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压电材料及其嵌入混凝土后传感性能分析

钟鸣  
【摘要】:在土木工程应力监测领域,传感器作为监测系统的最前端,可以提供应力监测所需的最基本、最直接的信息,是感知、采集、转换、传输和处理各种信息必不可少的功能器件,其性能的优劣直接决定着采集数据的质量与数量。由于压电材料响应速度快、线性关系明确、价格低廉等特性,其传感性能逐渐成为了土木工程应力监测领域研究的热点。但目前大多数针对压电材料的研究仅仅限于其本身的性能,未考虑压电材料与混凝土耦合后传感性能的变化。本文通过ANSYS有限元数值模拟以及理论分析的方法,初步探究了两种类型的压电材料(压电陶瓷材料、水泥基压电材料)嵌入混凝土后的传感性能。其中压电陶瓷材料主要研究PZT-4以及PZT-5A的传感性能,水泥基压电材料主要研究0-3型水泥基压电材料(PCMO)以及1-3型正交异性水泥基压电材料(ICPCM)的传感性能,并得到以下结论:(1)对于这四种压电材料的性能而言,其固有频率远远高于土木工程结构通常承受的荷载频率,作为嵌入式传感器,则不会受共振效应的影响。且这四种压电材料力-电耦合关系稳定,因此将其用于应力监测可以保证监测结果的准确性。(2)经过理论推导得到压电材料电势值与准静态加载值以及简谐荷载加载值的简化函数关系式,并根据此函数关系式得到理论灵敏度以及理论增益值。采用数值模拟的方法,利用四种压电材料嵌入混凝土前后的模拟电势值进行了验证,证明了简化函数关系式以及理论灵敏度和理论增益值的正确性。说明此函数关系式及其理论灵敏度和理论增益值适用于混凝土内部应力与电势之间的换算。(3)对比分析了这四种压电材料嵌入素混凝土柱前后的传感性能指标,可得到压电材料的线性度误差、误差精度相对值、灵敏度、增益值以及相位角均未发生明显改变。因此,将这四种压电材料用于应力监测时,其稳定的传感性能可降低应力监测误差,且无需对其输入-输出时间差进行补偿,这些性能使得这四种压电材料适用于土木工程结构的应力监测。(4)在考虑混凝土碳化、温度以及钢管壁厚的影响因素下,四种压电材料嵌入混凝土后的灵敏度随着碳化龄期或温度的增加而降低,但基本上不随钢管厚度的改变而改变。其中,混凝土碳化深度或温度变化较大时,压电材料的灵敏度才会出现较大的波动。因此,这四种压电材料无需在短时间内对其灵敏度进行补偿或重新标定,适用于长期监测混凝土内部应力。(5)在考虑混凝土碳化或温度作用时,水泥基压电材料PCMO以及ICPCM的灵敏度下降速率均低于PZT-4以及PZT-5A。因此,水泥基压电材料的传感性能的稳定性优于压电陶瓷材料。


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