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《山东大学》 2010年
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水泥基压电传感器的制备、性能及其在土木工程领域的应用研究

徐东宇  
【摘要】: 水泥基压电复合材料是近几年发展起来的一种新型功能材料,它具有压电性能好、机电耦合性能突出、与混凝土材料力学、声学性能相匹配等特点,在土木工程结构健康监测中具有潜在的应用前景。针对土木工程结构的特点,本文分别以压电陶瓷、水泥基及水泥/聚合物基(水泥、环氧树脂及固化剂的混合物)压电复合材料作为传感元件制备压电传感器,并在以下几个方面进行了实验研究和理论分析工作: 以PZT压电陶瓷为功能组分,普通硅酸盐水泥及水泥/聚合物作为基体材料,采用切割-浇注法制备2-2型、1-3型水泥基和水泥/聚合物基压电复合材料,并对其性能进行测试与分析。研究结果表明:与压电陶瓷相比,压电复合材料的压电电压常数及厚度机电耦合系数均明显增大,且声阻抗率及机械品质因数也显著的降低,从而能够用于制备高接收灵敏度、宽频及与混凝土材料声阻抗相匹配的压电传感器。 分别以压电陶瓷及压电复合材料为传感元件,水泥/聚合物作为封装材料制备水泥基压电传感器,并对其性能进行测试及分析。研究结果表明:采用该封装材料制备出的压电传感器具有机械强度高、耐久性能好、动态输出能力强,可靠性高等优异性能。其中,以压电复合材料为元件制备的压电传感器兼有声阻抗低、宽频等特性,能够适用于水泥的水化反应进程监测及土木工程结构的动态监测;以压电陶瓷为元件制备的压电传感器则更适用于基于机电阻抗技术的土木工程结构监测,对耦合于结构的压电传感器机电阻抗变化进行分析,能够获得结构的机械阻抗变化信息,从而实现对结构的无损检测;此外,以压电陶瓷为元件制备的压电交通传感器兼有线性度高、输出响应良好、可重复性好、抗压强度高等优点,能够满足其用于道路交通状况监测的要求。 以埋入式压电陶瓷及压电复合材料传感器作为发射-接收单元,分别基于压电传感器的超声波传播法及机电阻抗技术对水泥的水化反应进程进行监测。研究结果表明:压电复合材料传感器所接收的超声波信号普遍具有首次波比大、首波明显、主频单一等特点,尤其是以水泥/聚合物为基体材料制备的压电复合材料传感器的接收性能最佳;由压电传感器的接收波波形及频谱随水泥水化反应进程的变化规律可知,水泥水化反应开始后的8 h内,接收波的波形曲线微弱、接收波的幅值较小、主频谱变化较大,在接近水泥的终凝时刻,波形及主频率均发生了明显的变化;当水化进行到约8 h之后,水化反应仍较为剧烈、接收波的首波起始点明显前移,首波幅值也显著增大,但主频谱的变化则较为稳定;当水化进行到约24 h之后,接收波参数随着水化反应的进行逐渐趋于稳定。根据压电传感器接收的超声波参数(主频率、主频幅值、波速、首波波幅等)随水泥水化反应进程的变化特点,可将水泥水化反应开始后的24 h分为三个阶段,即诱导期(约0 h-5 h)、加速期(约5 h-10 h)、衰减期(约10 h-24 h),其中在加速期阶段,超声波参数会出现明显的转变点,该点基本为水泥的终凝时间点。根据埋入水泥浆体中压电传感器的机电阻抗随水泥水化反应进程的变化特点,能够获得与超声波传播法相一致的水泥水化反应规律,从实验的角度进一步证明了基于压电传感器的机电阻抗技术监测水泥水化反应是完全可行的。 分别采用外贴式及埋入式压电传感器,基于机电阻抗技术对小型的混凝土结构进行温度、荷载及裂缝损伤研究。研究结果表明:温度变化对外贴及埋入式PZT压电传感器的机电阻抗均具有明显的影响,能够引起压电传感器的谐振频率漂移及谐振峰值的相应变化,基于压电传感器的这一特性,我们可以通过测量其机电阻抗参数的变化来实现对温度的监测;荷载作用对埋入式PZT压电传感器的机电阻抗也具有明显的影响,无论结构受到来自哪个方向的载荷作用,其机械阻抗的变化都可以通过PZT压电传感器的机电阻抗谱图反映出来,尤其是当结构由于受到强烈的载荷作用而发生损伤时,PZT压电传感器的机电阻抗会发生显著的突变;外贴式及埋入式PZT压电传感器的机电阻抗均能良好的反映出砂浆试块产生裂缝损伤的情况,尤其是对试块的初始裂缝损伤更加敏感;采用数学统计的方法对PZT压电传感器的机电阻抗谱图进行处理,建立了一种损伤量化指数,通过该指数能够更加直观、有效的获得耦合于结构的PZT压电传感器机电阻抗随各种因素的变化规律,从而间接获得结构的损伤及发展状况。 将制备的压电交通传感器埋于实际路面,建立一套包括水泥基压电智能传感器、小型电荷放大器、多通道数据采集仪和监测软件的压电传感器系统。利用该系统对行人流量、车辆速度及载重进行测试,研究结果表明:通过统计压电传感器的输出脉冲响应个数能够获知通过该传感路段的行人数量及人员密集程度,从而为相关部门提供有效的统计数据;采集车辆通过传感路段时压电传感器所产生的脉冲响应时间间隔,通过简单的数学计算能够精确的获得车辆通过该传感路段时的即时速度,从而实现超速判断,为交通部门提供可靠的数据;依据车辆通过传感路段时梁式压电传感器的输出脉冲电压峰值及或输出脉冲峰包围的面积,通过线性拟合计算能够准确的获得车辆通过该传感路段时的动态载重信息,当路面平整且车辆以匀速通过梁式压电传感器时,理论计算的车辆载重误差均小于5%,能够有效的对行驶中的车辆进行动态称重,从而实现超载预警;此外,由于水泥基压电复合材料传感器与混凝土结构之间具有良好的相容特性,因此利用水泥基传感器也可以对桥梁结构的局部振动状态进行在线监测。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP212

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【引证文献】
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8 张逍越;面向结构健康监测的Lamb波力学建模研究[D];南京航空航天大学;2012年
9 邢勤;姿控火箭发动机脉冲推力测试系统研究[D];大连理工大学;2011年
10 李华;基于压电传感与作动的锥壳振动特性及主动控制研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 何涛焘;纵波压电传感器瞬态特性的模拟与实验研究[D];湘潭大学;2010年
2 薛岩波;水泥压电传感器信号分析处理系统的研究与开发[D];济南大学;2010年
3 李少雄;一种新型聚合物石英压电传感器的设计及其力学行为研究[D];北京交通大学;2013年
4 杜军国;几种非理想状态下压电传感器的响应及应用[D];山东师范大学;2010年
5 张党英;基于压电传感器供水管道泄漏检测及信号处理技术的研究[D];燕山大学;2010年
6 李蜜蜜;水泥基压电传感器的制备及其应用研究[D];济南大学;2013年
7 孙艾薇;结构健康监测中的压电传感技术研究[D];中南大学;2010年
8 盘昱良;癌细胞及凋亡细胞传感新技术研究[D];湖南大学;2009年
9 林丽;多通道串联式压电传感器在微生物检出鉴定中的应用研究[D];湖南大学;2010年
10 冯志朝;基于压电传感器的便携式粗糙度测量仪的研制[D];哈尔滨理工大学;2014年
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