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基于静电原理的结构振动加速度感知技术的研究与应用
| 论文题名： | 基于静电原理的结构振动加速度感知技术的研究与应用 |
| 关键词： | 桥梁;静电原理;结构振动加速度感知 |
| 摘要： | 建筑结构发生持续的结构振动将会影响建筑的结构安全甚至威胁使用者的生命安全，因此对结构振动进行实时监测并加以控制有着重要意义。在实际操作中通常取建筑结构的振动加速度作为结构振动评价指标。在常见的采用机电方法来测量结构振动加速度的传感器中，静电式加速度传感器凭借着其无需外接电源供电、电信号读取简便、制作简单且成本低等优势被认为是最具开发潜力的加速度传感器。但现存的静电式加速度传感器由于未能建立器件的电输出信号与结构振动信息的对应关系，而无法对结构振动实时加速度进行监测。 本文基于独立层式静电原理开发了两种自供能加速度传感器和一种基于接触—分离式静电原理的传感器供能模块，这使实现对结构振动信息无源感知和无线传输成为可能。主要的研究内容如下: (1)基于接触滑动模式独立层式静电原理(接触滑动模式F-TENG)提出了一种接触式自供能加速度传感器。依托于理论推导和实验验证的方式，我们建立了自供能加速度传感器感知理论模型，实现了对结构振动加速度的实时监测。并对该接触式自供能加速度传感器的测量精度、电输出规律和不同设计参数的加速度感知范围进行了探究。 (2)基于非接触滑动模式独立层式静电原理（非接触滑动模式F-TENG）提出了一种非接触式自供能加速度传感器，克服了接触式自供能加速度传感器中由于摩擦对之间存在滑动摩擦能量损失而影响加速度感知的问题。依托于理论推导和实验验证的方式，对两类自供能加速度传感器的感知精度进行了比较、并对该非接触式自供能加速度传感器的感知原理和电输出规律进行了探究。 (3)为进一步验证两类自供能加速度传感器的实际应用性，使用非接触式自供能加速度传感器进行了拉索索力测试和同时使用两类自供能加速度传感器进行了模型桥梁不同位置的结构振动加速度的测试。 (4)基于接触-分离式静电原理开发了一种能够有效俘获环境低频结构振动能量转化为电能的传感器供能模块，其能够在拉伸条件下有效工作，并通过加压支架的设计增强摩擦对之间的接触力。同时建立了传感器供能模块输出性能预测模型，用于指导供能模块的设计优化。并依托于实验验证的方式，对供能模块在不同外部荷载和负载电路下的电输出规律进行的探究。进一步地，开发了一种集成式传感器供能模块实现了对器件输出性能和空间利用效率的优化。 |
| 作者： | 汪华钢 |
| 专业： | 结构振动测试 |
| 导师： | 张治成;张鹤 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 浙江大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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