基于压电阻抗技术的压电元件自损伤检测研究

摘要

压电元件具有直接的机电转换性能，既可以用作传感元件，也可以用作驱动元件，在结构健康监测中得到了广泛的应用。然而由于载荷作用的疲劳效应、环境侵蚀等因素，结构中脆而薄的压电元件容易受到损伤，使得结构健康监测系统判断失误，造成不必要的损失。所以本文基于压电阻抗技术原理，提出了一种压电传感、驱动元件自损伤检测方法。在不添加额外检测元件的前提下，通过研究压电元件电纳值(自身等效电容值)的变化，判别压电元件是否破损及其与主体结构之间是否剥离。主要进行了以下几个方面的工作： 1.基于压电阻抗技术进行压电元件自损伤检测的理论研究，推导了压电元件完好和损伤情况下耦合电纳的公式。研究表明，相比压电元件完好的情况，各频率下压电元件电纳值随脱粘面积的增大而增大，随破裂面积的增大而减小，据此可以进行压电元件损伤辨识。 2.对悬臂梁压电智能结构中压电元件的损伤情况进行了仿真研究，完成了压电元件破裂和脱粘损伤情况下的压电阻抗谐响应分析，得出了电纳-频率曲线。通过比较电纳-频率曲线斜率值的大小，可以判定出压电元件的损伤情况，仿真结果与理论分析结果吻合。 3.搭建贴有压电元件的悬臂梁试验平台，设计了简便的测量电路，对压电元件出现不同程度破裂和脱粘损伤的情况进行实验研究，实验结果与仿真及理论分析结果吻合较好。 4.在不同环境温度下进行了大量压电元件电纳值的测量实验，提出了可行的温度补偿算法，使自损伤检测能够避免环境温度变化的影响。 5.设计了以ATmega16 单片机及AD5933 阻抗转换芯片为核心的压电元件自损伤检测系统，并进行了功能实验验证。结果表明该系统可以有效便捷的进行压电元件的自损伤检测。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：注释表

声明

第一章绪论

第二章压电阻抗技术的基本原理

第三章压电元件自损伤检测的仿真研究

第四章压电片自损伤检测的实验研究

第五章温度对压电片自检的影响及补偿方法

第六章压电元件自损伤检测系统

第七章总结与研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文