结构健康监测中的压电传感技术研究

论文摘要

近年来,随着现代科技的迅速发展以及人们安全意识的逐渐提高,工程结构的健康监测和损伤识别问题逐渐被人们所重视,实时、在线的结构健康状况诊断方法研究已成为了当前土木工程学科十分活跃的领域。结构健康监测技术是一门建立在多学科基础上的综合性新技术。智能材料的发展为结构健康监测提供了一些新的途径,而压电材料正是目前智能结构系统研究中应用最多的一种传感和驱动材料,其因具有响应快,频响范围宽,易剪裁,价格低廉等特点而在工程结构健康监测方面存在着巨大的应用潜力。本文在国家自然科学基金(No.50778179)的支持下进行了结构健康监测中压电传感技术的研究。论文所开展的主要研究工作和取得的主要成果如下：首先,基于压电传感机理,推导了采用压电陶瓷传感器进行应变传感的计算公式,给出了传感器灵敏度表达式；同时从信号提取角度分析比较了电压放大器和电荷放大器的差异,论证了电荷放大器能够克服引线电缆影响的优越性。接着,针对厚剪模式的压电传感器,推导了基体结构应变与压电传感器应变的传递关系,MATLAB数值结果表明：为了提高变形传递能力,获得较好的输出电信号,应尽量选择厚度较薄的压电陶瓷片,且质地较软的压电片具有更好的灵敏度；另外,对于有损材料,其压电传感器的输出响应随损伤因子变化明显,损伤程度越高,压电传感器的灵敏度越低。最后,根据PZT的机电耦合特性,详细推导了压电元件的电阻抗与结构机械阻抗之间的关系,为集压电传感／驱动一体化的结构健康监测提供了理论根据,即如果结构中存在缺陷或损伤,其机械阻抗将发生变化,则粘贴在结构表面PZT电导纳的变化可以直观反映出结构机械阻抗的变化。分别对单个压电片和粘有压电片的结构进行ANSYS建模,分析其模态频率及振型；介绍了压电阻抗的数值分析方法,进行了交变电压激励下的压电谐响应分析,并对压电导纳谱进行了分析。研究表明,在高频范围内,基于压电阻抗的数值分析方法能够判断结构的微小损伤,从而为结构健康监测提供有力的依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基于压电陶瓷传感器的被动监测
• 1.2.2 基于压电陶瓷传感器的主动监测
• 1.3 本文研究内容
• 1.4 课题来源
• 第二章 压电传感器用于结构健康监测的基本理论
• 2.1 智能材料结构
• 2.2 压电效应及压电材料
• 2.2.1 压电效应
• 2.2.2 压电效应的晶体物理学基础
• 2.2.3 压电材料
• 2.2.4 压电材料的分类及重要参数
• 2.3 压电方程
• 2.3.1 四类边界条件
• 2.3.2 四类压电方程
• 2.4 PZT压电陶瓷传感器用于结构健康监测的实现
• 第三章 压电传感器机理及其传感信号的提取
• 3.1 引言
• 3.2 一维压电方程的简化
• 3.3 压电传感计算式的建立
• 3.3.1 结构模型
• 3.3.2 压电传感器输出电压表达式
• 3.4 压电传感器的信号拾取
• 3.4.1 压电元件的两种等效电路
• 3.4.2 压电元件与测量仪器连接的等效电路
• 3.4.3 电压放大电路
• 3.4.4 电荷放大电路
• 3.5 小结
• 第四章 厚剪模式下压电传感理论及数值分析
• 4.1 引言
• 4.2 无损材料理想粘贴模型
• 4.2.1 理论分析
• 4.2.2 数值算例
• 4.3 无损材料考虑粘贴层模型
• 4.3.1 理论分析
• 4.3.2 数值算例
• 4.4 有损材料考虑粘贴层模型
• 4.5 小结
• 第五章 基于压电阻抗的驱动/传感一体化理论及数值分析
• 5.1 引言
• 5.2 基体结构的机械阻抗
• 5.3 耦合压电阻抗分析
• 5.4 ANSYS数值分析
• 5.4.1 关于ANSYS中的耦合问题
• 5.4.2 压电耦合单元的选择
• 5.4.3 模态分析
• 5.4.4 电压激励下压电阻抗谐响应分析
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及主要的科研情况
• 致谢