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压电陶瓷传感器力学模型理论与试验研究

作　者: 梁丽娉
导　师: 阎石
学　校: 沈阳建筑大学
专　业: 结构工程
关键词: 压电陶瓷集总质量法传感模型力学模型简谐激励压电效应试验验证
分类号: TM282
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着我国社会经济的不断发展,各种大型复杂工程结构不断涌现,土木工程结构健康监测技术逐渐成为学术界的研究热点。近十几年来,以压电陶瓷(如锆钛酸铅,简称PZT)为代表的压电智能材料具有集传感与驱动一体化的优越特性,利用PZT传感功能制作的传感器在结构检测和健康监测等方面有广泛的应用。这种传感器还具有响应速度快、线性关系好、能耗低、造价低廉且易加工成型等优点。但在实际应用中,特别是混凝土结构监测应用中,由于PZT传感器的边界条件和应力状况比较复杂,很难进行精确的理论分析。目前,通常认为PZT传感器所受的压力与输出电压是成比例关系的,并没有考虑胶层等因素的影响,与实际情况有一定差距。基于上述背景,本论文的目的是建立一种PZT传感器的力学模型,并进行参数分析和试验验证。分别以单片PZT晶体、粘贴式与埋入式传感器为主要研究对象,利用压电方程与振动方程,建立PZT传感器的力学模型。通过选择恰当的激励荷载对其进行激励,对监测信号进行分析以实现对激励信号、胶层厚度、PZT面积、混凝土边界条件等问题的影响进行了探讨。本论文在以下几个方面进行了理论分析和试验研究:首先,以压电本构方程为出发点,采用集总质量法建立PZT晶体简化传感模型,推导出PZT传感器正压电效应的解析表达式,并进行了压电陶瓷片刚度的求解。其次,以建立的PZT传感器正压电效应的电荷表达式为基础,通过考虑粘贴胶层的阻尼作用,同时把电缆及检测设备耗散的能量等效转换成系统的阻尼,分别对粘贴式和埋入式PZT传感器进行力学模型简化并建立考虑多参数影响的电荷表达式。然后,在简谐荷载激励下对建立的PZT传感模型进行数值模拟分析,进一步明确了各参数的影响规律。最后,在激振器作用下对不同胶层厚度的粘贴式和埋入式的PZT进行激励试验,通过示波器选取波段分析。通过与理论推导的传感模型对比,验证了运用所建立的传感模型能够有效地模拟检测PZT的传播和接收的规律。本文所提出的PZT传感器力学模型为开展混凝土结构检验和健康监测奠定了基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-17
  1.1 选题背景与研究意义  9-11
    1.1.1 研究背景与研究意义  9-10
    1.1.2 研究现状  10-11
  1.2 智能材料与结构  11-14
    1.2.1 智能材料  11-12
    1.2.2 智能结构  12-14
  1.3 压电材料  14-15
  1.4 本文主要研究内容  15-17
第二章压电陶瓷基本性能  17-33
  2.1 压电效应基本原理  17-22
    2.1.1 压电方程  18-20
    2.1.2 压电参数  20-22
  2.2 传感原理  22-27
    2.2.1 传感器的特性  22-23
    2.2.2 压电陶瓷传感器的等效电路  23-27
    2.2.3 影响压电式传感器精度的因素  27
  2.3 智能骨料的制作  27-32
    2.3.1 压电陶瓷片的选取  28-29
    2.3.2 智能骨料制作流程  29-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章压电传感器的力学模型  33-52
  3.1 模型简化时的基本假设  33-34
  3.2 粘贴式压电陶瓷力学模型[41]  34-42
    3.2.1 等效刚度  36-37
    3.2.2 不考虑粘结胶层与自身阻尼时的PZT 力学模型  37
    3.2.3 考虑粘结胶层影响时的PZT 力学模型  37-39
    3.2.4 考虑电信号输出影响时PZT 力学模型  39-42
  3.3 埋入式压电陶瓷力学模型  42-45
  3.4 算例  45-50
    3.4.1 粘贴式压电陶瓷算例  45-49
    3.4.2 埋入式压电陶瓷算例  49-50
  3.5 本章小结  50-52
第四章压电传感器的试验研究  52-67
  4.1 试验设备介绍  52-55
    4.1.1 压电陶瓷驱动电源  52-53
    4.1.2 MTp200/10*10/16 压电陶瓷驱动器  53-55
  4.2 试验装置及步骤  55-57
  4.3 粘贴式压电陶瓷力学模型验证试验  57-62
    4.3.1 驱动频率的影响  57-58
    4.3.2 驱动力幅值的影响  58-60
    4.3.3 PZT 面积的影响  60
    4.3.4 粘贴胶层的影响  60-62
  4.4 埋入式压电陶瓷力学模型验证试验  62-66
    4.4.1 驱动频率的影响  62-63
    4.4.2 驱动力幅值的影响  63-65
    4.4.3 PZT 面积的影响  65-66
  4.5 本章小结  66-67
第五章结论与展望  67-69
  5.1 结论  67
  5.2 展望  67-69
参考文献  69-72
作者简介  72
作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文  72-73
致谢  73-74

压电陶瓷传感器力学模型理论与试验研究

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