压电智能材料在流速及流水压力实时监测中的技术研究

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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文压电智能材料在流速及流水压力实时监测中的技术研究姓名：李海涛申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：王滨生20110305 摘要同时给出了��压力传感器的等效电路和测量电路以及对其灵敏度进行了分析讨论。关键词：智能材料；��；压电效应；测流；流水压力 哈尔滨下程大学硕十学位论文��������������������痠�������������—�������������������������������������瑃�������������甌��������������甌������

2、�������������琣���������������������，�����������������������������．������篿��������；������；������ 智能材料这一概念提出于�世纪�年代，并于�世纪�年代迅速发展起来的一种新型复合材料。智能材料即指能感知环境���诨肪澈屯饣肪�刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。智能材料具有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。智能材料和结构密

3、切相关，互为一体，因此，有学者将智能材料也称大量的人力物力去完成测量任务。目前测量河流流量最常用的方法是流速仪法，其基本原理是在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线处测量水深并用流速仪测量一至几个点的流速，得到线平均流速，进·而得到断面面积和断面平均流速，两者的乘积即为流量，因此测流工作实质上是测量横断面及流速两部分工作的组合。因为要在测流断面的不同位置布设垂线，需要借助缆道或测船或测桥将流速仪定位，因此工作量大、繁琐、耗时长、效率低。仅就速度而言，众所周知，水流动时，会对于水接触的固体表面产生的法向面力一一动水压力。

4、这个力是水流流速平方的函数，如果能够感应动水压力的变化，并将其反馈为电信号，通过计算机终端的处理，就可以实时地计算出当前水流流速，此外要实现多点测量，还需造价低廉，这样自然就想到了具有感知功能的智能材料。目前，智能材料主要有压电材料、形状记忆合金、电／磁致伸缩材料、电／磁流变材料等等，其中，压电材料是应用最广泛的智能材料，被越来越多地用在航天、航空、国防、汽车、土木建筑领域中。压电材料不但可以用于传感器，还可用于致动器中。压电体的正压电效应使其作为应变传感器，实现智能材料结构的自感知；而由逆压电效应，利用压电驱动元件

5、的主动作用实现智能材料结构的自调整。这种结构在振动主动控制、 噪声主动控制、结构损伤故障检测和诊断、形状控制、精确定位等方面有着广阔的应用前景【劲。压电式传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。迄今为止，制作压电式传感器主要涉及的压电材料为：压电晶体、压电半导体、压电陶瓷、有机高分子压电材料。��年，日本人���】发现了高分子材料��具有极强的压电效应。几十年来，人们一直没中中断过对��压电薄膜的研究。��压电薄膜主要有二种晶型，即口型和卢型，口型晶体不具有压电性，但��压电薄膜经拉伸后，原来薄膜中的

6、口型晶体变成卢型晶体结构。拉伸极化后的��压电薄膜在承受一定方向的外力对于机械应力或应变的变化具有极快速的响应，频响范围宽�．��郊父鯤�，因此更适合用作传感元件。利用��压电薄膜的压电特性，设计制作��压电薄膜传感器来满足不同的测量要求已经成为当今研究热点之一。��测量流量的重要性及我国测流技术的发展现状括人类。不过这一阶段，人类也不时被极端的大洪水、大旱灾困扰，也引起了人类对水坝、引水工程及其他基础设施来控制、利用河流，导致河流生态系统遭到了极大的破坏。以致出现某些河流在一年中的大多数时候都不能入海的情况。这种以

7、牺牲自然生态系统换来的人类安全和幸福带来的后果已经引起了国家决策者和有识之士的重视，于是提出环境保护三者之间关系关键在于：在满足经济和生活用水的前提下，如何为河流保留足够的生态和环境水量。可见，无论是防范阶段，还是控制阶段，抑或是当前普遍引起重视的保护阶段，均 测量流量的方法有很多，其中流速仪法测流速是目前国内外使用最广泛的方法，也是最基本的测流方法。同时也是评定和衡量各种测流新方法精度的标准。传统的流速仪是机械式转子流速仪，从上世纪�年代，天津气象海洋仪器厂仿制前苏联的两种机械式流速仪——厄克曼流速仪和印刷海流计起

8、，这两种流速仪江河湖海的水文实验中大显身手，到了�、�年代，厄克曼流速仪还在普遍使用【�。其原理是由于水流作用，使其感应元件�虺谱W�迎水面的各部分受到水压力不同而产生压力差，以致形成了一转动力矩，使转子产生转动，进而由流速仪转子的转速�肓魉賤函数关系�３��求得流随地变化着，而且流向也在不断变化，因此实为流速流向仪，如图��所示。野外操作、多