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基于PVDF压电薄膜的路面信息采集与分析
| 论文题名： | 基于PVDF压电薄膜的路面信息采集与分析 |
| 关键词： | 路面信息采集;PVDF压电薄膜;动态称重;损伤监测 |
| 摘要： | 近年来，各种传感器技术迅速发展，应用日益广泛，在道路监测中有较多的应用。但目前在道路内部主要采用的光纤传感器价格昂贵，压电陶瓷类传感器力学性能较差，因此需要开发一种能与道路工作环境相结合，实现路面信息动态监测，同时还能够实时监测路面损伤的传感装置。 本文从聚偏氟乙烯（全称PolyVinylideneFluoride）压电薄膜的压电性能出发，通过对其压电效应的数值模拟和试验进行研究，实现对路面车辆信息的获取和自身受损状态的感知。具体工作如下： （1）首先基于压电材料的基本理论，研究了PVDF薄膜的压电效应和四类压电方程，并对第一类压电方程进行了详细的推导和解释。然后从PVDF压电薄膜的压电原理出发，介绍了PVDF压电薄膜压电传感器在实际应用中的等效电路。最后选择合适的PVDF压电薄膜传感器，确定传感器的布设方法。 （2）将PVDF压电薄膜用于路面车辆动态称重、车速测量和车型分类。基于压电薄膜在称重方面的基本原理,对实验数据进行分析，选取面积积分法对行驶中的车辆进行称重计算；然后通过COMSOL多物理场模拟分析软件，模拟出移动荷载作用下两个传感器的输出时域图像，经过计算分析得出移动荷载的速度和大小。最后设计户外真实路面实验，对动态称重的称重算法——面积积分法进行了验证，实现了对行驶中的车辆进行重量，轴距，轴数等信息的提取。 （3）将PVDF压电薄膜用于道路裂缝损伤的定位。基于PVDF压电薄膜的压电效应与结构表面的应变积分原理，建立基于频率差值的路面损伤指标。然后用COMSOLMultiphysics模拟软件模拟出PVDF压电薄膜传感器在健康和损伤两种状态下的输出时域信号，通过分析对比，验证PVDF压电薄膜感知路面损伤的可行性。设计实验在车辙试验机作用下，对模拟的结论进行了验证。最后用COMSOLMultiphysics模拟软件模拟得出健康状态的亚克力板与四种损伤状态下PVDF压电薄膜传感器阵列的输出时域波形，并在FFT傅里叶变换之后的频域图像里提取激振频率下的应变幅值，再根据损伤指标画出分布直方图，确定损伤的位置。 本文通过理论分析和实验研究，采用PVDF压电薄膜传感器对路面行驶车辆及路面裂缝损伤的信息采集和分析进行了研究，为未来智能交通提供了技术手段和理论基础。 |
| 作者： | 潘伟宁 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 喻莹;毛德灿 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 汕头大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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