基于OPCM传感元件的标定试验与传感性能研究

【摘要】： 本文对应用于结构健康监测系统能够区分不同方向应力波的OPCM(Orthotropic Pizoelectric Composite Material)传感元件进行了研究。主要研究了自行设计制作的两种OPCM传感元件:1-1型OPCM传感元件和IDEs(InterdigitatedElectrodes)1-3型压电纤维OPCM传感元件。这两种传感元件是由压电陶瓷(PZT-51/PZT-5H)和聚合物按一定的连通方式组合而成的。压电陶瓷相作为压电活性材料提供强压电效应。聚合物选择声学阻抗低、柔性好的环氧树脂(E-44型)。由于这两种传感元件的结构具有可设计性,能够克服单一材料脆性易断和正交异性不明显的缺点,因此这两种传感元件在结构健康检测中有着广泛的应用前景。本文采用有限元软件ANSYS分析了IDEs1-3型压电纤维OPCM传感元件的IDEs的关建尺寸和压电纤维直径及间隔对传感元件传感性能的影响。并通过对1-1型OPCM传感元件进行标定和对IDEs1-3型压电纤维OPCM传感元件的传感性能测试来指导优化这两种传感元件的设计与制造。研究的主要内容如下: 1.微观上分析压电材料产生压电效应的理论基础、石英晶体的力电关系;宏观上分析压电陶瓷(PZT)具有良好的压电性能,及压电片的连接方式对电荷输出的影响,为两种传感器的制作提供了理论依据。 2.分析IDEs1-3型压电纤维OPCM传感元件的结构特点和电场特性,构建压电纤维传感元件的本构方程,并建立IDEs1-3型压电纤维OPCM传感元件的有限元模型,探索IDEs关键尺寸和压电纤维直径及间隔对传感元件传感性能的影响。 3.设计标定平台,提出完整的标定系统,并对1-1型OPCM传感元件进行标定,采用FFT的方法对采集到的断铅模拟声发射信号进行分析,分析其传感性能。 4.介绍了声发射信号的时频分析法,根据所采集的信号特点,引入FFT变换、小波包去噪、Gabor小波变换。通过对PZT压电陶瓷片、声发射传感器SR-15A、IDEs1-3型压电纤维OPCM传感元件所采集到的信号进行分析,说明了去噪的重要性,同时比较了三种传感元件传感性能的特点,发现IDEs1-3型压电纤维OPCM传感元件更适合用于结构健康检测中。