基于压电陶瓷传感器的斜支撑H型钢结构健康监测

原创 MEMS 2023-09-19 00:02

作为承重结构的关键元件,H型钢可以通过监测其应力状态以有效地检测潜在的结构问题和异常情况。这对于确保结构的稳定性和安全性具有重要意义。然而,H型钢结构经常暴露在高温、潮湿、腐蚀性介质等复杂环境条件下,可能会对检测设备和传感器造成干扰,从而导致测量误差。此外,在处理H型钢中难以接近的复杂形状和表面时,当前的测量技术和方法可能会面临挑战。之前的研究已经取得了一些进展;然而,尚未探索的领域仍然存在,特别是对斜支撑加固的H形钢梁的结构健康监测。

据麦姆斯咨询报道,近日,长江科学院、湖北工程学院、江西理工大学的研究人员组成的团队在Scientific Reports期刊上发表了题为“Piezoelectric ceramic sensor-based structural health monitoring of diagonally braced H-shaped steel structures”的论文,提出了一种基于压电陶瓷传感器的健康监测方法,用于监测斜支撑H型钢结构的应力状态。研究人员对斜支撑H型钢进行了不同工况下的荷载试验。随后,他们对这两种工况下的压电信号的幅值和能量进行了对比分析,并利用ABAQUS软件进行有限元分析以验证结果。实验结果表明,随着腹板高度或载荷的增加,H型钢的时域波形能量指数增加。不同工况下,例如腹板高度为10 cm的斜支撑H型钢构件,当压力值小于10 N/mm²时,压力每增加1 N/mm²,能量指数增加约15.98%。当压力值大于10 N/mm²且小于15 N/mm²时,压力每增加1 N/mm²,能量指数增加约1%。此外,腹板高度每增加1厘米,能量指数增加约8.4%。同时,有限元分析结果表明,压电陶瓷传感器感应位置的应力和应变随着外界压力的增加而增加。斜支撑H型钢结构的结构健康监测研究对于确保结构的安全性和可靠性、实现预测性维护、评估结构性能和能源效率以及优化结构维护具有重要意义。

在本实验中,压电陶瓷材料使用了锆钛酸铅(PZT),如图1所示。正如之前的研究所观察到的,压电陶瓷已被广泛用作测量应变和应力波的传感器。压电陶瓷还可用作结构损伤检测的换能器。


图1 压电陶瓷片

本实验使用PZT传感器来分析斜支撑H型钢的受力情况。研究人员选用相同尺寸的斜支撑H型钢,从顶部施加不同强度的载荷,将压电陶瓷片粘贴在斜支撑H型钢腹板上,并通过导线与信号接收器连接。当对斜支撑H型钢施加不同强度的荷载时,信号接收器接收到不同的信号;PZT片分别连接到斜支撑H型钢的上、中、下部位置。

通过压电信号监测应力状态的原理是利用压电效应测量物体的应力和应变状态。这是由于压电材料具有上述效应,在受到力或应力时会产生电荷或信号。根据这一原理,压电陶瓷材料可被用作传感器,通过监测其压电信号的变化来间接反映材料的应力状态。在所提出的健康监测算法中,为了检测测试波信号在斜支撑H型钢和负载之间传播的灵敏度,本研究采用了基于时间和信号值的变化的时域分析方法。随着斜支撑H型钢腹板高度和压力的增加,信号接收器接收到的信号值也会发生变化;这种变化具有一定的规律性。


图2 实验设置

图2是实验设置图;信号由INV306U信号采集仪记录。PZT片通过导线与信号接收器相连,信号采集器的采样频率为7160 Hz,采样时间为0.08 s,输出通道精度为16位,分辨率为10 ns。PZT作为传感器接收实时信号,并连接到斜支撑H型钢。

研究人员对斜支撑H型钢进行了两种不同工况(A和B)下的荷载实验,如图3和图4所示。


图3 A工况的实验设置示意图(单位:mm)


图4 B工况的实验设置示意图(单位:mm)

图5和图6分别显示了A工况和B工况的时域信号响应结果。两图中的曲线是斜支撑H型钢受压时传感器的信号响应。


图5 A工况的信号响应


图6 B工况的信号响应

压电信号与应力的关系如图7所示。如图所示,应力的增加导致压电信号的响应增强。顶部载荷与剪切迟滞特性之间的关系如图8所示。结果表明,顶部载荷的增加会导致更明显的剪切迟滞现象。


图7 不同载荷的能量指数


图8 顶部正应力的横向分布

为了进一步研究载荷强度和腹板高度对斜支撑H钢稳定性的影响,并验证实验的可靠性和有效性,研究人员利用ABAQUS进行了有限元分析和数值模拟。

综上所述,本研究提出了一种通过分析压电陶瓷传感器能量信号响应实现实时监测的方法,文中研究了两种工况:斜支撑H型钢腹板高度相同、压力不同;斜支撑H型钢压力相同但腹板高度不同。在A工况下,随着斜支撑H型钢腹板高度的增加,PZT传感器接收到的信号幅值和能量指数也相应增加。同样,在B工况下,信号幅值和能量指数随着斜支撑H型梁压力的增大而增大。随着压力和腹板高度的增加,斜支撑H型钢产生的应变和PZT传感器的机械变形也随之增加;因此,传感器接收到的信号幅值和能量指数也增加。实验结果表明,斜支撑H型钢的应力-应变幅值与腹板高度和施加荷载强度的增加呈正相关。本研究提出的健康监测方法有助于在实际工程应用中实时监测H型钢结构的健康状况,从而确保这些结构的安全性和稳定性。

论文链接:
https://doi.org/10.1038/s41598-023-40758-6

延伸阅读:
《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》
《Merit Sensor压力传感器及MEMS芯片分析》

MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
评论 (0)
  • 11、谷景告诉你环形磁环电感量偏高影响正常使用吗
    11、谷景告诉你环形磁环电感量偏高影响正常使用吗
  • Vue3+Vite+Vant-UI 开发双端招聘APP(23年新课+完整版32章+源码
    分享课程——Vue3+Vite+Vant-UI 开发双端招聘APP,23年新课,完整版32章,附源码下载。

    课程以业务驱动技术栈,将真正的商用级项目复原在课程中,使用Vite、Vue3、Vant3UI、Pinia和VueUse等前沿技术,从构建、研发、测试,完成整个全流程的学习。让你在掌握技术的同时,也能提升作为开发者的综合素养。项目功能相对完善,界面美观,手把手带你做出亮眼的作品。
  • 基于51单片机的智能台灯覆铜板设计技术手册
    基于51单片机的智能台灯覆铜板设计技术手册
  • 光伏逆变
    微型光伏逆变器方案及原理图、汽车级数控升压电源.、高效电源解决方案
  • 基于CH340N的USB转TTL模块-MINI-A技术手册
    基于CH340N的USB转TTL模块-MINI-A技术手册
  • MES生产计划管理与ERP生产计划管理到底有什么不同?

    即使ERP在企业管理方面比较强大,但是在生产管理方面确实也存在缺点,所以在生产制造行业人们一般都会将ERPMES相提并论,相互配合使用。

  • 4、你知道线圈电感的电感量大好还是小好
    4、你知道线圈电感的电感量大好还是小好
  • Blender建模高级教程|Blender视频教程2023
    Blender建模高级教程2023分享下载,Blender视频教程,Blender是一款免费开源三维图形图像软件,提供从建模、动画、材质、渲染、到音频处理、视频剪辑等一系列动画短片制作解决方案。

    Blender拥有方便在不同工作下使用的多种用户界面,内置绿屏抠像、摄像机反向跟踪、遮罩处理、后期结点合成等高级影视解决方案。Blender内置有Cycles渲染器与实时渲染引擎EEVEE。同时还支持多种第三方渲染器。

    Blender建模高级教程其包含了多边形建模、曲线、曲面建模功能,修改器、雕刻、贴图展 UV 设定材质、烘培场景、骨骼绑定、动画创作、粒子效果、物理仿真模拟、光线追踪引擎Cycles、相机追踪、图像后期合成等丰富、强大的功能。

    Blender建模高级教程,Blender是一款开源的跨平台全能三维动画制作软件,提供从建模、动画、材质、渲染、到音频处理、视频剪辑等一系列动画短片制作解决方案。Blender为全世界的媒体工作者和艺术家而设计,可以被用来进行3D 可视化,同时也可以创作广播和电影级品质的视频,另外内置的实时3D 游戏引擎,让制作独立回放的3D 互动内容成为可能。

    建模前的装备
    为了让接下来的建模工作更加方便,首先需要进行各方面的准备。这里是以我个人为基准,如果你觉得不适合里的话可以忽略这一部分。

    画面的分割
    虽然在一个View里完成也不是不可以的,但是可以同时在各个方向中进行查看当然是更好的。因此,我们进行画面的分割。我个人比较推荐将画面分成3个。分割的方法非常的简单。
    3DView的右上(或是左下)有一个类似三角的形状,将鼠标指针移动到这里时,指针会变成+的形状。

    Blender建模软件从零建模
    (1)了解目标,制定大概计划
    目标:制作类似上图的3D模型
    工具:Blender,B站网课
    预计时间:1天
    内容安排:(重要)
    1:首先,我们要做中间的小黄人 -----选定目标
    2:小黄人包括头角、身体、眼睛、嘴巴、眼球、眼睛、眼皮、腿 -----成分分析
    3:身体–>脚–>角–>眼睛–>嘴巴 -----制定顺序

    (2)基于计划,初步设计模型人物结构
    4:身体我们可以用(shift +A)立方体来代表,头角可以用锥体表示,眼球可以用经纬球or棱角球表示,眼睛也可以用球来表示,嘴巴可以用环体表示,脚可以用圆柱表示。

  • [11章]SpringBoot3.0 + RocketMq 构建企业级数据中台教程
    SpringBoot3.0 + RocketMq 构建企业级数据中台,所谓数据中台,即实现数据的分层与水平解耦,沉淀公共的数据能力,笔者认为可分为三层,数据模型、数据服务与数据开发,通过数据建模实现跨域数据整合和知识沉淀,通过数据服务实现对于数据的封装和开放,快速、灵活满足上层应用的要求,通过数据开发工具满足个性化数据和应用的需要。

    过去三十年,企业数据管理都以传统的IT架构为基础。每当技术部门为业务部门解决问题时,需要从业务需求的探查、技术壁垒的打通等从上到下各个方面来建设新系统。每个系统的建成都自成一体,各自满足业务部门的需求。这种情况不仅耗费各部门大量的精力也使得各个系统难以打通管理,无法形成更强大的数据能力。

    SpringBoot3.0 + RocketMq 构建企业级数据中台,数据中台是能力共享平台。如今,很多产品应用研发初始都在强调功能性,各个功能存在或多或少的重复性。然而企业对这些产品功能的定义并不相同。当客户产生某些需求时,由于定义的不同,产品功能和功能间的数据很难打通,也无法实现能力共享。
    在数据中台基础上的应用开发并不强调功能性,更注重能力的共享。这种能力就像水电煤一样可以直接向外输出使用,从而满足业务部门和用户的不同需求。

    数据中台如何建设?
    SpringBoot3.0 + RocketMq 构建企业级数据中台,数据中台的建设包括三个阶段,分别是基础架构、技术体系和应用系统。
    基础架构主要由数据标准、数据质量、元数据等组成。在建设过程中,需要根据企业的实际情况进行合理布局。技术体系是数据中台的技术支撑,主要包括业务应用系统、 ETL工具等。通过建立技术体系,可以提升企业在大数据处理上的效率和质量,同时也可以降低企业在大数据平台搭建过程中的成本。应用系统主要包含数据资产管理系统、数据运营管理系统、智能分析系统等。通过建立应用系统,可以有效地提高数据分析的效率。通过建立应用系统,企业可以对各种数据进行统计和分析,进而对业务起到指导作用。
    以上三个阶段是基础架构阶段,是建设数据中台的重要组成部分。通过基础架构阶段,企业可以更好地了解自身的业务情况以及现有的数据情况,在此基础上进行技术体系建设和应用系统建设。
  • 基于51单片机的超声波测距仪洞洞板设计 LCD显示技术手册
    基于51单片机的超声波测距仪洞洞板设计 LCD显示技术手册
  • 网上到处泛滥着,“一起合作建桩,共同运营分红的广告”,给一些“投资人”的感觉是:这个好买卖,一次投入几十万,五年回本,5年以后市场上新能源汽车越来越多,充电桩的充电利用率也会越来越高,随着时间的推移,这是个躺赚几十年的生意。小编对这件事的看法是:充电桩的建站及运营不是普通做的生意,而是巨头们的生意。 对于不同的利益群体来讲,建桩及运营的目的不同。对于国家来讲,建设充电基础设施就像铺设网络一样重要,鼓励大家建设是必须要做的事,多方投入,最后把这张充电网建成即可, 能不能赚钱不是最主要的。对车企来讲
    蒙弘言 2023-09-21 14:12 134浏览
  • 随着人口老龄化的不断加剧,慢性病的发病率不断上升,对个人和社会健康带来了严重威胁。为了更好地管理和控制慢性病,智康护推出了一款全新的慢病监护系统。本文将对该系统的特点和优势进行详细介绍。 一、系统概述: 智康护慢病监护系统是一种基于互联网和物联网技术的智能化健康管理系统。它通过搭载智能设备、传感器和云平台,实现了对患者健康状况的实时监测和个性化管理,辅助医生提供精准的医疗服务。 二、系统特点: 1.实时监测与远程管理:患者通过佩戴智能传感器和设备,系统可以实时监测患者的生理指标,如血
    新导智能 2023-09-21 15:55 155浏览
  • 需要使用RFID工刀具系统的应用主要是因为传统的纸质记录或是电脑登记都十分依赖人工,出现大量使用情况时无法落实到位,以及工具经手人的信息容易混淆或者冒用,给管理带来非常大的影响。这些情况主要体现在以下几个方面:提高工作效率:传统的刀具管理方式可能需要手动记录、盘点和搜索工刀具,耗费大量时间和人力资源。而RFID工刀具管理系统可以实现自动识别、追踪和定位,简化了刀具管理流程,提高了工作效率。减少误用和丢失:在繁忙的生产环境中,工刀具可能会因为被放错位置或被未授权使用而导致误用或丢失。通过RFI
    新导智能 2023-09-21 16:03 176浏览
  • 以下是一个简单的游戏模拟器的代码示例,它可以模拟一个简单的猜数字游戏:python复制代码import random class GuessNumberGame: def __init__(self, number): self.number = number self.guesses = 0 def guess(self, player_guess): self.guesses += 1 if
    丙丁先生 2023-09-21 14:43 166浏览
  • 我们的智慧校园解决方案旨在运用WiFi定位技术,提供全面且准确的学校人员定位服务。这种系统功能可以使学校管理者更好地了解整个校园内各个区域的人流状况,并为学生、教职工及访客们提供更加便捷的服务和增强校园安全管理。 系统功能 1. 实时位置追踪和监控 通过收集校园内的WiFi信号强度和连接信息,系统能够准确追踪和监控学校人员的实时位置。这种功能可以帮助校方了解每个区域的人流密度,更好地进行资源调配和管理。以下是Wi-Fi定位在校园中实施和应用的一些方面: 基站部署:校园内需要安装足够数量的
    新导智能 2023-09-21 16:02 150浏览
  •  在2021年戴森发布全新的V12 Detect Slim轻量无绳吸尘器之前,地球人还不曾想到原来可见光激光可以这样用!     V12中,用绿色激光替代传统LED照明灯,其吸头的「激光探测器」主打的就是看见后者看不到的微尘,实现数据见证的可视化深度清洁。   绿色激光不仅具备激光光源本身相干性好、方向性好等优势,它还具备可视性高的特点,“就灵敏度和可视性来说,绿色激光差不多是红色激光的3.5倍”,艾迈斯欧司朗市场工程师郑运强补充道,这也
    艾迈斯欧司朗 2023-09-21 17:55 166浏览
  • 实现高效的应急物资管理是确保应急响应和灾害救援工作顺利进行的关键环节。下面是一些实现高效应急物资管理的关键步骤和建议: 1. 建立细致的物资清单:制定详细的物资清单,包括各类物资的名称、规格、数量、储存位置等信息。同时,标注每一种物资的有效期限,确保物资及时更新和替换。 2. 建立物资采购渠道:与信誉良好的供应商建立合作关系,确保及时供应高质量的物资。同时,建立备选供应商的清单,以应对紧急情况下的物资短缺或供应中断。 3. 实施库存管理系统:使用物资管理软件或手动管理系统,准确
    新导智能 2023-09-21 15:57 174浏览
  • 我司新导物联提供的特殊资产报警系统为特殊资产报警管理系统,采用智能感应原理对物品进行自动识别,并自动定位、智能报警。适用于工厂、仓库、货场的离位报警系统,可实现24小时不间断工作。当有人(包括人员、物品)非法闯入危险区域时,机器会发出警示声音,并可在5秒内自动触发离位检测装置。 离位监测装置是由报警主机和探测主机两部分组成。 当有人非法闯入危险区域时,可触发离位报警主机的信号(声光)报警并发出声光告警信息,同时也可以在离位监测装置和声光告警装置之间进行联动。 一、工作原理 报警主机具有声
    新导智能 2023-09-21 15:52 147浏览
  • 工厂人员定位系统是指能够对工厂中的人员、车辆、设备等进行定位,实现对人员和车辆的实时监控与调度的系统,是智慧工厂建设中必不可少的一环。由于工厂的工作环境比较复杂,如果管理不当,容易发生安全隐患。在管理上,人员定位系统能够有效地帮助工厂实现对员工的管理,提高了企业的效率。同时,在发生安全事故时,定位系统可以提供及时、准确的救援措施。 苏州新导自主研发的工厂人员定位系统主要是利用定位标签作为主要监测对象,实现对生产现场人员、设备、仓库等的实时监测,可以有效地加强对工厂内安全管理与应急处理。
    新导智能 2023-09-21 16:10 142浏览
  • 在进入正题前,我们先来看看以下的使用情境,相信在座的你一定不陌生。有一位消费者为了有更好的存储体验,再加上自己本身的notebook也支持Thunderbolt 3/4,便在市面上买了一个Thunderbolt 3 的NMVe SSD。孰不知使用后才发现其SSD的读写速率并未达到Thunderbolt 3的规格水平,仅达到约USB3.2 Gen2左右的读写速率。不但不符合使用者期待,甚至连「堪用」都称不上。SSD的读写速率并未达到Thunderbolt 3的规格水平,传输效能的低落让使用者体验大
    百佳泰测试实验室 2023-09-21 16:14 173浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦