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压电陶瓷的云纹干涉实验技术与图像处理方法的研究

仇巍  
【摘要】:云纹干涉法是一种高灵敏度、高对比度、非接触、实时观测、全场分析的光测力学实验技术;压电陶瓷智能结构以其力电耦合性强、线性控制、高灵敏低迟滞等优点在军工、民用、科研领域都得以广泛应用。压电陶瓷结构在实际应用中存在许多力学问题,亟需采用高灵敏度、非接触而且全场分析的方法进行实验研究。本文在自行开发云纹干涉图像处理软件,提出、建立RIPI区域去包裹法和硅橡胶试件栅——绝缘隔层一体化实验技术的基础上,对压电陶瓷结构的实验研究。 本文针对低质量实验图像的处理,对云纹干涉图像处理各步骤中的常用方法进行了对比、讨论和整合,并自行编制了一套集图像的读取存储、条纹处理、相位提取、变形计算各项功能于一身,能够独立完成实验结果分析整个流程的云纹干涉图像处理软件。 本文针对云纹干涉图像去包裹处理中容易产生“拉线”或有效数据丢失的问题,提出了一种新的去包裹方法RIPI。本文给出了RIPI的三步实用算法,引入了数据结构中树的先根遍历原理,提出了区域积分的思想,并将RIPI应用于云纹干涉实验图像处理。应用结果及其与其他方法的比较表明:着眼于整体又尊重局部的RIPI对云纹干涉实验图像特别是质量差的图像处理效果比较理想。 本文针对压电陶瓷实验的高电压绝缘问题,提出并建立了硅橡胶试件栅——绝缘隔层一体化的实验技术。本文通过将该技术应用于对压电陶瓷结构的云纹干涉实验研究,证实了一体化实验技术的可行性、有效性和可靠性;再配合自行编制的图像处理软件,能够完成对压电陶瓷结构进行精密、全场的实验分析,能够为解决压电陶瓷结构应用中的力学问题提供有效的实验手段和可靠的实验依据。 本文最后针对一个工程中实际应用的多层压电陶瓷位移执行器,基于实验和数值模拟结果进行了强度和几何优化分析。分析得出:内部电极端部附近区域内的电场集中引起的强烈的应力集中和奇异性是导致压电多层结构断裂破坏的主要原因;在保证结构功能和工艺上易于实现的基础上,将内部电极端部优化角度控制在[125?, 110?]内的几何优化设计能够大幅提高多层压电结构的强度和可靠性。


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