用于SHM中的全方位柔性介电弹性体叉指换能器结构优化设计研究

发布时间：2024-07-06 09:57

　　叉指换能器(Interdigital Transducer,IDT)是通过压电效应来实现声电转换的声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)器件,其可实现导波信号的传递和截取,早期主要用于SAW的滤波、延时、叠加等信号处理。近年来,由于具有可以设计声同步频率、频带宽度可调、插入损耗低等特点,IDT已经被广泛应用于大型工程的结构健康监测(Structural Health Monitoring,SHM)系统中,其中,最为常见的就是基于超声兰姆波的矩形IDT,它能够实现大范围、快速检测,因此在板状结构的损伤检测中得到广泛应用。本文针对现有IDT结构带宽窄、信号发射与接收方向单一,难以附着于复杂结构表面等不足,研究一种基于介电弹性体(Dielectric Elastomer,DE)的变间距环形柔性IDT,具有频带宽、全方位信号采集的功能。通过有限元数值计算对聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)基底及DE基底的全方位柔性IDT进行了结构优化设计,并优选出适应于全方位柔性IDT的3D打印精密加工方法。最后对两种IDT进行了性能测试及结构健康...

【文章页数】：84 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 基于导波的结构健康监测技术概述
        1.2.1 用于板结构无损检测技术概述
        1.2.2 基于导波的结构健康监测技术
    1.3 发展现状
        1.3.1 叉指换能器概述
        1.3.2 叉指换能器基底材料的发展现状
    1.4 论文主要工作
第二章 叉指换能器工作机理和基本理论
    2.1 IDT基底材料概述
        2.1.1 压电效应及其表达式
        2.1.2 压电材料的压电方程
        2.1.3 DE材料的本构关系
    2.2 IDT工作原理与基本特性
        2.2.1 IDT基本参数
        2.2.2 IDT工作原理
        2.2.3 IDT基本特性
    2.3 IDT频率响应分析
        2.3.1 均匀IDT频率响应分析
        2.3.2 变间距IDT频率响应分析
    2.4 本章小结
第三章 环形IDT结构优化设计
    3.1 各向同性自由板中的超声Lamb波特性
        3.1.1 超声Lamb波波动方程
        3.1.2 超声Lamb波频散曲线
        3.1.3 基于Lamb波相速度频散曲线的IDT设计方法
    3.2 PVDF基环形柔性IDT结构优化设计
        3.2.1 PVDF基环形柔性IDT有限元模型
        3.2.2 PVDF基环形柔性IDT仿真结果分析
    3.3 全方位柔性DE-IDT结构优化设计
        3.3.1 DE-IDT有限元模型
        3.3.2 DE-IDT仿真结果分析
    3.4 本章小结
第四章 环形柔性IDT的制备与实验
    4.1 环形IDT加工工艺
        4.1.1 丝网印刷工艺制作环形IDT
        4.1.2 电场驱动喷射沉积3D打印工艺制作环形IDT
    4.2 环形柔性IDT性能测试
        4.2.1 驱动性能测试
        4.2.2 传感性能测试
    4.3 基于全方位柔性IDT的结构损伤检测
    4.4 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 全文总结
    5.2 下一步研究工作展望
参考文献
致谢
攻读硕士期间主要成果



本文编号：4002427