埋入式压电加速度传感器及其在混凝土结构震动中的监测研究
发布时间：2020-12-28 00:38
近年来,随着社会经济的高、快速发展和施工技术的进步,兴建了诸如水利大坝、高层建筑、道路桥梁等一系列单体工程或具有综合使用功能的大型土木工程结构,大大推动了人类社会进步和发展。然而这些大型土木工程结构在其服役期间,由于忽略了对这些结构的周期性的损伤检测或实时、在线的健康监测,导致部分土木工程结构因其自身的损伤累积和抗力的衰减而发生破坏,从而引发突发性灾难事故。因此,采用基于智能传感器系统和数据采集分析系统对土木工程结构进行实时的长期在线健康监测/检测,在灾害降临前预警显得越发重要。压电陶瓷作为一种具有正逆压电效应的功能陶瓷,其具有快速响应的传感特性和激励功率小的驱动特性,同时线性度好、能耗与成本低、组合灵活以及易于加工设计的诸多优点在土木工程领域得到了广泛的研究和应用。依据压电敏感元件的传感特性制备的压电式加速度传感器是土木工程结构损伤监/检测领域中的重要方向。基于以上背景,本文针对现有压电加速度传感器金属封装与混凝土耦合性差、防水性及耐久性差等问题,以PZT-5H压电陶瓷、水泥/聚合物、镀锌钢片质量块等为原材料制备了一种整体结构稳定适用于埋入混凝土结构内部同时不改变混凝土局部承力特性的...
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
压电式加速度计结构示意图
埋入式压电加速度传感器及其在混凝土结构震动中的监测研究22在断层的问题，目前在解决传感器相容性问题上大多是在压电陶瓷表面涂抹防水层，然后封装水泥保护层，但其使用过程中断层比较严重，不适合长期使用，因此，本文使用水泥、环氧树脂混合物对元件进行封装，所制备的埋入式压电加速度传感器的基本结构可分为：水泥/环氧树脂聚合物封装层、压电敏感元件、金属质量块、铜网屏蔽层、导线、屏蔽线、轻质螺母、基座等。图2.1埋入式压电加速度传感器的结构示意图2.4埋入式压电加速度传感器的制备流程本实验采用压电元件和质量块，通过浇筑法制备封装层和基座，流程简洁方便，重复性高，压电陶瓷块尺寸为厚度1.0mm、2.0mm、3.0mm，外径12.0mm、内径5.0mm，金属质量块尺寸为厚度8.0mm、10.0mm、12.0mm，外径14.0mm、内径5.0mm。埋入式压电加速度传感器的制作流程分为以下几个步骤，其优点在于传感器的每个部件可以单独制备，同批次产出性能相近，节约时间与成本。具体制备步骤如下：（1）压电敏感元件根据埋入式加速度计设计需求和压电陶瓷的可设计性，通过商家定制制备所需尺寸压电元件，设计尺寸为：厚度1.0mm、2.0mm、3.0mm，外径12.0mm、内径5.0mm。（2）质量块在传感器质量块的选择上，钨块因其比重大，同一振动过程中对压电元件施加的惯性质量大，被经常选择用来作为质量块，本文传感器设计中使用水泥、环氧树脂混合物作为封装层，对于传感器内部起到了极好的防护作用，所以采用更加低廉的镀锌钢片代替钨块作为压电陶瓷质量块。根据（1）所制备的压电陶瓷
济南大学硕士学位论文25比非常重要。本文在封装层内部放置铜网屏蔽层的方式来减弱信号干扰，并从导线中引出一条屏蔽线接于封装层外消除50Hz工频对传感器干扰。为了检验屏蔽后加速度计的使用效果，对屏蔽前后传感器输出波形进行了测定。具体方案为：采用同种尺寸的PZT-5H压电陶瓷制备的传感器为例，一个无屏蔽线，一个外接屏蔽线，将其放置在振动台上对其进行振动，振动频率160Hz。图2.3所示为屏蔽前传感器输出时域波形和频域波形，图2.4为屏蔽后传感器输出时域波形和频域波形。对比屏蔽前后传感器输出时域波形可以看出，屏蔽前埋入式压电加速度传感器输出波形呈现规则的正弦波动同时，还存在一个频率较低的正弦波动，其峰值最大差值0.673m/s2，严重影响了测试准确性，采取屏蔽手段后，同一振动下埋入式加速度传感器输出峰值相差0.052m/s2。从频谱图中可以看出，一共存在两个尖锐的峰值，分别为50Hz和160Hz。屏蔽后的传感器输出时域波形平滑，其频谱图中只有一个明显的160Hz峰值，50Hz干扰几乎不存在。说明屏蔽线和铜网屏蔽层引入后使得埋入式加速度传感器50Hz工频干扰受到了很好抑制，屏蔽线将埋入式传感器干扰信号通过埋入混凝土的方式实现了接地处理，传感器的信噪比得到了大幅度提高，屏蔽后干扰信号相对幅值要比屏蔽前幅值降低约92.27%，传感器性能得到很好的改善。从而确保了传感器在土木工程结构中振动检测的准确性。图2.3屏蔽前传感器输出时域和频域波形
【参考文献】：
期刊论文
[1]GFRP筋混凝土梁受弯性能试验[J]. 王洋,董恒磊,王震宇. 哈尔滨工业大学学报. 2018(12)
[2]FRP筋混凝土结构抗震性能的研究现状综述[J]. 李加乐,肖同亮,宗兰,吴江. 江苏建材. 2017(03)
[3]高温(火灾)下FRP筋混凝土构件力学性能研究进展[J]. 都凡,欧阳利军,陆洲导,陈有亮,镇斌. 玻璃钢/复合材料. 2016(07)
[4]压电加速度计本底噪声研究[J]. 陈毅强,王玉田,李泓锦,唐旭晖,严冰. 仪器仪表学报. 2015(04)
[5]基于压电加速度传感器的天车监测系统设计[J]. 陈至坤,逄鹏,王福斌,王一. 传感器与微系统. 2014(11)
[6]基于振动的结构损伤识别方法研究[J]. 邹志强,吴斌. 舰船电子工程. 2014(04)
[7]一种新型压电加速度传感器研究[J]. 于润祥,石庚辰,隋丽,王亚军. 北京理工大学学报. 2014(03)
[8]采用PZT压电加速传感器研制振动报警器[J]. 于凤. 黑龙江科技信息. 2013(18)
[9]耐高温环氧树脂研究进展[J]. 刘晓蓓,王晓洁,惠雪梅. 玻璃钢/复合材料. 2013(03)
[10]基于压电式加速度传感器的船用振动测量仪设计[J]. 孙倩,尹菲,尚晶. 传感器与微系统. 2013(05)
博士论文
[1]FRP筋增强混凝土结构耐久性能及其设计方法研究[D]. 董志强.东南大学 2018
[2]BFRP筋钢纤维复合增强高强混凝土梁受弯性能研究[D]. 程晟钊.郑州大学 2018
[3]结构新型热固性FRP复合筋及其性能[D]. 张志春.哈尔滨工业大学 2008
[4]混凝土强度无损检测试验及人工智能系统模型研究[D]. 王立军.天津大学 2008
[5]FRP筋力学性能及其混凝土梁受弯性能研究[D]. 徐新生.天津大学 2007
[6]形状记忆合金及其智能混凝土结构研究[D]. 崔迪.大连理工大学 2007
[7]基于数据融合的结构损伤识别[D]. 焦莉.大连理工大学 2006
[8]非对称建筑结构的磁流变阻尼器半主动控制[D]. 李秀领.大连理工大学 2006
[9]基于小波分析的结构损伤识别方法研究[D]. 郭健.浙江大学 2004
硕士论文
[1]不同类型FRP筋混凝土框架结构抗震性能对比分析[D]. 潘美霞.济南大学 2018
[2]GFRP筋ECC混凝土梁抗弯性能试验研究[D]. 向亚男.武汉科技大学 2018
[3]FRP筋增强高性能海砂海水混凝土梁抗弯性能试验研究[D]. 张法基.广东工业大学 2018
[4]GFRP混合配箍混凝土梁受剪性能研究[D]. 李亚.安徽工业大学 2018
[5]玄武岩纤维筋与混凝土粘结性能研究[D]. 周柯弟.西南科技大学 2018
[6]FRP筋混凝土框架结构振动台试验设计及抗震性能分析[D]. 李金玉.济南大学 2017
[7]基于Pushover分析的FRP筋混凝土框架结构性能化抗震设计方法研究[D]. 赵戈.济南大学 2016
[8]BFRP筋海砂混凝土梁受弯性能试验研究[D]. 卢俊坤.广东工业大学 2014
[9]压电超声传感器的制备及其在混凝土结构健康监测中的应用[D]. 谢新春.济南大学 2014
[10]FRP筋混凝土框架结构抗震性能有限元分析[D]. 张洪达.济南大学 2014
本文编号：2942802
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
压电式加速度计结构示意图
埋入式压电加速度传感器及其在混凝土结构震动中的监测研究22在断层的问题，目前在解决传感器相容性问题上大多是在压电陶瓷表面涂抹防水层，然后封装水泥保护层，但其使用过程中断层比较严重，不适合长期使用，因此，本文使用水泥、环氧树脂混合物对元件进行封装，所制备的埋入式压电加速度传感器的基本结构可分为：水泥/环氧树脂聚合物封装层、压电敏感元件、金属质量块、铜网屏蔽层、导线、屏蔽线、轻质螺母、基座等。图2.1埋入式压电加速度传感器的结构示意图2.4埋入式压电加速度传感器的制备流程本实验采用压电元件和质量块，通过浇筑法制备封装层和基座，流程简洁方便，重复性高，压电陶瓷块尺寸为厚度1.0mm、2.0mm、3.0mm，外径12.0mm、内径5.0mm，金属质量块尺寸为厚度8.0mm、10.0mm、12.0mm，外径14.0mm、内径5.0mm。埋入式压电加速度传感器的制作流程分为以下几个步骤，其优点在于传感器的每个部件可以单独制备，同批次产出性能相近，节约时间与成本。具体制备步骤如下：（1）压电敏感元件根据埋入式加速度计设计需求和压电陶瓷的可设计性，通过商家定制制备所需尺寸压电元件，设计尺寸为：厚度1.0mm、2.0mm、3.0mm，外径12.0mm、内径5.0mm。（2）质量块在传感器质量块的选择上，钨块因其比重大，同一振动过程中对压电元件施加的惯性质量大，被经常选择用来作为质量块，本文传感器设计中使用水泥、环氧树脂混合物作为封装层，对于传感器内部起到了极好的防护作用，所以采用更加低廉的镀锌钢片代替钨块作为压电陶瓷质量块。根据（1）所制备的压电陶瓷
济南大学硕士学位论文25比非常重要。本文在封装层内部放置铜网屏蔽层的方式来减弱信号干扰，并从导线中引出一条屏蔽线接于封装层外消除50Hz工频对传感器干扰。为了检验屏蔽后加速度计的使用效果，对屏蔽前后传感器输出波形进行了测定。具体方案为：采用同种尺寸的PZT-5H压电陶瓷制备的传感器为例，一个无屏蔽线，一个外接屏蔽线，将其放置在振动台上对其进行振动，振动频率160Hz。图2.3所示为屏蔽前传感器输出时域波形和频域波形，图2.4为屏蔽后传感器输出时域波形和频域波形。对比屏蔽前后传感器输出时域波形可以看出，屏蔽前埋入式压电加速度传感器输出波形呈现规则的正弦波动同时，还存在一个频率较低的正弦波动，其峰值最大差值0.673m/s2，严重影响了测试准确性，采取屏蔽手段后，同一振动下埋入式加速度传感器输出峰值相差0.052m/s2。从频谱图中可以看出，一共存在两个尖锐的峰值，分别为50Hz和160Hz。屏蔽后的传感器输出时域波形平滑，其频谱图中只有一个明显的160Hz峰值，50Hz干扰几乎不存在。说明屏蔽线和铜网屏蔽层引入后使得埋入式加速度传感器50Hz工频干扰受到了很好抑制，屏蔽线将埋入式传感器干扰信号通过埋入混凝土的方式实现了接地处理，传感器的信噪比得到了大幅度提高，屏蔽后干扰信号相对幅值要比屏蔽前幅值降低约92.27%，传感器性能得到很好的改善。从而确保了传感器在土木工程结构中振动检测的准确性。图2.3屏蔽前传感器输出时域和频域波形
【参考文献】：
期刊论文
[1]GFRP筋混凝土梁受弯性能试验[J]. 王洋,董恒磊,王震宇. 哈尔滨工业大学学报. 2018(12)
[2]FRP筋混凝土结构抗震性能的研究现状综述[J]. 李加乐,肖同亮,宗兰,吴江. 江苏建材. 2017(03)
[3]高温(火灾)下FRP筋混凝土构件力学性能研究进展[J]. 都凡,欧阳利军,陆洲导,陈有亮,镇斌. 玻璃钢/复合材料. 2016(07)
[4]压电加速度计本底噪声研究[J]. 陈毅强,王玉田,李泓锦,唐旭晖,严冰. 仪器仪表学报. 2015(04)
[5]基于压电加速度传感器的天车监测系统设计[J]. 陈至坤,逄鹏,王福斌,王一. 传感器与微系统. 2014(11)
[6]基于振动的结构损伤识别方法研究[J]. 邹志强,吴斌. 舰船电子工程. 2014(04)
[7]一种新型压电加速度传感器研究[J]. 于润祥,石庚辰,隋丽,王亚军. 北京理工大学学报. 2014(03)
[8]采用PZT压电加速传感器研制振动报警器[J]. 于凤. 黑龙江科技信息. 2013(18)
[9]耐高温环氧树脂研究进展[J]. 刘晓蓓,王晓洁,惠雪梅. 玻璃钢/复合材料. 2013(03)
[10]基于压电式加速度传感器的船用振动测量仪设计[J]. 孙倩,尹菲,尚晶. 传感器与微系统. 2013(05)
博士论文
[1]FRP筋增强混凝土结构耐久性能及其设计方法研究[D]. 董志强.东南大学 2018
[2]BFRP筋钢纤维复合增强高强混凝土梁受弯性能研究[D]. 程晟钊.郑州大学 2018
[3]结构新型热固性FRP复合筋及其性能[D]. 张志春.哈尔滨工业大学 2008
[4]混凝土强度无损检测试验及人工智能系统模型研究[D]. 王立军.天津大学 2008
[5]FRP筋力学性能及其混凝土梁受弯性能研究[D]. 徐新生.天津大学 2007
[6]形状记忆合金及其智能混凝土结构研究[D]. 崔迪.大连理工大学 2007
[7]基于数据融合的结构损伤识别[D]. 焦莉.大连理工大学 2006
[8]非对称建筑结构的磁流变阻尼器半主动控制[D]. 李秀领.大连理工大学 2006
[9]基于小波分析的结构损伤识别方法研究[D]. 郭健.浙江大学 2004
硕士论文
[1]不同类型FRP筋混凝土框架结构抗震性能对比分析[D]. 潘美霞.济南大学 2018
[2]GFRP筋ECC混凝土梁抗弯性能试验研究[D]. 向亚男.武汉科技大学 2018
[3]FRP筋增强高性能海砂海水混凝土梁抗弯性能试验研究[D]. 张法基.广东工业大学 2018
[4]GFRP混合配箍混凝土梁受剪性能研究[D]. 李亚.安徽工业大学 2018
[5]玄武岩纤维筋与混凝土粘结性能研究[D]. 周柯弟.西南科技大学 2018
[6]FRP筋混凝土框架结构振动台试验设计及抗震性能分析[D]. 李金玉.济南大学 2017
[7]基于Pushover分析的FRP筋混凝土框架结构性能化抗震设计方法研究[D]. 赵戈.济南大学 2016
[8]BFRP筋海砂混凝土梁受弯性能试验研究[D]. 卢俊坤.广东工业大学 2014
[9]压电超声传感器的制备及其在混凝土结构健康监测中的应用[D]. 谢新春.济南大学 2014
[10]FRP筋混凝土框架结构抗震性能有限元分析[D]. 张洪达.济南大学 2014
本文编号：2942802
本文链接：https://www.wllwen.com/jianzhugongchenglunwen/2942802.html
