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《壓電智能材料在流速及流水壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的技術(shù)研究》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線(xiàn)閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文壓電智能材料在流速及流水壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的技術(shù)研究姓名:李海濤申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專(zhuān)業(yè):結(jié)構(gòu)工程指導(dǎo)教師:王濱生20110305
摘要同時(shí)給出了??壓力傳感器的等效電路和測(cè)量電路以及對(duì)其靈敏度進(jìn)行了分析討論。關(guān)鍵詞:智能材料;??;壓電效應(yīng);測(cè)流;流水壓力
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智能材料這一概念提出于?世紀(jì)?年代,并于?世紀(jì)?年代迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型復(fù)合材料。智能材料即指能感知環(huán)境???諢肪澈屯饣肪?刺激,對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷,并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。智能材料具有七大功能,即傳感功能、反饋功能、信息識(shí)別與積累功能、響應(yīng)功能、自診斷能力、自修復(fù)能力和自適應(yīng)能力。智能材料和結(jié)構(gòu)密
3、切相關(guān),互為一體,因此,有學(xué)者將智能材料也稱(chēng)大量的人力物力去完成測(cè)量任務(wù)。目前測(cè)量河流流量最常用的方法是流速儀法,其基本原理是在測(cè)流斷面上布設(shè)多條垂線(xiàn),在每條垂線(xiàn)處測(cè)量水深并用流速儀測(cè)量一至幾個(gè)點(diǎn)的流速,得到線(xiàn)平均流速,進(jìn)·而得到斷面面積和斷面平均流速,兩者的乘積即為流量,因此測(cè)流工作實(shí)質(zhì)上是測(cè)量橫斷面及流速兩部分工作的組合。因?yàn)橐跍y(cè)流斷面的不同位置布設(shè)垂線(xiàn),需要借助纜道或測(cè)船或測(cè)橋?qū)⒘魉賰x定位,因此工作量大、繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低。僅就速度而言,眾所周知,水流動(dòng)時(shí),會(huì)對(duì)于水接觸的固體表面產(chǎn)生的法向面力一一動(dòng)水壓力。
4、這個(gè)力是水流流速平方的函數(shù),如果能夠感應(yīng)動(dòng)水壓力的變化,并將其反饋為電信號(hào),通過(guò)計(jì)算機(jī)終端的處理,就可以實(shí)時(shí)地計(jì)算出當(dāng)前水流流速,此外要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量,還需造價(jià)低廉,這樣自然就想到了具有感知功能的智能材料。目前,智能材料主要有壓電材料、形狀記憶合金、電/磁致伸縮材料、電/磁流變材料等等,其中,壓電材料是應(yīng)用最廣泛的智能材料,被越來(lái)越多地用在航天、航空、國(guó)防、汽車(chē)、土木建筑領(lǐng)域中。壓電材料不但可以用于傳感器,還可用于致動(dòng)器中。壓電體的正壓電效應(yīng)使其作為應(yīng)變傳感器,實(shí)現(xiàn)智能材料結(jié)構(gòu)的自感知;而由逆壓電效應(yīng),利用壓電驅(qū)動(dòng)元件
5、的主動(dòng)作用實(shí)現(xiàn)智能材料結(jié)構(gòu)的自調(diào)整。這種結(jié)構(gòu)在振動(dòng)主動(dòng)控制、
噪聲主動(dòng)控制、結(jié)構(gòu)損傷故障檢測(cè)和診斷、形狀控制、精確定位等方面有著廣闊的應(yīng)用前景【勁。壓電式傳感器是利用某些電介質(zhì)受力后產(chǎn)生的壓電效應(yīng)制成的傳感器。迄今為止,制作壓電式傳感器主要涉及的壓電材料為:壓電晶體、壓電半導(dǎo)體、壓電陶瓷、有機(jī)高分子壓電材料。??年,日本人???】發(fā)現(xiàn)了高分子材料??具有極強(qiáng)的壓電效應(yīng)。幾十年來(lái),人們一直沒(méi)中中斷過(guò)對(duì)??壓電薄膜的研究。??壓電薄膜主要有二種晶型,即口型和盧型,口型晶體不具有壓電性,但??壓電薄膜經(jīng)拉伸后,原來(lái)薄膜中的
6、口型晶體變成盧型晶體結(jié)構(gòu)。拉伸極化后的??壓電薄膜在承受一定方向的外力對(duì)于機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變的變化具有極快速的響應(yīng),頻響范圍寬?.??郊父鯤?,因此更適合用作傳感元件。利用??壓電薄膜的壓電特性,設(shè)計(jì)制作??壓電薄膜傳感器來(lái)滿(mǎn)足不同的測(cè)量要求已經(jīng)成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)之一。??測(cè)量流量的重要性及我國(guó)測(cè)流技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀括人類(lèi)。不過(guò)這一階段,人類(lèi)也不時(shí)被極端的大洪水、大旱災(zāi)困擾,也引起了人類(lèi)對(duì)水壩、引水工程及其他基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)控制、利用河流,導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)遭到了極大的破壞。以致出現(xiàn)某些河流在一年中的大多數(shù)時(shí)候都不能入海的情況。這種以
7、犧牲自然生態(tài)系統(tǒng)換來(lái)的人類(lèi)安全和幸福帶來(lái)的后果已經(jīng)引起了國(guó)家決策者和有識(shí)之士的重視,于是提出環(huán)境保護(hù)三者之間關(guān)系關(guān)鍵在于:在滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)和生活用水的前提下,如何為河流保留足夠的生態(tài)和環(huán)境水量??梢?jiàn),無(wú)論是防范階段,還是控制階段,抑或是當(dāng)前普遍引起重視的保護(hù)階段,均
測(cè)量流量的方法有很多,其中流速儀法測(cè)流速是目前國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的方法,也是最基本的測(cè)流方法。同時(shí)也是評(píng)定和衡量各種測(cè)流新方法精度的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的流速儀是機(jī)械式轉(zhuǎn)子流速儀,從上世紀(jì)?年代,天津氣象海洋儀器廠(chǎng)仿制前蘇聯(lián)的兩種機(jī)械式流速儀——厄克曼流速儀和印刷海流計(jì)起
8、,這兩種流速儀江河湖海的水文實(shí)驗(yàn)中大顯身手,到了?、?年代,厄克曼流速儀還在普遍使用【?。其原理是由于水流作用,使其感應(yīng)元件?虺譜W?迎水面的各部分受到水壓力不同而產(chǎn)生壓力差,以致形成了一轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而由流速儀轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速?肓魎賤函數(shù)關(guān)系?3??求得流隨地變化著,而且流向也在不斷變化,因此實(shí)為流速流向儀,如圖??所示。野外操作、多