线性悬臂梁式压电振子的理论分析与仿真

悬臂梁式压电俘能系统的输出电压和功率与压电振子的结构尺寸、外界激振频率等都有着密切的联系。同时,线性压电振子当与环境振动激励产生共振时才能获得最大的输出功率,而其固有频率又与压电振子的结构尺寸等参数有关。因此,为了在实际应用中提高俘能效率,就需要研究这些参数对悬臂梁式压电俘能系统性能的影响规律。现针对悬臂梁式压电振子结构进行了相关的理论分析,并通过COMSOL Multiphysics有限元软件,对系统输出电压和功率受外界激振频率、负载、外激励加速度的影响规律进行了仿真分析,从而为优化悬臂梁式压电振子结构,降低系统固有频率提供了参考。     

基于ZnO压电薄膜的柔性声表面波器件

提出并制备了基于聚酰亚胺柔性衬底的声表面波(SAW)器件。在柔性聚酰亚胺衬底上低温反应磁控溅射沉积了ZnO压电薄膜;采用X射线衍射仪,扫描电子显微镜,原子力显微镜等设备对ZnO薄膜进行了检测,结果表明:ZnO薄膜晶粒呈柱状生长并且(002)择优取向,膜粗糙度小于9nm,适合制作压电器件。在柔性衬底上制备了基于ZnO压电薄膜的SAW器件,该器件表现出良好的谐振性能。采用矢量网络分析仪检测器件的传输曲线,实验结果与仿真结果具有很好的一致性。随着波长减小,谐振频率和相速度增加,当ZnO厚度为4μm,波长为8μm时,器件的谐振频率为268MHz,相速度为2 144m/s,机电耦合系数为1.1%;当ZnO厚度增加时,此叠层结构的声表面器件的叠层声速也增加。     

两自由度碰撞结构的压电MEMS能量采集器的设计与性能测试

为克服传统压电能量采集器工作频带窄、输出性能低等问题,提出了一种两自由度碰撞式压电能量采集器结构,建立了其理论分析模型,并利用键合与减薄技术制备了以磷青铜为基底的高性能压电厚膜,在此基础上通过MEMS工艺完成器件样机的制造。性能测试表明:在不进入碰撞机制时,最高测试加速度为5g,两自由度器件一阶、二阶谐振频率分别为26.4 Hz和55.2 Hz,主梁和副梁在一阶谐振、二阶谐振频率点的输出电压分别达到20.3 V/17.0 V、18.2 V/16.5 V。在引入碰撞机制后,在设定的4g加速度下,器件的有效输出频率为26 Hz～31 Hz和55 Hz～58 Hz两个频率范围段,有效频宽拓宽至15.6 Hz。     

Ansys在PZT压电薄膜微传感器压电分析中的应用

研究的PZT压电薄膜微传感器采用的弹性敏感元件为微悬臂梁结构,在压电原理和材料力学理论的基础上,采用简化的等效微器件结构建立了数学分析模型,将有限元方法发展应用于压电材料的结构分析中,并运用有限元软件Ansys7.0对PZT压电薄膜微悬臂梁结构的传感性能和线性度进行了模拟,同时分析了微悬臂梁结构的几何参数对输出电压的影响,这些分析结果和解析预测是一致的。     

压电薄膜微传感器的动态特性分析

论述了压电薄膜微传感器的结构和工作原理,应用有限元方法对压电膜微传感器进行了动力学分析。利用有限元软件ANSYS7．0对压电薄膜微传感器结构的振动模态进行了仿真,并拟合了感应电压和动态外力幅度、频率以及结构几何参数之间的关系,这些分析为此类微传感器的设计提供了理论依据。     

基于MEMS的压电微泵建模与优化

以压电驱动的无阀微泵为研究对象,根据扩张管/收缩管的压力损失系数和连续方程,建立了无阀微泵的理论模型。利用有限元分析软件,建立了无阀微泵有限元模型,进行了耦合场仿真分析。模拟并分析了不同边界条件下驱动电压、电压频率、泵膜厚度、压电薄膜厚度和压电材料对无阀微泵输出特性的影响。仿真结果显示,无阀微泵具有很好的整流特性,并且驱动电压越大,输出特性越好。在局部固定边界条件下,当压电薄膜上施加电场强度为500 V/mm的驱动电压时,存在最优的压电薄膜厚度,使得微泵的输出流量最大。研究结果为无阀微泵的优化设计提供了依据。     

电磁调制非接触式压电电机输出特性

提出了一种电磁调制非接触式压电电机,实现定、转子非接触耦合传动,具有结构可靠、运行稳定及控制方便的特点。首先,推导了驱动机构输出角位移方程、电磁调制非接触压电电机静、动态电磁力矩方程;其次,分析了电机的结构参数和激励信号参数对输出角位移和电磁力矩输出性能的影响规律;最后,制作样机并进行性能测试,通过理论计算输出力矩和实验测试值的对比,验证了理论分析的正确性,并给出了样机的驱动方案。结果表明:输出步进角随着驱动信号电压峰值的增大而增大,当驱动电压为150 V、频率为3 Hz时,输出步进角约为0.82°;而输出转矩受电磁调制机构的电压激励峰值和驱动频率的影响因素较大,驱动频率为3 Hz、调制电压为7 V时,输出转矩为6.1 N·mm。该类型压电电机进一步拓宽了非接触式压电电机的研究领域,为设计高精度、大扭矩的非接触压电电机提供借鉴。     

高性能多方向双圆弧形压电能量收集系统

为了解决传统压电能量收集系统通频带窄、功率密度低的问题,本文采用线性多模态共振法,提出一种双圆弧悬臂梁内 外反向拼接的压电能量收集系统。 两根梁上各覆盖一个压电层,压电层之间串联连接。 建立二自由度系统集总参数模型和机 电耦合模型来分析频率响应和输出性能。 对比压电层弧度不同的压电能量收集系统的输出性能,根据测试结果,当弧度为 0. 5π 时输出性能最佳。 设置激励加速度为 0. 1 g,一阶模态下,谐振频率为 82. 19 Hz,开路电压为 49. 65 V,最大输出功率为 3. 74 mW;二阶模态下,谐振频率为 119. 14 Hz,开路电压为 44. 74 V,最大输出功率为 3. 54 mW。 测试结果表明,该结构可有效 拓宽通频带宽度至 52 Hz,且功率密度高。 该压电能量收集系统结构简单易于制备,工作频带宽,可在频率波动大的环境下供 电,同时体积小、功率密度大,能在多方向激励下高效率收集能量,可应用于可穿戴设备、低功率设备等多个领域。     

内装集成芯片的压电加速度传感器

综述了具有低功耗、能简化测量通道和方便应用于集成化控制系统的内装集成芯片压电加速度传感器的形成原理和众多优点，着重分析了使用时的一些特点，并介绍了具有国际先进水平的１００系列电压输出压电加速度传感器和６１０００型恒流电压源的基本特点和技术性能指标。     

碳纳米管改性压电薄膜极化工艺的研究

合理的极化工艺是保证0-3型压电复合薄膜良好压电性的重要条件,而影响压电薄膜极化效果的因素很多,其中主要因素是极化电场E、极化温度T和极化时间t。为了改进压电薄膜的电学性能,制备了碳纳米管改性的压电复合薄膜,并采用自制的极化夹具,在硅油中对压电薄膜进行极化,通过分析极化电压、极化温度、极化时间对压电复合薄膜压电应变常数的影响及不同极化条件下压电应变常数随时间的退化状况,进一步优化了压电复合薄膜的极化工艺,提高了压电复合薄膜的压电性能。     

圆弧螺旋型压电振动能量收集系统的设计

为了实现低频、多方向能量收集和高输出性能,提出了一种圆弧螺旋结构的压电能量收集系统。该圆弧螺旋压电能量收集系统不仅可以降低谐振频率,减少系统体积,而且圆弧型悬臂梁具有不对称性,因此可以进行多方向收集。理论分析不同弧度下能量收集系统的应力分布、谐振频率以及输出性能。加工制备了2π、3π和4π圆弧螺旋压电振动能量收集系统并进行了性能测试对比。研究结果表明,4π圆弧螺旋压电能量收集系统具有更好的输出性能,谐振频率为47 Hz,输出电压达到23 V,输出功率达到353μW。该圆弧螺旋压电振动能量收集系统可应用于人体健康检测、环境控制系统、嵌入式系统、军事安全等应用领域。     

压电复合薄膜传感器的制备与应用性研究

为了进一步优化压电薄膜传感器的制备工艺,探究压电薄膜传感器在建筑工程领域的应用前景,采用流延工艺制备了碳纳米管改性的0-3型压电复合薄膜,并使用该薄膜制成了压电复合薄膜传感器,将制得的压电薄膜传感器和传统的电阻式应变片同时贴在等强度悬臂钢梁上,通过采用2组不同频率的正弦荷载和1组随机荷载对悬臂梁进行激励,对比研究了压电传感器和应变片在动态荷载激励下的响应。研究结果表明:压电复合薄膜传感器具有更快的反应能力和更高的灵敏度,压电薄膜传感器可以有效地对结构的应力和应变进行实时监测。     

基于AE数值模拟的压电元件传感特性研究

建立结构与压电材料传感元件的二维有限元模型，模拟结构中一种声发射（AE）的产生和传播。通过读取结构表面特定位置节点加速度与压电相节点电压时域信号，实现了结构中微观的AE波传播与宏观的输出电压信号的有机结合，并讨论这种无噪声影响理想条件下1—3型压电复合材料（1—3型PCM）、压电偶极子对、普通PZT材料用于模拟的AE检测时，对AE波径向共振与厚度共振的响应特性。     

圆弧螺旋型压电能量收集器的有限元模型研究

为了分析圆弧螺旋型压电能量收集器的振动特性和输出特性,本文提出了一种有限元模型,可以在简化模型的同时改善结果的精度。对近似前后的圆弧型压电能量收集器进行了建模、仿真和测试,得到了圆弧螺旋型能量收集器的谐振频率、输出电压与输出功率。将圆弧型悬臂梁进行有限元分割成6～16个矩形结构悬臂梁,并对不同程度的有限元近似下圆弧螺旋能量收集器的谐振频率与输出性能进行分析,结果表明在有限元个数大于等于10时,谐振频率与输出性能相对误差较小。加工制备了2π圆弧螺旋型压电振动能量收集并进行了性能测试。测试结果表明螺旋能量收集器谐振频率为158 Hz,采取10边型有限元模型的理论谐振频率为153 Hz,相对误差为3.5%;最大输出功率的测试结果为53.5μW,最大输出功率的理论结果为55.2μW,相对误差为3.18%,理论结果与测试结果较为符合。     

多振子压电发电机的输出特性

为提高多振子压电发电机的输出能力及有效频带宽度,从理论及试验两方面研究了各压电振子直接串/并联及经整流桥串/并联时的输出电压特性.结果表明,压电振子结构及数量相同时,经整流桥串/并联输出的电压及频带宽度均优于直接串/并联输出的电压及频带宽度,且压电振子经整流桥串联输出方式优于并联输出方式,其电压波动也较小.最后,制作了...     

换向激励式压电振动俘能器

为提高在低频、宽带、高强度及大振幅振动环境下的可靠性，提出一种换向激励式压电振动俘能器，它由拾振器和换能器组成。换能器的振动方向垂直于拾振器振动方向（环境振动方向），振动方向的转换通过磁力换向结构实现，换向结构使响应振幅不随外部激励的增加而一直增加，从而提高可靠性。建立了俘能器的动力学模型，通过数值仿真和实验获得了相关参数对其输出特性的影响。仿真和实验结果表明：激励频率小于20 Hz时，该两自由度系统存在两阶谐振频率使输出电压达到峰值，一阶为拾振器谐振频率，二阶为换能器谐振频率。随着拾振簧片长度和拾振质量的增加，一阶谐振频率升高，所对应的输出电压基本不变；二阶谐振频率基本不变，所对应的输出电压逐渐升高；工作频带变宽。当外部激励振幅达到阈值时，换能器的响应振幅被有效控制，输出电压不再随之增加，最佳负载电阻为540 kΩ，此时输出功率最大为0.4 mW。实际应用中可通过改变俘能器的结构参数调整谐振频率及输出电压，将响应振幅控制在安全区域内，以适应低频、宽带、高强度及大振幅的工作环境。     

压电-气动隔振器的能量回收特性

为实现低频／高强度振动能量回收以及基于能量回收的主动振动控制,提出一种压电-气动隔振器,介绍了其系统构成原理,并进行了其能量回收特性的理论与试验研究。理论分析结果表明,压电-气动隔振器的发电能力是由环境振动强度、气缸／压电振子的结构性能参数、气体容积／背压等多种要素共同决定的。其他条件确定时,发电量／电压随背压增加呈指数规律递增,且存在最佳的压电振子的厚度及厚度比(基板厚度／总厚度)使发电能力最大。采用Φ60×0.9mm3双晶压电振子及Φ16×100mm3气缸制作了试验样机,测试了频率／背压／振动强度对输出电压的影响规律。结果表明,在给定试验条件下,压电 气动隔振器输出电压随背压及气缸活塞振幅的增加线性递增,0.4MPa背压时输出电压约为无背压时的5倍。此外,还存在最佳工作频率(5 Hz)使其输出电压最大。     

无铅BaTiO3/GO/PDMS复合的柔性叉指式压电发电机的设计与试验

传统的压电振动发电机具有工作频带窄,压电陶瓷易碎且含铅等缺陷,无法满足当前微型传感器件可穿戴、小型化、便携式等要求。本文制备了一种高性能的钛酸钡/石墨烯/聚二甲基硅氧烷(BaTiO_3/GO/PDMS)三元无铅压电复合薄膜。GO材料的比表面较大且流动性较强,在铁电材料中易形成微电容从而提高复合薄膜的压电性能。当BaTiO_3/GO/PDMS复合薄膜中GO质量分数为0.6wt%时,复合薄膜的介电常数和导电率分别为185和8.5×10-5 S/m。BaTiO_3/GO/PDMS复合薄膜的剩余极化强度值为13.47μC/cm2,比未添加GO材料时提高了28%。所制备的BaTiO_3/GO/PDMS三元复合薄膜发电机的最大输出电压达7.71V,是BaTiO_3/PDMS二元复合薄膜发电机的2.78倍。将BaTiO_3/GO/PDMS复合柔性纳米薄膜应用于非对称叉指式压电拾振结构,填充GO后非对称叉指式拾振结构的输出电压明显增加,拾振结构的-3dB带宽由未填充GO时的8.7 Hz增加到填充GO后的11.2 Hz。所提出的BaTiO_3/GO/PDMS无铅复合柔性压电纳米发电机在柔性能量采集拾振结构方面具有巨大的应用前景。     

简易压电晶片式液压发电装置的设计及试验

为实现低频率,高强度的振动能量回收和利用,提出一种基于压电流体耦合作用的压电晶片式液压发电装置。通过理论分析设计结构,采用直径60mm,厚度1.6mm的压电晶片以及直径16mm,高度50mm的液压缸制作样机,用水作为工作介质,测试了装置在不同激励频率、激励电压、系统背压及加载质量等条件下的电压输出情况。试验结果表明:当激励频率(工作频率)在27Hz左右时,该压电晶片式液压发电装置的输出电压达到最大,且在一定的范围内,发电装置输出电压随着激励电压、系统背压及加载质量的增加而增加,验证了液压-压电发电的可行性。     

功能梯度压电驱动器的结构设计、制备与功能验证

本文作者在以前的研究中,提出了一种新型的功能梯度驱动器。在此基础上,本文设计并制备了该驱动器,建立了理论模型,并对驱动器的性能进行了测试。这种新型功能梯度驱动器由4种基于Pb(Ni1/3Nb2/3)O3－PbZrO3－PbTiO3系列的材料复合而成,且四层材料的压电常数和介电常数在厚度方向上的梯度变化相反,这种梯度结构能够使得驱动器结构内部的应力分布优于传统弯曲驱动器。为了对驱动器进行优化设计,作者利用经典复合材料力学和压电方程建立了功能梯度压电驱动器的理论模型,并计算了不同厚度配比的驱动器受电压和自由端集中力单独作用时的准静态变形和应力分布。通过分析驱动器的内部应力确定了最优厚度配比。根据优化结果成功制备了功能梯度压电驱动器,并测量了驱动器自由端输出位移与输出力的关系。测量结果表明：功能梯度压电弯曲驱动器的输出位移和输出力呈线性关系,并且频率越低,输出位移和力就越大。