复杂性。这足以看出出版社在细节处理上的专业态度，毕竟学术专著的价值很大程度上也体现在这种严谨的呈现方式上。我特别欣赏其中关于图示的用心，它不仅仅是文字的补充，更像是独立的叙事线索，帮助读者在大脑中构建起一个清晰的物理模型，这对于理解波的传播和传感器的实际工作机制，提供了极大的便利。 整体而言，这种对实体书品质的重视，让阅读过程本身变成了一种享受，而非仅仅是信息的获取。

评分☆☆☆☆☆

如果用一个词来形容这本书的深度，那便是“透彻”。它绝非那种泛泛而谈、只做概念罗列的入门读物，而是深入到了材料科学、电磁学以及信号处理等多个学科的交叉地带，并且对每一个关键环节都进行了深入的剖析。例如，在探讨压电材料的本构方程时，作者没有回避那些复杂的张量表示，反而通过详细的推导，展示了这些方程是如何精确地描述机械能与电能相互转换的物理过程的。对于那些想要将这些理论应用于研发工作的专业人士来说，书中提供的这些详尽的数学依据和参数依赖性分析，无疑是宝贵的资源，它帮助我们理解为什么某些设计在特定工况下会表现优异，而另一些则会失效。这种层面的剖析，真正体现了一本权威参考书的价值所在。

评分☆☆☆☆☆

我个人对书中涉及的实际操作指南和工程考量部分留下了非常深刻的印象。很多技术书籍往往止步于理论的完美阐述，但在实际部署中却忽略了环境噪声、传感器耦合效率、长期稳定性这些“脏活累活”。然而，这本书在后续章节中花费了大量篇幅来讨论这些现实中的挑战，比如如何优化电极设计以减少寄生电容，如何进行环境温度补偿以保证测量精度，甚至包括了数据采集系统的具体要求。这些实战经验的分享，远比纯粹的理论推导来得更接地气，它体现了作者在真实工程环境中摸爬滚打多年的积累，避免了读者在项目初期走不必要的弯路。这使得这本书不仅是知识的宝库，更像是一位资深顾问的经验总结。