结构健康监测中的压电传感技术研究

发布时间：2016-11-22 14:10

  本文关键词：桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展，，由笔耕文化传播整理发布。

《中南大学》 2010年

结构健康监测中的压电传感技术研究

孙艾薇  

【摘要】： 近年来,随着现代科技的迅速发展以及人们安全意识的逐渐提高,工程结构的健康监测和损伤识别问题逐渐被人们所重视,实时、在线的结构健康状况诊断方法研究已成为了当前土木工程学科十分活跃的领域。结构健康监测技术是一门建立在多学科基础上的综合性新技术。智能材料的发展为结构健康监测提供了一些新的途径,而压电材料正是目前智能结构系统研究中应用最多的一种传感和驱动材料,其因具有响应快,频响范围宽,易剪裁,价格低廉等特点而在工程结构健康监测方面存在着巨大的应用潜力。本文在国家自然科学基金(No.50778179)的支持下进行了结构健康监测中压电传感技术的研究。论文所开展的主要研究工作和取得的主要成果如下： 首先,基于压电传感机理,推导了采用压电陶瓷传感器进行应变传感的计算公式,给出了传感器灵敏度表达式；同时从信号提取角度分析比较了电压放大器和电荷放大器的差异,论证了电荷放大器能够克服引线电缆影响的优越性。 接着,针对厚剪模式的压电传感器,推导了基体结构应变与压电传感器应变的传递关系,MATLAB数值结果表明：为了提高变形传递能力,获得较好的输出电信号,应尽量选择厚度较薄的压电陶瓷片,且质地较软的压电片具有更好的灵敏度；另外,对于有损材料,其压电传感器的输出响应随损伤因子变化明显,损伤程度越高,压电传感器的灵敏度越低。 最后,根据PZT的机电耦合特性,详细推导了压电元件的电阻抗与结构机械阻抗之间的关系,为集压电传感／驱动一体化的结构健康监测提供了理论根据,即如果结构中存在缺陷或损伤,其机械阻抗将发生变化,则粘贴在结构表面PZT电导纳的变化可以直观反映出结构机械阻抗的变化。分别对单个压电片和粘有压电片的结构进行ANSYS建模,分析其模态频率及振型；介绍了压电阻抗的数值分析方法,进行了交变电压激励下的压电谐响应分析,并对压电导纳谱进行了分析。研究表明,在高频范围内,基于压电阻抗的数值分析方法能够判断结构的微小损伤,从而为结构健康监测提供有力的依据。

【关键词】：
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP212
【目录】：

摘要3-4

ABSTRACT4-8

第一章 绪论8-17

1.1 课题研究背景及意义8-11

1.2 国内外研究现状11-15

1.2.1 基于压电陶瓷传感器的被动监测11-12

1.2.2 基于压电陶瓷传感器的主动监测12-15

1.3 本文研究内容15-16

1.4 课题来源16-17

第二章 压电传感器用于结构健康监测的基本理论17-28

2.1 智能材料结构17-19

2.2 压电效应及压电材料19-24

2.2.1 压电效应19-20

2.2.2 压电效应的晶体物理学基础20-21

2.2.3 压电材料21

2.2.4 压电材料的分类及重要参数21-24

2.3 压电方程24-26

2.3.1 四类边界条件24-25

2.3.2 四类压电方程25-26

2.4 PZT压电陶瓷传感器用于结构健康监测的实现26-28

第三章 压电传感器机理及其传感信号的提取28-40

3.1 引言28

3.2 一维压电方程的简化28-30

3.3 压电传感计算式的建立30-31

3.3.1 结构模型30-31

3.3.2 压电传感器输出电压表达式31

3.4 压电传感器的信号拾取31-39

3.4.1 压电元件的两种等效电路31-32

3.4.2 压电元件与测量仪器连接的等效电路32-34

3.4.3 电压放大电路34-37

3.4.4 电荷放大电路37-39

3.5 小结39-40

第四章 厚剪模式下压电传感理论及数值分析40-62

4.1 引言40

4.2 无损材料理想粘贴模型40-48

4.2.1 理论分析40-45

4.2.2 数值算例45-48

4.3 无损材料考虑粘贴层模型48-58

4.3.1 理论分析49-55

4.3.2 数值算例55-58

4.4 有损材料考虑粘贴层模型58-61

4.5 小结61-62

第五章 基于压电阻抗的驱动/传感一体化理论及数值分析62-76

5.1 引言62

5.2 基体结构的机械阻抗62-64

5.3 耦合压电阻抗分析64-67

5.4 ANSYS数值分析67-75

5.4.1 关于ANSYS中的耦合问题68

5.4.2 压电耦合单元的选择68-69

5.4.3 模态分析69-74

5.4.4 电压激励下压电阻抗谐响应分析74-75

5.5 小结75-76

第六章 总结与展望76-78

6.1 结论76-77

6.2 展望77-78

参考文献78-85

攻读硕士学位期间发表的论文及主要的科研情况85-86

致谢86

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本文编号：185889