研究单向弯曲薄型压电换能器在能量收集与结构健康监测中的潜力

我们研究的主要目标是全面评估新发明的传感混凝土振动能量收集器，与现有的用于能量收集及结构健康监测的混凝土振动传感器进行对比。该领域的最新进展包括创新设计的局部传感器，如DCVS、DCVH以及Tipizodal变体，这些传感器能够非常容易地替代昂贵的附加设备，实现完整的3D模型分析，并可无缝集成AAML和UVM技术。在我们看来，未来的传感技术将由人工智能（AI）和机器学习（ML）与这些电学传感器、光纤以及基于视觉的传感技术相结合而推动发展。

传感器融合与物联网对我们的未来具有巨大前景。主要挑战在于开发独立的、由pH驱动的自主微型云中心数据采集系统，以满足物联网在实际应用中的传感需求。我们的新发明CVH基于一种新颖的拓扑结构设计，该设计遵循力学原理，显著提升了能量采集效率、抗剪切力性能，并且无论采用全球振动技术还是局部机电阻抗技术，均可应用于结构健康监测（SHM）领域。

首先，在浇筑过程中确保压电换能器的电气连接始终受到保护。然后将钢筋混凝土梁放置在支承装置中，其有效跨度为1,100毫米，用于实验测试。接下来，将激振器置于梁的三分之一长度位置处。

现在，将混凝土振动传感器和混凝土振动能量收集器的输出连接到示波器的两个通道。在梁的跨中位置固定一个灵敏度为100毫伏每G的加速度计，然后将其连接到ICP放大器。使用激振器在配套模式下激励钢筋混凝土梁，并对来自混凝土振动传感器、混凝土振动能量收集器和加速度计的响应进行频域分析。

接下来，将偏心旋转式振动器置于梁的跨中位置。连接并设置一个速度控制器以调节振动器。为了分析压电传感器产生的电能，首先通过将两个电阻 R1 和 R2 串联连接在压电传感器两端，构建一个功率测量电路。

将示波器连接到 R1 两端，以监测输出电压 V2。电压读数将在示波器上显示。启动振动台，使钢筋混凝土梁产生振动，并通过速度控制器调节加速度。使用示波器记录每个传感器的输出电压 V2。

然后计算每个传感器在不同加速度水平下产生的功率。为了评估压电换能器的储能潜力，搭建实验装置时不要连接功率测量电路，而是替换为一个简单的全桥整流电路。

启动振动台，使钢筋混凝土梁产生振动。使用速度控制器调节振动台的加速度。利用示波器测量并记录两个传感器整流电路的输出电压 VC。

使用给定公式计算两个传感器的电容器中存储的总能量以及实现的平均功率。对于结构健康监测，将LCR表连接到台式机，以测量电导导纳特性。放置数字温度计，确保实验过程中室温保持均匀。

在套件模式下，使用LCR表在高频下对传感器施加谐波电势以激发传感器。然后通过逐个钻孔在梁上诱导损伤。在频域中，两个换能器和加速度计的峰值频率均约为55赫兹，确认了梁的固有频率。

在正弦激励下，CVEH 在相同时间间隔内产生的电压始终高于 CVS。在不同的激励频率和激振器位置下，CVEH 产生的开路电压均持续高于 CVS，尤其是在距梁支撑端三分之一和二分之一位置处更为显著。CVEH 产生的功率随加速度增加而显著提升，其功率比值从 15.19 米每二次方秒时的 8.36 上升至 21.68 米每二次方秒时的 13.01。

在平均加速度为 4.89 米每二次方秒时，CVEH 在 236 秒内完成电容器充电，而 CVS 需要 335 秒。在更高的加速度 8.84 米每二次方秒下，CVEH 实现了 8.65 微瓦的输出功率，约为 CVS 输出功率 5.14 微瓦的 1.68 倍。在结构健康监测中，与 CVS 相比，CVEH 的导纳信号相对于基准的偏差更为显著，尤其是在经历连续损伤阶段之后。

在电导和电纳方面，CVEH 中健康阶段与受损阶段之间的均方根偏差值始终高于 CVS。