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压电陶瓷传感器车辆动态称重系统的研制及应用

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 车辆测重概述

1.2.1 车辆测重的分类

1.2.2 车辆动态称重系统

1.3 压电传感器的基本特性

1.3.1 压电材料的主要特性参数

1.3.2 压电传感器动态称重工作原理

1.3.3 压电材料

1.4 车辆动态称重系统的有关规范

1.5 车辆动态称重系统的国内外研究现状

1.5.1 国外车辆动态称重系统的研究现状

1.5.2 国内动态称重系统的发展

1.6 车辆动态称重系统存在的问题与发展趋势

1.7 本论文研究的研究目的及主要内容

第二章 压电陶瓷厚膜的合成制备及表征方法

2.1 实验药品与仪器

2.2 压电陶瓷厚膜的制备方法

2.2.1 流延成型工艺概述

2.2.2 压电陶瓷厚膜的制备工艺过程

2.2.3 流延工艺制备压电陶瓷厚膜

2.2.4 陶瓷厚膜的热处理

2.2.5 披覆银电极

2.2.6 电极化处理

2.3 测试与表征方法

2.3.1 X射线衍射分析

2.3.2 热重分析

2.3.3 显微形貌分析

2.3.4 介电性能测试

2.3.5 压电性能测试方法

2.3.6 机电耦合系数测试

2.4 本章小结

第三章 热处理工艺和助烧结对钛酸钡厚膜的性能影响结果

3.1 热处理工艺对钛酸钡厚膜结构与性能的影响

3.1.1 捧胶制度和热处理工艺的确定

3.1.2 钛酸钡厚膜的相对密度和径向收缩率测量与分析

3.1.3 钛酸钡陶瓷厚膜XRD物相表征与分析

3.1.4 钛酸钡陶瓷厚膜SEM微观形貌分析

3.1.5 钛酸钡陶瓷厚膜介电性能测量与分析

3.1.6 钛酸钡陶瓷厚膜压电性能测量与分析

3.2 热处理制度对钛酸钡添加CuO陶瓷厚膜结构与性能的影响

3.2.1 钛酸钡添加CuO陶瓷厚膜的相对密度和径向收缩率测量与分析

3.2.2 钛酸钡添加CuO陶瓷厚膜XRD物相表征与分析

3.2.3 钛酸钡添加CuO陶瓷厚膜SEM微观形貌分析

3.2.4 钛酸钡添加CuO厚膜介电性能测量与分析

3.2.5 钛酸钡添加CuO厚膜压电性能测量与分析

3.3 本章小结

第四章 常规法热处理PZT陶瓷厚膜的结构与性能研究结果

4.1 热处理温度对PZT陶瓷厚膜结构影响

4.1.1 PZT陶瓷厚胰相对密度和径向收缩率测量与分析

4.1.2 PZT陶瓷厚膜XRD物相表征与分析

4.1.3 PZT陶瓷厚膜SEM显微形貌分析

4.2 热处理温度对PZT陶瓷厚膜性能的影响

4.2.1 PZT陶瓷厚膜介电性能测量与分析

4.2.2 PZT陶瓷厚膜压电性能测量与分析

4.3 本章小结

第五章 混泥土基压电陶瓷传感器的制备与测试电路分析

5.1 压电陶瓷老化性能测试

5.1.1 压电陶瓷厚膜时间老化性能测试

5.1.2 压电陶瓷厚膜温度老化性能测试

5.2 压电陶瓷厚膜抗酸碱腐蚀性能测试

5.3 混泥土基压电陶瓷传感器的制备

5.3.1 环氧树脂包裹保护压电陶瓷厚膜

5.3.2 混泥土基压电陶瓷传感器的制备与力学性能

5.4 压电陶瓷传感器等效电路及其测量电路

5.4.1 压电传感器等效电路

5.4.2 压电传感器的信号测量电路

5.5 本章小结

第六章 压电陶瓷传感器动态称重系统的设计及应用

6.1 动态称重系统的设计

6.1.1 A/D模数转换采集卡

6.1.2 采集系统稳定性测试

6.2 车辆动态称重的影响因素

6.3 车辆动态称重数据的处理方法

6.4 压电陶瓷传感器静态输出特性研究

6.5 室内小车动态称重测试

6.5.1 不同载荷下动态称重测试

6.5.2 压电陶瓷传感器动态称重稳定性测试

6.6 实际路面动态称重测试

6.7 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本论文的结论

7.2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间科研成果

致谢

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摘要

本论文采用流延工艺制备BaTiO3和PZT压电陶瓷厚膜,研究热处理制度和助烧剂对其晶体结构和压电性能影响;然后以BaTiO3和PZT陶瓷厚膜为传感元件,设计制备混泥土基压电陶瓷传感器并对其测量电路进行分析;最后组建出可以进行动态称重测试实验的动态称重(WIM)系统,并对实验数据进行分析、拟合、计算。得出以压电陶瓷为传感元件的便携式WIM系统进行动态载重称量,速度对动态称重精度的影响很大。
  首先探讨热处理制度和添加助烧剂CuO对BaTiO3陶瓷厚膜的结构和压电性能影响。实验得出采用1240℃×10min+1140℃×24h两步法热处理BaTiO3陶瓷厚膜可以获得较好的压电性能,其d33=210pC/N,k33=0.4。通过添加0.2%CuO助烧剂,可以有效降低BaTiO3陶瓷的热处理温度的同时提高其压电性能,采用1140℃×10min+1040℃×24h两步法热处理钛酸钡添加0.2%CuO陶瓷厚膜,可以获得压电性能优异的陶瓷厚膜,其d33=320pC/N,k33=0.45。
  同时探讨热处理工艺对PZT陶瓷厚膜结构和压电性能的影响。实验得出采用1220℃×3h热处理PZT陶瓷厚膜就可获得较佳的压电性能,其d33=350pC/N,K33=0.45。
  然后研究BaTiO3和PZT陶瓷厚膜作为传感元件的抗老化和酸碱腐蚀能力,BaTiO3和PZT陶瓷厚膜都有较好的时间和温度稳定性以及较强的抗酸碱腐蚀能力,其中PZT陶瓷厚膜的抗老化和腐蚀能力要稍优于BaTiO3陶瓷厚膜,两者都可以作为动态称重传感元件使用。以制备的压电性能优异的BaTiO3和PZT陶瓷厚膜为传感元件,设计制备出压电陶瓷传感元件、环氧树脂层、混泥土层二层包裹保护压电陶瓷传感器,对其进行力学性能测试,混泥土经28天养护后强度达到40MPa以上,达到了公路设计用水泥强度。同时对压电陶瓷传感器测量电路进行分析,确定了以电压放大电路为其信号采集的测量电路。
  最后,以车辆、压电陶瓷传感器、信号调解电路、A/D模数信号采集卡和计算机组成便携式动态称重(WIM)系统进行动态称重实验,对数据进行采集、分析、拟合出车辆重量与脉冲信号之间的有效关系式。在静态作用下,荷载与信号电压幅值之间有很好的线性关系,线性拟合相关系数(R2)都在0.99以上,且具有很好的稳定性,压电陶瓷传感器具有优异的静态称量精度。在实际路面动态称重实验,相同载荷不同速度通过称重平台,脉冲信号积分值和幅值波动在9%~23%之间,速度对动态称重精度影响很大。对脉冲信号进行峰值(U)与速度(V)的比值处理分析,同一重量不同速度下U/V比值的相对误差仅为6.9%,可以有效消弱车辆行驶速度对测量精度的影响,提高称重系统的稳定性和精度。通过U/V的比值信号处理方法,可能能有效解决目前普遍对脉冲信号实行按速度不同分别拟合曲线的复杂处理方式,为动态称重信号处理提供了一种更简便的方法。

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