基于压电阻抗的木材弹性模量检测

摘要

针对木材弹性模量动态检测的实际需求，在现有自由梁横向振动法的基础上，提出了基于锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)阻抗响应分析的弹性模量检测新方法。根据PZT-梁形试件耦合结构的分析模型，推导了耦合结构中PZT电导纳与试件模态频率的关系，从理论上分析了在PZT阻抗响应曲线中提取耦合试件一阶弯曲模态频率的可行性。为了提高检测精度，以及确定恰当的PZT扫频范围，通过模态仿真进行了试件尺寸和PZT扫频范围优化，试件尺寸优化为250 mm×40 mm×5 mm, PZT扫频范围优化为300～600 Hz。选取3种木材进行了基于PZT阻抗法的弹性模量检测仿真研究，仿真结果表明：PZT阻抗法可以有效地激发耦合试件的一阶弯曲模态，在优化的扫频范围内，PZT阻抗实部响应曲线中存在唯一的特征峰，该峰值频率为耦合试件的一阶弯曲模态频率，利用峰值频率计算得到3种木材的动态弹性模量，其最大相对误差仅为1.59%。选取6种木材进行了基于PZT阻抗法的弹性模量检测试验研究，试验结果表明最大相对误差仅为1.09%。仿真和试验结果均验证了PZT阻抗法的有效性。

关键词

锆钛酸铅压电陶瓷 / 压电阻抗 / 木材 / 弹性模量 / 弯曲模态