基于压电陶瓷传感器的大体积混凝土温控计算与监测研究

建立大体积混凝土有限元仿真模型,对某桥主墩承台大体积混凝土温控设计方案进行计算,并采用嵌入式压电陶瓷传感器对大体积混凝土温度和应力进行监测。仿真计算结果和监测结果表明,承台温度、应力均满足规范要求,仿真计算所得承台温度与压电陶瓷监测温度十分接近,二者内部最高温度的最大差值仅0.48℃,最大内表温差的最大差值仅0.58℃,基于压电陶瓷等效电路参数特性的监测方法可用于大体积混凝土温度和应力监测。

基于压电陶瓷传感器的钢筋混凝土框架结构裂缝损伤全过程监测

基于压电陶瓷传感器开展了动力荷载作用下的钢筋混凝土框架模型结构裂缝损伤全过程监测试验。在1个2层2榀钢筋混凝土框架结构中埋入压电陶瓷传感器,对模型结构先后施加拟动力荷载和拟静力荷载的作用,监测结构在荷载作用下的损伤发展全过程,并采用移动平均法对监测数据进行平滑处理。结果表明:所采用的监测方法能够有效监测结构健康状态的发展趋势,但受环境等因素的影响,监测数据存在波动性,给损伤识别带来一定困难;采用移动平均法进行数据处理可使损伤识别结果更加准确;基于压电陶瓷传感器的混凝土裂缝损伤监测方法可用于结构的长期监测,有效的数据平滑滤噪措施对于损伤的正确识别具有重要意义。

压电陶瓷传感器的灵敏度温漂误差补偿研究

针对微测系统中压电陶瓷传感器的灵敏度温漂会使其在变化的温度环境中工作时性能不稳定,进而影响检测精度问题,提出了一种基于改进Elman神经网络的压电陶瓷传感器灵敏度温漂误差补偿控制方法。分析了压电陶瓷传感器产生灵敏度温漂现象的原因。以压电陶瓷切削力测量传感器为对象,在不同温度下对传感器的灵敏度进行了标定试验研究。研究结果表明,压电陶瓷传感器在同一温度下工作时具有良好的线性度,在温度变化的环境中工作会伴有灵敏度温漂现象。为了有效补偿灵敏度温漂附加误差,提高检测精度,建立了基于改进Elman神经网络的灵敏度温漂补偿模型,并对模型涉及的学习算法、激励函数、输入输出层节点以及承接层和隐含层节点数等相关内容进行了研究。对比试验验证结果表明,所建立的灵敏度温漂补偿模型对压电陶瓷传感器的灵敏度温漂误差补偿控制效果明显,未经灵敏度温漂补偿,直接按照常温下灵敏度标定结果预测的压电陶瓷传感器加载力和实际加载力之间误差较大,最大误差达到29.16 N,利用本文建立的基于改进Elman神经网路灵敏度温漂补偿模型补偿后,补偿模型的预测力和压电陶瓷传感器的实际加载力最大误差仅0.72 N,有效保证了检测精度。

压电陶瓷传感器二维微量进给机构的试验研究

通过试验对压电陶瓷传感器 (PZT)驱动的二维微量进给机构进行了研究 ,并给出了压电陶瓷传感器驱动电源及微量进给机构的设计方案和性能。切削实验表明 ,采用二维微量进给机构能有效提高加工精度。

压电陶瓷传感器稳定性的仿真分析

针对传感器测量高温体振动信号的稳定性问题,提出了将温度与结构特性相结合的仿真方法,讨论了温度场对压电陶瓷传感器稳定性产生的影响。根据压电陶瓷的正逆压电效应,采用ANSYS软件进行有限元仿真,得出了传感器稳定工作的频率范围和固有频率随温度变化的规律,并获得了固有频率和机电能量转换特性相对稳定的温度范围,由此为理论和试验分析提供了依据。分析实例体现了所采用的数值仿真方法在压电陶瓷传感器稳定性分析中的有效性和实用性。

基于压电陶瓷传感器的水塔定向爆破监测试验研究

为了顺利完成水塔的定向拆除爆破,将压电陶瓷传感器应用于水塔的拆除爆破中,通过MATLAB小波包能量分析法对传感器监测信号进行能量指数计算。结果表明:试爆对水塔结构造成损伤,与导向窗径向对称的塔壁腹部的平均能量指数是其背部能量指数的60.37%,腹部产生的损伤小于背部的损伤;通过频谱分析发现水塔倒塌过程中各测点信号主频率集中在4~11 Hz,信号功率主要在0~20 Hz的频段内,与一般建筑物自振频率接近。埋入式压电陶瓷监测系统能对建(构)筑物倒塌过程中各阶段、各部位破坏和损伤程度进行监测和记录,是对拆除爆破建(构)筑物过程分析的一种有效的技术方法。

基于无线技术的压电陶瓷传感器状态监测研究

压电陶瓷传感器被广泛应用于结构振动控制中,其状态的正常与否直接影响着系统的稳定性。为克服传统用有线来监测传感器状态中存在的可靠性差、传输距离短的缺点和神经网络识别技术存在的实时性问题,提出以LabVIEW为平台,集合nRF905无线模块、51系列单片机、串口通信技术来设计一种新型的压电陶瓷传感器状态监测方法,实验证明该方法能有效地实现远程监控,并具有良好的实时性。

压电陶瓷传感器的埋地长输管道动力响应监测

为监测埋地长输管道在冲击荷载作用下的动力响应,制作土箱-管道缩尺模型,将标定好的压电陶瓷传感器粘贴在管道上进行冲击试验。根据压电陶瓷传感器输出的加速度值,得到埋地管道在冲击荷载作用下的动力响应规律,并分析管道壁厚、管径、埋深、冲击高度等参数对管道动力响应的影响。利用有限元分析软件ABAQUS对该过程进行非线性有限元模拟,将有限元分析结果与试验结果进行对比,二者吻合程度较好。结果表明:在冲击荷载作用下,冲击高度增加,管道振动加速度峰值增大;相同工况下,大管径和薄壁管道振动加速度峰值较大,管道覆土越深,管道振动加速度峰值越小;压电陶瓷能够有效监测埋地管道的动力响应,为管道工程抗震设计和安全性评估提供参考依据。

压电陶瓷传感器在岩土工程中的应用

压电陶瓷传感器在岩土工程中有很多应用,尤其是通过测量波速来确定土的性质方面。由于材料的物理性质与波速密切相关,压电陶瓷传感器提供了一种简便可靠的无损检测方法。本文报道了压电陶瓷传感器应用于粘土、砂和砾石等不同种类土的研究成果,对应力导致土体各向异性的研究,对路基和地基土的力学特性检测,在离心模型试验中的应用,以及在微重力环境下的粒状材料中波的传播特性的研究等。研究表明,压电陶瓷传感器在岩土力学研究和工程实践中有广阔的应用前景。

基于压电陶瓷传感器的管道裂纹敲击定位法

如何科学确定裂纹所在位置和裂纹大小一直是油气管道检测面临的难题。为便于检测管道上的裂纹位置,提出了一种基于压电陶瓷传感器(PZT)信号识别的裂纹检测新方法--敲击定位法。该方法简单易行,通过获取管道上4个不同位置的信号值,可以方便地确定裂纹位置和周向裂纹长度范围。为验证该方法的可行性,在理论分析的基础上,选取1根长2.1 m的钢制管道进行试验,通过粘贴在管道上的压电陶瓷传感器拾取敲击信号,获得应力波的传播特征。应力波在健康管道上传播时会不断衰减,但经过管道上的裂缝时衰减程度显著增大,因而可藉此识别裂纹所在位置。研究结果表明,管道上裂纹周向位置已知和周向位置未知两种情况下,裂纹与PZT传感器之间的计算距离与实测距离误差较小,因此该方法能有效识别裂纹位置。研究结果为油气管道裂纹的无损检测提供了新方法。

基于压电陶瓷传感器的GFRP损伤检测试验

该文使用外贴法将压电陶瓷传感器固定在玻璃纤维复合材料(GFRP)上进行损伤检测试验,研究了GFRP试件表面裂缝的深度及数量对压电陶瓷传感器接收信号的影响。将主动感应法和基于小波包能量法相结合,做出时域信号图和基于小波包的能量图。分析数据发现,GFRP试件损伤程度越大,传感器接收信号的电压值越小,信号的能量越小。试验结果表明,压电陶瓷传感器有望通过主动感应法用于检测GFRP的损伤变化。

PZT压电陶瓷传感器的研制与应用

利用物质的压电效应，在实验室开发了PZT压电陶瓷传感器。该传感器制作简单、成本低廉。在激波管上标定后，将其埋入混凝土台阶模型中，成功捕捉到了爆破时介质中的应力波波形。

基于压电陶瓷传感器的非接触式精准逐拍心率提取方法研究

心冲击图(BCG)可用于无接触式地监测生命体征。在BCG的逐拍心率提取中,较低的平均绝对误差对于精确地获取用户的心率变异性(HRV)指标具有重要意义。为解决目前大多数方法在逐拍心率计算精度方面的不足,该文设计了一种基于压电陶瓷的心冲击信号采集系统。通过采用合适的传感器外壳结构和采样频率,增加传感器的灵敏度和BCG的时间分辨率;通过对比不同的BCG处理方法并找到BCG中最适合提取精准逐拍心动周期的成分;同时该文提出一种采用AP聚类的自适应模板匹配算法,以准确提取心动周期信息。对15名受试者共5741次心跳数据进行分析,结果显示逐拍心动周期的平均误差为0.48%,平均绝对误差为3.78 ms,心跳覆盖率在97%以上,优于其他同类工作。

基于压电陶瓷传感器的先导式溢流阀性能研究

介绍了一种运用压电陶瓷传感器和二位三通电磁换向阀为先导机构的先导式溢流阀结构及工作原理,利用AMESim仿真软件搭建了该先导式溢流阀的模型,并与传统的先导式溢流阀进行比较,得到阀的压力响应特性曲线和启闭特性曲线。仿真结果表明:基于压电陶瓷传感器的先导式溢流阀动态响应比传统的先导式溢流阀快0.045 s,启闭特性优于传统先导式溢流阀,超调率优于传统先导式溢流阀。

压电陶瓷振动传感器的迟滞非线性误差补偿研究

针对振动测试中压电陶瓷传感器的迟滞非线性会影响检测精度的问题,分析了压电陶瓷的微观极化机理,解释了压电陶瓷传感器产生迟滞非线性的原因。为了有效补偿压电陶瓷的迟滞非线性,提高检测精度,提出了一种可以反映压电陶瓷传感器非对称迟滞特性的改进Bouc-Wen模型,研究并给出了模型参数对迟滞曲线的大小、形状及平稳性影响关系和逆模型的求取方法。利用改进Bouc-Wen逆模型作为补偿器来补偿压电陶瓷传感器的迟滞非线性,实验验证结果表明:采用逆补偿后,校正位移总是能够很好跟踪传感器的实际输入位移,有效保证了检测精度。

管状压电陶瓷传感器工作机理及在非对称十字形配钢SRC矩形截面柱损伤监测中的应用

为解决传统片状压电陶瓷传感器安装困难和仅能监测试件一维损伤、易受应力波发射角度和接收角度影响的问题,突破球状压电陶瓷传感器不易封装和安装的局限,研发了管状压电陶瓷传感器,实现传感器快速安装和试件损伤二维监测。建立管状压电陶瓷传感器的力学模型,揭示其沿径向发射和接收应力波的工作机理,并应用于非对称十字形配钢型钢混凝土(steel reinforced concrete, SRC)矩形截面柱的损伤监测。提出小波包能量谱均方根损伤指标,对柱两个平面方向的损伤进行诊断和评估。研究结果表明:管状压电陶瓷传感器安装方便,对捕捉低周往复荷载下混凝土损伤具有较高的灵敏度;基于管状压电陶瓷传感技术的结构内部损伤监测和评估方法能较精确地实现试件损伤量化分析;非对称十字形配钢型钢混凝土矩形截面柱的型钢内缩侧混凝土损伤大于另一侧,在相同含钢率下增大轴压比使柱承载力提高,延性降低,耗能能力减弱,混凝土损伤加剧。

高应变载荷下压电传感器性能研究

压电传感器具有优良性能,可以同时应用于主、被动式结构健康监测技术中,但由于高应变载荷下压电传感器的性能会受到影响,限制了在实际工程中的应用。该文针对高应变载荷下传感器性能进行研究,提出通过增加胶层厚度和减小弹性模量,增强压电传感器的高应变承受能力。定义了阻抗信号变化指数和阻抗信号突变载荷,对压电传感器性能进行表征。实验结果表明,胶层厚度增加,弹性模量减小,会使阻抗信号突变载荷增大,压电传感器高应变承受能力提高。

基于压电陶瓷的混凝土裂缝损伤监测

压电陶瓷的正逆压电效应决定其既可作传感器又可作驱动器。将压电陶瓷埋于混凝土中并对其施加激励,可在混凝土中产生应力波。根据该波动法原理,应用自行研制封装的压电陶瓷传感器对混凝土中裂缝损伤的产生过程进行监测。采用基于小波包分析法定义的损伤指标对不同工况下的损伤进行计算,结果表明,损伤指标的变化趋势与相应的应变片监测信号和荷载位移曲线的发展趋势吻合良好,实现了对混凝土中微小裂缝损伤的监测和识别。