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结构监测的PVDF动态特性分析和无线传感器研究

王杨  
【摘要】: 自1880年J.居里和P.居里发现压电效应以来,压电材料的研究和发展迅速展开。近十几年来压电材料在信息激光导航、生物工程、航空航天等高科技领域应用广泛。由于聚偏二氟乙烯(PVDF)具有机械强度高、灵敏度高、易于布设、耐腐蚀、频率响应范围宽等优势,在传感器应用、结构控制和结构健康监测领域得到了广泛的关注。 本文以PVDF压电薄膜为传感元件,完成了PVDF的传感机理分析,应变传感和桥梁损伤检测的实验,对以Crossbow公司的Imote2为无线传感器网络节点,无线PVDF压电信号的采集平台进行了较为系统的研究。 首先,本文针对结构健康监测和无线传感器网络研究现状,将智能传感器与高性能的无线网络节点结合。根据压电材料的压电效应和压电方程,研究了PVDF的传感特性以及结构应变监测的机理。分析了PVDF的工作原理、粘贴工艺、等效测量电路等。通过应变传感特性的实验,系统研究了PVDF传感器的灵敏度、频响特性等。并且将PVDF应用于桥梁模型,完成了对桥梁自振频率、损伤检测等一系列实验。 其次,对智能无线传感器节点Imote2节点进行了研究,介绍了Imote2套件的硬件结构、处理器板、传感器板、电池板,并且完成了以Microsoft.Net Framework基础的Imote2运行环境设置,基于C#语言的ADC信号采集的程序设计。 最后,利用PVDF压电薄膜对高频敏感的特性,通过和台式冲击台的加速度传感器输出信号进行对比,分析了PVDF高频冲击特性,并且将PVDF压电薄膜和Imote2结合,搭建了无线冲击信号的采集平台,对无线冲击信号的采集进行了初探。通过实验结果表明PVDF具有耐冲击、响应快、灵敏度高等优良特性,证明了实验平台的可行性,体现了PVDF压电薄膜和Imote2无线传感器节点在结构健康监测上的广阔应用前景。


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