Lamb波
Lamb波是在薄板中传播的机械波,利用逆压电效应激励、正压电效应接收,通过对比无损与有损波形可检测蒙皮结构损伤。
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Lamb波是在薄板中传播的机械波,利用逆压电效应激励、正压电效应接收,通过对比无损与有损波形可检测蒙皮结构损伤。
一体化压电式加速度传感器把超小型阻抗变换器直接装入传感器壳体,用两片并联石英晶片提高输入电压,使引线极短、引线电容几乎为零,从而消除长电缆对灵敏度的影响。
剩余极化是压电陶瓷经强直流外电场饱和极化后撤去外电场仍保留的整体极化,它使材料获得压电性,但其极化强度被电极上等量反号的自由电荷屏蔽,故用电压表在电极间测不出内部极化。
压电元件受力产生电荷 Q,其等效电容 Ca=εS/d 决定开路电压 U=Q/Ca,因内阻抗极高、信号微弱,必须先经高输入阻抗前置放大器放大并完成高阻到低阻变换。
压电元件受力产生电荷 Q,可等效为电荷源 Q 并联固有电容 C_a 或电压源 U=Q/C_a 串联 C_a,实际电路中还需并入漏电阻 R_a、电缆电容 C_c 与放大器输入 R_i、C_i,因内阻高、信号弱必须用前置放大器。
压电传感器电压灵敏度 ku 由电荷灵敏度 kq 与元件电容 Ca 之比决定(ku=kq/Ca),并联接法使 Q 与 C 加倍而 U 不变,串联接法使 U 加倍而 C 减半,电压放大器输出幅值随频率、输入电阻和总电容变化,电缆增容会降低灵敏度。
压电元件受力产生电荷 Q,可等效为电荷源 Q 并联电容 Ca(或电压源 U=Q/Ca 串联 Ca),因内阻高、信号弱,实际测量须经前置放大器并计入 Ra、Cc、Ri、Ci 的影响。
压电元件通过并联或串联组合改变输出电荷、电压与电容,其电荷灵敏度 kq 与电压灵敏度 ku 由 ku=kq/Ca 联系,并需高 Ra、Ri 维持信号。
压电元件利用纵向压电效应将动态力转换为电荷,其固有电容 Ca=εS/d 决定输出电压 U=Q/Ca,多片同规格元件并联可增大电荷、串联可增大电压,因输出高阻微弱必须配前置放大器。
压电元件串联连接时,两片同规格元件异极性黏结,总电荷量不变、输出电压加倍、总电容减半,适用于以电压为输出信号且测量电路输入阻抗很高的场合。
同规格两片压电元件并联时电荷量加倍、电压不变、电容加倍,适合以电荷为输出测量慢变信号,但受漏电限制不能测静态量。
压电力传感器中,传力上盖把被测力沿石英晶片电轴(x 轴)方向传递,使两片晶片经 d11 纵向压电效应产生电荷,两晶片沿电轴并联叠加后由电极输出。
绝缘套在压电测力结构中承担电隔离和机械定位,污染或装配变化可同时影响漏电和传力。
压电加速度传感器利用惯性质量块在振动时产生的正比于加速度的惯性力,使压电片输出交变电荷,从而将加速度转换为可测电信号。
预压弹簧或螺栓为压电加速度组件施加预载,使质量块和压电元件保持接触,动态受力仍需另外分析。
压电交通检测由车轮动态碾压产生电信号,经时间与模式处理提供车辆信息线索,教材抓拍场景有明确边界。
压电式传感器利用正压电效应把压力、应力、加速度等机械量转换为电荷,其单位力电荷灵敏度 kq 与单位力电压灵敏度 ku 满足 ku=kq/Ca,因电荷会经电阻泄漏,只能测动态量而不能测静态量,且高频响应好。
压电式传感器受力产生电荷Q,可等效为电荷源Q并联电容Ca或电压源U=Q/Ca串联电容Ca;接入电缆和放大器后需考虑Ra、Cc、Ri、Ci,其高内阻微弱输出必须经高输入阻抗前置放大器才能有效提取。
压电式力传感器利用石英晶片的纵向压电效应(d11)将上盖传来的力转换为电荷,两片晶片沿电轴并联输出,用于机床动态切削力等动态力测量。
压电式加速度传感器利用质量块的惯性力使压电片产生正比于加速度的交变电荷,在振动频率远低于固有频率时输出电荷正比于加速度,适用于动态加速度测量。
压电式压力传感器用弹性膜或弹性盒把均布压力收集并转换成集中力,再由压电晶片的 d11 效应把力转换成与之成正比的电荷,经放大器归一化后即可直接读出压力值。
压电感应电缆以车轮机械作用产生电信号,用于动态通过检测;它与磁敏地感线圈采用不同机理。
压电晶体是利用单晶(如石英、酒石酸钾钠、铌酸锂)的压电效应将力或加速度转换为电荷的功能材料,其电荷量与作用力成正比且与晶轴方向密切相关。
压电材料分为单晶压电晶体(如石英)与人工多晶压电陶瓷(如钛酸钡、PZT、PMN),后者压电系数和介电常数高但机械强度与稳定性各异,需按温度、压力、稳定性要求选材。
压电元件受力产生的电荷 Q 可等效为电荷源与自身电容 Ca 并联(或电压源 U=Q/Ca 与 Ca 串联),其中 Ca=εS/d 由材料介电常数 ε、极板面积 S 和厚度 d 决定。
居里点描述压电材料特性消失的温度边界,通常不能直接作为完整传感器允许工作温度。
压电材料弹性系数反映机械刚度,影响元件固有频率;强度与刚度不同,不能用一个指标替代两者。
材料和元件的绝缘能力影响电荷泄漏;元件漏电阻Ra与放大器输入电阻Ri共同决定实际保存时间。
压电元件通过并联或串联组合改变输出电荷、电压与电容,并以高输入电阻保持电荷或电压信号,其电压灵敏度与电荷灵敏度由元件电容联系。
压电激励器利用逆压电效应把电信号变成机械振动,配合正压电效应接收的传感器,通过对比无损与有损波形来识别结构损伤。
压电系数 d 是描述压电材料把机械应力转换为电荷(正压电效应)的耦合系数,其下标 m 表示取电轴、n 表示施力轴,石英只有 d11、d14 独立且左旋右旋符号相反,压电陶瓷沿极化轴有 Q=d33F。
压电陶瓷是经强直流电场极化处理的人工多晶铁电材料,其电畴定向后受力变形引起极化强度变化,从而在电极上释放或吸附自由电荷,实现力-电转换,电荷量满足 Q=d33F。
压电陶瓷必须经直流电场、温度和时间共同作用的极化处理,使原本杂乱的自发电畴定向排列,才能获得压电效应。
利用压电逆效应激励机翼蒙皮振动、正效应接收振动并转换为电压,经模数转换后由计算机对比无损与有损波形,实现蒙皮结构健康检测。
压电高分子材料的机理涉及取向极化及多种内应变贡献,柔性薄膜形态不能代替材料和工艺判断。
机电耦合系数用转换能量比的平方根描述耦合程度,不能把它与压电系数或电压增益当成同一指标。
石英晶体沿电轴x或机械轴y受力时在与x轴垂直的面上产生电荷,电荷量由压电系数d11和受力方向、尺寸比a/b决定,而沿光轴z受力不产生压电效应。
正压电效应是某些电介质沿特定方向受机械力产生形变时,内部正负电荷重心分离,使相对表面出现等量异号电荷,从而实现力-电转换的物理效应。
电压放大器用于将压电传感器的高内阻微弱电荷信号转换为低阻抗电压输出,其输入电压幅值随频率、等效电阻R和总电容变化,频率或R增大、电缆缩短可提高输出,但无法测量静态量。
压电陶瓷是人工多晶材料,晶粒内的电畴在直流电场、温度和时间作用下被迫定向排列,从而获得宏观压电效应。
电荷放大器利用高增益反相放大器和反馈电容Cf,将压电传感器输出的微弱电荷Q转换为电压Uo≈-Q/Cf,实现高阻抗到低阻抗变换,且输出与电缆电容Cc近似无关。
电荷放大器利用高增益反相放大器和反馈电容Cf,将压电传感器输出的电荷Q转换为电压Uo≈-Q/Cf,实现与电缆电容Cc近似无关的线性测量,灵敏度由Cf决定。
反馈电阻Rf与Cf并联以稳定直流工作点;其影响只在ωRfCf足够大时可近似忽略。
石英晶体是SiO₂单晶体,沿x电轴或y机械轴受力时因正负离子重心分离而在垂直于x轴的表面产生电荷,z光轴受力无压电效应,故可用作力/加速度传感器,也可利用逆压电效应制成固定频率振荡的晶振和石英表。
电荷放大器利用米勒定理把反馈电容 Cf 等效到输入端放大 (1+k) 倍,使输出电压近似为 Uo≈-Q/Cf,从而把电荷(正比于被测力)线性转换为电压且不受电缆分布电容 Cc 影响。
石英晶体沿电轴x受压或受拉时,在与x轴垂直的表面产生正比于力的电荷,电荷符号由受力方向决定,是压电式力与压力传感器的基本转换原理。
PVDF经加工取向与极化可形成柔性压电薄膜;贴合与轻质优势需要和实际转换及频率条件一起评估。
在飞机蒙皮内嵌压电传感网络中,用逆压电效应激励 Lamb 波、用正压电效应接收波形,通过对比无损与有损波形并经模数转换送入计算机,实现蒙皮结构的自动无损检测。
逆压电效应是压电材料在电场作用下产生形变与应力的可逆机电转换现象,与正压电效应(受力产生电荷)互为逆过程,用于电激励执行器与固定频率振荡器。
钛酸钡压电陶瓷压电系数和介电常数高、易极化且易制成特殊形状,但机械强度、温度与时间稳定性不如石英,居里点约120℃,适用于常温中等受力场合。
铌镁酸铅系压电陶瓷(PMN)压电系数高,能在高压(约700kg/cm²量级)和高温条件下工作,因此适合用作高压、高温力检测的压电传感器。
锆钛酸铅(PZT)系压电陶瓷以高且稳定的压电系数和机电参数成为压电式传感器最常用的压电材料,其性能可通过微量掺杂调节,并可在较宽温度范围内工作。