基于非線性變剛度智能結(jié)構(gòu)的可調(diào)低頻振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)

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低頻/超低頻振動(dòng)傳感器是實(shí)現(xiàn)地震災(zāi)害預(yù)警、地質(zhì)勘探、航空航天裝備健康監(jiān)測(cè)、核爆監(jiān)控、生物醫(yī)學(xué)及科學(xué)探索等領(lǐng)域應(yīng)用的核心器件，為重點(diǎn)工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行提供重要決策信息。由于這些重大工程和裝備的自振頻率低(0.01~20Hz頻段)、振幅大、微加速度且極易受到環(huán)境噪聲的影響，使得有效信號(hào)極易被噪聲湮沒而難以準(zhǔn)確測(cè)量。因而，迫切需要具有良好的超低頻特性（甚至零頻特性）的高性能低頻振動(dòng)傳感器來實(shí)現(xiàn)“超深”和“超清晰”的振動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)。. 如何提升傳感器的低頻特性、增大帶寬和增強(qiáng)抗干擾能力一直是低頻振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域的難點(diǎn)。然而，現(xiàn)有技術(shù)難以解決低頻傳感器多設(shè)計(jì)約束之間的相互制約關(guān)系。例如，線性軟彈簧結(jié)構(gòu)雖然可以保證低頻特性，但該類結(jié)構(gòu)通常尺寸較大，抗沖擊能力弱，且抗干擾能力差。另外，雖然增加結(jié)構(gòu)剛度可以提升傳感器的抗沖擊破壞能力，但同時(shí)也降低了探測(cè)靈敏度，二者存在矛盾式制約關(guān)系。因此，迫切需要探索敏感彈性元件多功能化（低頻傳感、抗環(huán)境噪聲與沖擊干擾）的設(shè)計(jì)方法，在微小尺寸空間內(nèi)通過調(diào)節(jié)剛度來消除環(huán)境振動(dòng)噪聲影響是亟待解決的關(guān)鍵問題。. 本項(xiàng)目以研制可用傳感器設(shè)計(jì)的可調(diào)變剛度敏感元件為目標(biāo)，提出引入剛度可調(diào)的壓電驅(qū)動(dòng)多層級(jí)智能結(jié)構(gòu)作為關(guān)鍵敏感單元，借助拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)敏感彈性元件的宏-微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)型，使其具備分段變剛度特性、低頻濾波及剛度自調(diào)節(jié)等特異功能，以實(shí)現(xiàn)傳感器低頻性能的突破?？紤]測(cè)量環(huán)境與自身功能需求形成的多約束制約關(guān)系，建立基于非線性變剛度智能結(jié)構(gòu)的可調(diào)低頻振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)方法，建立具有分段變剛度和機(jī)械低頻濾波特征的彈性敏感結(jié)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和完善設(shè)計(jì)理論。綜合調(diào)研國內(nèi)外研究進(jìn)展，尚未見到相關(guān)敏感結(jié)構(gòu)的報(bào)道。本項(xiàng)目的研究成果將為低頻、大帶寬、高抗干擾能力的智能可調(diào)低頻振動(dòng)傳感器設(shè)計(jì)提供重要的技術(shù)支撐和保障。

《變剛度群樁設(shè)計(jì)原理與工程應(yīng)用》根據(jù)我國新頒布的《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（1994—2008），系統(tǒng)、全面地介紹變剛度群樁設(shè)計(jì)原理與工程應(yīng)用?！蹲儎偠热簶对O(shè)計(jì)原理與工程應(yīng)用》共八章，分別為導(dǎo)論、樁的受力性狀與單樁承載力計(jì)算、群樁—承臺(tái)和樁—土共同作用分析、變剛度群樁調(diào)子設(shè)計(jì)、群樁沉降計(jì)算與實(shí)測(cè)分析、空間變剛度群樁等沉降設(shè)計(jì)方法、變剛度群樁工程應(yīng)用實(shí)例和變剛度群樁設(shè)計(jì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

校準(zhǔn)是保證傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提。低頻振動(dòng)傳感器在地震觀測(cè)、土木水利與建筑工程、機(jī)械與運(yùn)載工程、能源與礦業(yè)工程等愈來愈獲得廣泛應(yīng)用，這些傳感器都需要在低頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行校準(zhǔn)，低頻標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)是低頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的關(guān)鍵設(shè)備，低頻標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)通常決定了一個(gè)國家低頻振動(dòng)校準(zhǔn)的水平。振動(dòng)臺(tái)在校準(zhǔn)中用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)信號(hào)，通常情況下是正弦信號(hào)，但校準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)有從穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)向隨機(jī)信號(hào)發(fā)展的趨勢(shì)。 2100433B

很多工程問題的數(shù)學(xué)模型可化為三角非線性系統(tǒng)，而時(shí)變和時(shí)滯現(xiàn)象又是影響這些系統(tǒng)性態(tài)的重要因素。迭代設(shè)計(jì)方法解決了很多時(shí)不變?nèi)欠蔷€性系統(tǒng)的控制問題，但因狀態(tài)變換的困難，它難以用于研究系統(tǒng)中含時(shí)變和時(shí)滯的情形。本項(xiàng)目將用變?cè)鲆婵刂品椒ㄑ芯繒r(shí)變?nèi)欠蔷€性時(shí)滯系統(tǒng)。下三角和上三角系統(tǒng)的非線性項(xiàng)，將分別受限于依賴于輸出和輸入的時(shí)變?cè)鲩L率。首先，根據(jù)三角系統(tǒng)類型和控制設(shè)計(jì)要求，給出含兩個(gè)待定參數(shù)的狀態(tài)變換。然后，用此狀態(tài)變換把系統(tǒng)的控制問題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)待定參數(shù)的構(gòu)建問題。最后，估計(jì)系統(tǒng)的時(shí)變項(xiàng)、時(shí)滯項(xiàng)和非線性項(xiàng)，構(gòu)建這兩個(gè)參數(shù)，并用Lyapunov穩(wěn)定性定理，分析閉環(huán)系統(tǒng)的性態(tài)和時(shí)變控制器的有界性。所構(gòu)建參數(shù)中的一個(gè)是時(shí)變參數(shù)，用于處理系統(tǒng)的本質(zhì)的時(shí)變項(xiàng)、并抑制調(diào)節(jié)問題中未知參數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)本質(zhì)性態(tài)的影響；另一個(gè)是受動(dòng)態(tài)方程調(diào)節(jié)的參數(shù)，用于處理系統(tǒng)的強(qiáng)非線性項(xiàng)。這將給出一條研究時(shí)變非線性時(shí)滯系統(tǒng)的新思路。