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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