發(fā)布時間：2016-11-22 14:10

  本文關(guān)鍵詞：橋梁健康監(jiān)測與狀態(tài)評估的研究現(xiàn)狀與發(fā)展，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中南大學(xué)》 2010年

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的壓電傳感技術(shù)研究

孫艾薇  

【摘要】： 近年來,隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展以及人們安全意識的逐漸提高,工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測和損傷識別問題逐漸被人們所重視,實時、在線的結(jié)構(gòu)健康狀況診斷方法研究已成為了當前土木工程學(xué)科十分活躍的領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一門建立在多學(xué)科基礎(chǔ)上的綜合性新技術(shù)。智能材料的發(fā)展為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了一些新的途徑,而壓電材料正是目前智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究中應(yīng)用最多的一種傳感和驅(qū)動材料,其因具有響應(yīng)快,頻響范圍寬,易剪裁,價格低廉等特點而在工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面存在著巨大的應(yīng)用潛力。本文在國家自然科學(xué)基金(No.50778179)的支持下進行了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中壓電傳感技術(shù)的研究。論文所開展的主要研究工作和取得的主要成果如下： 首先,基于壓電傳感機理,推導(dǎo)了采用壓電陶瓷傳感器進行應(yīng)變傳感的計算公式,給出了傳感器靈敏度表達式；同時從信號提取角度分析比較了電壓放大器和電荷放大器的差異,論證了電荷放大器能夠克服引線電纜影響的優(yōu)越性。 接著,針對厚剪模式的壓電傳感器,推導(dǎo)了基體結(jié)構(gòu)應(yīng)變與壓電傳感器應(yīng)變的傳遞關(guān)系,MATLAB數(shù)值結(jié)果表明：為了提高變形傳遞能力,獲得較好的輸出電信號,應(yīng)盡量選擇厚度較薄的壓電陶瓷片,且質(zhì)地較軟的壓電片具有更好的靈敏度；另外,對于有損材料,其壓電傳感器的輸出響應(yīng)隨損傷因子變化明顯,損傷程度越高,壓電傳感器的靈敏度越低。 最后,根據(jù)PZT的機電耦合特性,詳細推導(dǎo)了壓電元件的電阻抗與結(jié)構(gòu)機械阻抗之間的關(guān)系,為集壓電傳感／驅(qū)動一體化的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了理論根據(jù),即如果結(jié)構(gòu)中存在缺陷或損傷,其機械阻抗將發(fā)生變化,則粘貼在結(jié)構(gòu)表面PZT電導(dǎo)納的變化可以直觀反映出結(jié)構(gòu)機械阻抗的變化。分別對單個壓電片和粘有壓電片的結(jié)構(gòu)進行ANSYS建模,分析其模態(tài)頻率及振型；介紹了壓電阻抗的數(shù)值分析方法,進行了交變電壓激勵下的壓電諧響應(yīng)分析,并對壓電導(dǎo)納譜進行了分析。研究表明,在高頻范圍內(nèi),基于壓電阻抗的數(shù)值分析方法能夠判斷結(jié)構(gòu)的微小損傷,從而為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供有力的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TP212
【目錄】：

摘要3-4

ABSTRACT4-8

第一章 緒論8-17

1.1 課題研究背景及意義8-11

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-15

1.2.1 基于壓電陶瓷傳感器的被動監(jiān)測11-12

1.2.2 基于壓電陶瓷傳感器的主動監(jiān)測12-15

1.3 本文研究內(nèi)容15-16

1.4 課題來源16-17

第二章 壓電傳感器用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基本理論17-28

2.1 智能材料結(jié)構(gòu)17-19

2.2 壓電效應(yīng)及壓電材料19-24

2.2.1 壓電效應(yīng)19-20

2.2.2 壓電效應(yīng)的晶體物理學(xué)基礎(chǔ)20-21

2.2.3 壓電材料21

2.2.4 壓電材料的分類及重要參數(shù)21-24

2.3 壓電方程24-26

2.3.1 四類邊界條件24-25

2.3.2 四類壓電方程25-26

2.4 PZT壓電陶瓷傳感器用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的實現(xiàn)26-28

第三章 壓電傳感器機理及其傳感信號的提取28-40

3.1 引言28

3.2 一維壓電方程的簡化28-30

3.3 壓電傳感計算式的建立30-31

3.3.1 結(jié)構(gòu)模型30-31

3.3.2 壓電傳感器輸出電壓表達式31

3.4 壓電傳感器的信號拾取31-39

3.4.1 壓電元件的兩種等效電路31-32

3.4.2 壓電元件與測量儀器連接的等效電路32-34

3.4.3 電壓放大電路34-37

3.4.4 電荷放大電路37-39

3.5 小結(jié)39-40

第四章 厚剪模式下壓電傳感理論及數(shù)值分析40-62

4.1 引言40

4.2 無損材料理想粘貼模型40-48

4.2.1 理論分析40-45

4.2.2 數(shù)值算例45-48

4.3 無損材料考慮粘貼層模型48-58

4.3.1 理論分析49-55

4.3.2 數(shù)值算例55-58

4.4 有損材料考慮粘貼層模型58-61

4.5 小結(jié)61-62

第五章 基于壓電阻抗的驅(qū)動/傳感一體化理論及數(shù)值分析62-76

5.1 引言62

5.2 基體結(jié)構(gòu)的機械阻抗62-64

5.3 耦合壓電阻抗分析64-67

5.4 ANSYS數(shù)值分析67-75

5.4.1 關(guān)于ANSYS中的耦合問題68

5.4.2 壓電耦合單元的選擇68-69

5.4.3 模態(tài)分析69-74

5.4.4 電壓激勵下壓電阻抗諧響應(yīng)分析74-75

5.5 小結(jié)75-76

第六章 總結(jié)與展望76-78

6.1 結(jié)論76-77

6.2 展望77-78

參考文獻78-85

攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及主要的科研情況85-86

致謝86

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6 李瑜;王源升;蔣健暉;吳海龍;沈國勵;俞汝勤;;基于神經(jīng)節(jié)苷脂修飾的脂質(zhì)體凝聚壓電傳感器對霍亂毒素的靈敏快速檢測[A];中國化學(xué)會第27屆學(xué)術(shù)年會第09分會場摘要集[C];2010年

7 葛捷;;應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的分布式光纖傳感技術(shù)[A];第一屆長三角地區(qū)傳感技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2004年

8 徐洋;向敏;程安宇;;基于C8051單片機的道路交通信息采集儀器[A];2008中國儀器儀表與測控技術(shù)進展大會論文集（Ⅰ）[C];2008年

9 劉云川;竇金龍;劉連生;吳春平;汪旭光;;爆炸波在木質(zhì)松散介質(zhì)中傳播及破壞的研究[A];中國爆破新技術(shù)Ⅱ[C];2008年

10 彭杰綱;傅新;陳鷹;;旋渦進動流量計傳感器的安裝對測量的影響[A];第二屆全國流體傳動及控制工程學(xué)術(shù)會議論文集（第三卷）[C];2002年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 四維 摘譯;[N];電子報;2008年

2 江明 譯;[N];電子報;2003年

3 天生 摘譯;[N];電子報;2003年

4 陜西科技大學(xué)設(shè)計學(xué)院 山靜民;[N];中國包裝報;2002年

5 馮衛(wèi)東;[N];科技日報;2009年

6 記者 劉曉星　劉旦 通訊員 陳偉秋 吳博智;[N];廣州日報;2009年

7 本報記者 李敏 通訊員 楊文雋;[N];亞太經(jīng)濟時報;2009年

8 本報記者 馬文方;[N];中國計算機報;2010年

9 記者 康行遠　通訊員 馮微紅;[N];嘉興日報;2011年

10 本報記者 田翔;[N];中國交通報;2011年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 徐東宇;水泥基壓電傳感器的制備、性能及其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究[D];山東大學(xué);2010年

2 高占鳳;大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中信息獲取及處理的智能化研究[D];北京交通大學(xué);2010年

3 邱自學(xué);SMA傳感、驅(qū)動性能及其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究[D];南京理工大學(xué);2002年

4 尹凡;基于平板電容模型的電容傳感器以及新型壓電傳感器的研制與應(yīng)用[D];湖南大學(xué);2002年

5 王強;Lamb波時間反轉(zhuǎn)方法及其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

6 王丹生;基于反共振頻率和壓電阻抗的結(jié)構(gòu)損傷檢測[D];華中科技大學(xué);2006年

7 劉建;基于含金屬芯壓電纖維與Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2010年

8 蔣濟同;海洋平臺的模態(tài)參數(shù)識別與損傷診斷研究[D];中國海洋大學(xué);2003年

9 宮亞峰;城市立交橋梁健康監(jiān)測理論與實踐技術(shù)研究[D];吉林大學(xué);2010年

10 喻言;結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的無線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 孫艾薇;結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的壓電傳感技術(shù)研究[D];中南大學(xué);2010年

2 杜軍國;幾種非理想狀態(tài)下壓電傳感器的響應(yīng)及應(yīng)用[D];山東師范大學(xué);2010年

3 何濤燾;縱波壓電傳感器瞬態(tài)特性的模擬與實驗研究[D];湘潭大學(xué);2010年

4 薛巖波;水泥壓電傳感器信號分析處理系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D];濟南大學(xué);2010年

5 張黨英;基于壓電傳感器供水管道泄漏檢測及信號處理技術(shù)的研究[D];燕山大學(xué);2010年

6 魏平;疲勞壽命計在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究[D];南京航空航天大學(xué);2004年

7 王洽親;2010上海世博會英國館結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究[D];浙江大學(xué);2011年

8 盤昱良;癌細胞及凋亡細胞傳感新技術(shù)研究[D];湖南大學(xué);2009年

9 張志軍;結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件設(shè)計[D];天津大學(xué);2012年

10 丁華平;基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的泰州長江公路大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究[D];南京大學(xué);2011年

  本文關(guān)鍵詞：橋梁健康監(jiān)測與狀態(tài)評估的研究現(xiàn)狀與發(fā)展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：185889