基于非线性变刚度智能结构的可调低频振动传感器设计项目摘要

低频/超低频振动传感器是实现地震灾害预警、地质勘探、航空航天装备健康监测、核爆监控、生物医学及科学探索等领域应用的核心器件，为重点工程项目的顺利进行提供重要决策信息。由于这些重大工程和装备的自振频率低(0.01~20Hz频段)、振幅大、微加速度且极易受到环境噪声的影响，使得有效信号极易被噪声湮没而难以准确测量。因而，迫切需要具有良好的超低频特性（甚至零频特性）的高性能低频振动传感器来实现“超深”和“超清晰”的振动环境监测。. 如何提升传感器的低频特性、增大带宽和增强抗干扰能力一直是低频振动测量领域的难点。然而，现有技术难以解决低频传感器多设计约束之间的相互制约关系。例如，线性软弹簧结构虽然可以保证低频特性，但该类结构通常尺寸较大，抗冲击能力弱，且抗干扰能力差。另外，虽然增加结构刚度可以提升传感器的抗冲击破坏能力，但同时也降低了探测灵敏度，二者存在矛盾式制约关系。因此，迫切需要探索敏感弹性元件多功能化（低频传感、抗环境噪声与冲击干扰）的设计方法，在微小尺寸空间内通过调节刚度来消除环境振动噪声影响是亟待解决的关键问题。. 本项目以研制可用传感器设计的可调变刚度敏感元件为目标，提出引入刚度可调的压电驱动多层级智能结构作为关键敏感单元，借助拓扑优化技术协同设计敏感弹性元件的宏-微观结构构型，使其具备分段变刚度特性、低频滤波及刚度自调节等特异功能，以实现传感器低频性能的突破。考虑测量环境与自身功能需求形成的多约束制约关系，建立基于非线性变刚度智能结构的可调低频振动传感器设计方法，建立具有分段变刚度和机械低频滤波特征的弹性敏感结构构型创新设计方法，实验验证和完善设计理论。综合调研国内外研究进展，尚未见到相关敏感结构的报道。本项目的研究成果将为低频、大带宽、高抗干扰能力的智能可调低频振动传感器设计提供重要的技术支撑和保障。

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《变刚度群桩设计原理与工程应用》根据我国新颁布的《建筑桩基技术规范》（1994—2008），系统、全面地介绍变刚度群桩设计原理与工程应用。《变刚度群桩设计原理与工程应用》共八章，分别为导论、桩的受力性状与单桩承载力计算、群桩—承台和桩—土共同作用分析、变刚度群桩调子设计、群桩沉降计算与实测分析、空间变刚度群桩等沉降设计方法、变刚度群桩工程应用实例和变刚度群桩设计的技术经济分析。

校准是保证传感器测量数据准确的前提。低频振动传感器在地震观测、土木水利与建筑工程、机械与运载工程、能源与矿业工程等愈来愈获得广泛应用，这些传感器都需要在低频振动标准装置上进行校准，低频标准振动台是低频振动标准装置的关键设备，低频标准振动台的设计和制造技术通常决定了一个国家低频振动校准的水平。振动台在校准中用于产生标准振动信号，通常情况下是正弦信号，但校准激励信号有从稳态正弦信号向随机信号发展的趋势。 2100433B

很多工程问题的数学模型可化为三角非线性系统，而时变和时滞现象又是影响这些系统性态的重要因素。迭代设计方法解决了很多时不变三角非线性系统的控制问题，但因状态变换的困难，它难以用于研究系统中含时变和时滞的情形。本项目将用变增益控制方法研究时变三角非线性时滞系统。下三角和上三角系统的非线性项，将分别受限于依赖于输出和输入的时变增长率。首先，根据三角系统类型和控制设计要求，给出含两个待定参数的状态变换。然后，用此状态变换把系统的控制问题转化为两个待定参数的构建问题。最后，估计系统的时变项、时滞项和非线性项，构建这两个参数，并用Lyapunov稳定性定理，分析闭环系统的性态和时变控制器的有界性。所构建参数中的一个是时变参数，用于处理系统的本质的时变项、并抑制调节问题中未知参数对整个系统本质性态的影响；另一个是受动态方程调节的参数，用于处理系统的强非线性项。这将给出一条研究时变非线性时滞系统的新思路。