压电智能骨料传感器设计与性能研究

载荷、温度等不利的外部环境因素将影响压电智能传感器信号的接收和发射。该文设计了一种自行封装的压电智能骨料传感器（约8~15 cm3）,通过被动监测技术,对SAB、SAS两组压电智能骨料传感器进行截面抗压承载力的力学性能实验,记录被动监测信号突变点（即声发射信号）并进行分析。结果表明,0.24~0.41 MPa应力区间为压电智能骨料传感器正常工作危险区域,而0.41~0.61 MPa应力区间为正常工作的极限区域。压电智能骨料传感器实际抗压承载力的80%相当于达到了外包层C30混凝土标准抗压强度的90%,充分说明了SAS类压电智能骨料传感器具有非常好的抗压工作性能,揭示了压电智能骨料传感器在抗压等实际工程条件下的良好服役性能。     

基于压电智能骨料的套筒灌浆料早期强度监测

针对实际工程中套筒灌浆料早期强度发展的监测需求,基于压电波动法原理,提出一种利用压电智能骨料监测套筒灌浆料早期强度的方法,并进行套筒灌浆料早期强度监测试验研究。通过实验发现,在龄期前5天智能骨料监测信号幅值衰减迅速,灌浆料强度则迅速增长,随后二者随龄期的变化逐渐减缓,最终趋于稳定,说明智能骨料监测信号幅值的变化趋势能很好地反映灌浆料强度的发展趋势。将监测信号幅值和灌浆料实测强度值进行归一化处理,并分别利用一元三次多项式函数、指数函数和幂函数进行数据拟合分析,通过对比拟合优度参数得出一元三次多项式函数的拟合效果最优,最后给出基于压电智能骨料的套筒灌浆料早期强度无损监测方法的标准条件及标准方程,为实际工程应用提供参考。     

保护层材料对智能骨料性能影响的试验研究

研究了不同保护层材料(大理石、水泥砂浆、环氧树脂)在智能骨料制作过程中对电阻、电容性能的影响,以及对由不同保护层材料的智能骨料构成的智能监测系统的性能进行了对比,考察了信号幅值和线性灵敏度两个指标。结果表明,大理石保护层和环氧树脂保护层对智能骨料中压电陶瓷片(PZT)的电阻值无影响,而水泥砂浆保护层对PZT片的电阻值影响较明显,在水泥砂浆潮湿的情况下电阻值较小,干燥情况下电阻值较大;保护层材料对智能骨料的电容值影响较大,其中水泥砂浆保护层导致PZT片的电容值变化量约为18%~27%,大理石保护层导致PZT片的电容值变化量约为18%~22%,环氧树脂保护层导致PZT片的电容值变化量约为17%~20%。由大理石保护层智能骨料构成的智能监测系统其信号幅值和灵敏度最高,其次是水泥砂浆,最后是环氧树脂。根据试验结果大理石比较适合用作智能骨料的保护层材料。     

环境温度变化压电智能骨料信号稳定性试验研究

研究了压电智能骨料在环境温度变化时的信号稳定性问题,并明确其变化规律及分析原因,为基于压电智能骨料的混凝土结构健康监测奠定基础。将预先埋设压电智能骨料的小尺寸素混凝土梁置入恒温试验箱中,改变箱内温度并记录不同温度下的压电智能骨料信号能量值,利用试验数据拟合出信号能量值与温度之间的关系。试验结果表明,压电智能骨料信号幅值受温度影响变化明显且表现出明显的非线性变化规律及符合压电材料机电耦合系数随温度变化的规律,其原因是由于压电陶瓷材料本身弹性常数随温度变化,并在宏观上体现为机电耦合系数的变化。     

新型压电材料——La3Ga5SiO14单晶

介绍了一种性能优异的新型压电材料－Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４单晶的结构及其性能,叙述了Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４单晶的生长条件及其原料制备方法,同时对这种晶体在声体波及声表面波领域的良好的应用前景进行了讨论。     

智能桁架结构振动控制中压电主动构件的研究：（一）压电主动构件设计

基于压电材料的压电作动效应，设计了一种可用于智能桁架结构振动控制的直线式压电主动构件，讨论了设计理论、参数选取及其对压电主动构件性能带来的影响。     

聚丙烯压电驻极体薄膜声电传感器的性能

压电驻极体（也称为铁电驻极体）是以空间电荷驻极体为基体的一类新型压电功能材料,这种材料不仅具有与压电陶瓷相近的压电活性,同时拥有柔韧、低介电常数和低声阻抗等特点。本研究制备了基于聚丙烯（PP）压电驻极体薄膜的声电传感器,并采用电压放大电路和电荷放大电路对其在声频下的灵敏度进行了测量。结果表明,PP压电驻极体声电传感器在1 kHz下的电压灵敏度约为0.8 mV/Pa,并在300 Hz~10 kHz的声频范围内有良好的线性输出特性。     

压电生物传感器设计与实验

压电生物传感器是一种将高灵敏压电传感器与现代生物技术相结合的新型生物传感器,适用于微量物质的精密测量.该文介绍了压电生物传感器的压电质量传感基本原理、系统结构及其应用.实验结果表明,与现有检测法相比,压电生物传感器具有准确、响应快和操作简单等优点.     

雨量传感器用压电换能器设计仿真研究

为突破压电式雨量传感器在小雨滴粒径方面的检测精度,该文提出了一种新型的换能器设计结构。在传统换能器结构四周增加压电双晶片的外围结构,通过ANSYS瞬态分析法分别对中心弧形结构、外围压电双晶片、压电纤维复合材料及压电纤维复合材料双晶片等结构在不同冲击位置的电压进行仿真分析,同时对压电纤维复合材料双晶片因不同水膜厚度引起的阻抗特性进行仿真分析,最后验证了仿真结构的有效性。结果表明,该研究对于新型雨量传感器提高雨滴检测的灵敏度,实现新型雨量传感器关键技术突破起到了一定支撑作用。     

通过设计压电式传感器实现结构声有源控制

以简支板为例，利用压电式传感器测量声辐射模态。通过在板表面均匀粘贴一组相同形状的矩形高分子压电薄膜(PVDF)，然后通过设计这组PVDF输出的加权系数，得到各阶声辐射模态的伴随系数。研究表明这种传感器策略与辐射体表面上的外激励力性质(如激励力类型、频率以及位置等)无关。该文以压电陶瓷(PZT)作为作动器，通过数值计算分析了这种传感器策略的控制效果。     

压电智能复合材料层板冲击压电响应仿真分析

基于1阶剪切变形理论,采用有限单元方法,建立了压电智能复合材料层板有限元模型,采用低速冲击对其压电传感器的瞬态响应进行了仿真分析.结果表明,各压电传感器响应信号特征与各传感器的布置位置、冲击荷载位置及层板的边界条件等因素有关.综合分析各传感器响应信号并进行特征提取,可建立传感器响应与冲击位置间的非线性关系,从而实现结构加载损伤位置的自诊断.     

PVDF压电薄膜振动传感器及其信号处理系统

建立了测量振动的ＰＶＤＦ压电薄膜敏感元件的等效模型与传感方程，介绍了测量信号处理系统的结构、功能和用于机敏柔性梁上的实验结果，并给出了与加速度传感器测量结果的比较。     

应用于智能机翼的压电致动器技术研究

该文针对新型智能机翼翼型变形控制的应用需求,研究了超临界翼型在产生微变形情况下的流谱结构及在10~500μm微变形条件下翼型的气动特性变化。研制出了用于智能机翼的压电陶瓷致动器:位移量为5~290μm,最大输出力为200N,满足智能机翼变形控制需求,验证了压电陶瓷致动器在智能机翼上应用的可行性。     

结构健康监测中压电元件的温度补偿方法

在复合材料的结构健康监测中,一般采用压电元件作为激励源和接收源进行损伤监测。为了获得稳定一致的信号,必须考虑压电元件的温度效应。该文首先从理论上分析了温度对于压电元件的影响,并加以实验验证,据此提出了一种基于数字滤波器的温度补偿法。通过软件自动调节滤波器的参数,实现对波形的相位和幅度的补偿。实验验证这种温度补偿法能较好的消除压电元件温度效应。     

横向场压电液相传感器测量方法的研究

研究了横向场压电液相传感器的串联谐振频率、动态电阻、机械品质因数等特性参数的测量方法.采用自动调制电容补偿技术对静态电容进行了有效补偿,保证了串联臂特性的检测;同时结合直接数字式频率合成器(DDS)技术,实现了半功率点法对机械品质因数的测试.实验结果表明,该方法测量的动态电阻范围大(达到5 kΩ),稳定性较高.     

铋基无铅压电敏感材料的性能调控研究进展

基于无铅压电陶瓷的高性能器件的应用日益广泛。铋基材料具有一定的综合性能,尤其在高温压电领域,是一种有潜力替代锆钛酸铅(PZT)基材料的候选体系。文章综述了与如何调控无铅压电材料性能这一关键问题相关的国内外研究进展,对调节相界、掺杂、调控制备工艺和畴工程等多方面进行了阐述,并尝试分析了无铅压电体系在实用化道路上存在的亟待解决的问题。