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《沈阳建筑大学》 2011年
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压电陶瓷传感器力学模型理论与试验研究

梁丽娉  
【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。
【学位授予单位】:沈阳建筑大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM282

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【参考文献】
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