耗散因子的压电等效电路参数确定法

耗散因子反映了材料中的能量损失情况.根据耗散因子的定义,压电材料中的三种耗散因子--介电、弹性和压电损耗因子分别由复数形式的介电常数、弹性常数和压电常数计算得到.但复常数的测量过程复杂,并要求对同种压电材料的不同振动模的测量值进行迭代运算.针对研究中设计的一种压电埋入式混凝土敏感模块,提出一种通过等效电路参数计算耗散因子的方法.等效电路参数测量简单,耗散因子能够在测量同时完成,免去了复杂的迭代过程,同时,可以通过更换相应的特性参数,将该方法应用于不同的压电振动模情况.通过测量压电陶瓷在应力和温度作用下的等效电路参数,计算并分析了埋人状态下压电材料耗散因子的应力及温度特性.     

埋入压电材料的机敏混凝土研究

用有限元方法对混凝土模块及埋入其中的压电陶瓷在混凝土试件受到外载荷作用时的应力分布进行了分析.分析结果表明,埋人的压电陶瓷元件上的应力与模块所受外载荷之间存在着线性关系.在对机敏昆凝土试件进行的加载实验中,通过测量埋入的压电陶瓷元件的等效电路参数,根据耗散因子同等效电路参数间的关系,得到了压电陶瓷三种耗散因子随载荷的响应特性.加载实验结果和数据误差分析表明,压电耗散因子与试件外部载荷之间存在一定的规律性和较好的稳定性.验证了将陶瓷元件直接埋入混凝土结构内部检测结构内应力,是一种可行的,实现对混凝土结构安全进行实时、在线、主动的检测方法.     

埋入混凝土结构中的PZT压电陶瓷温度特性研究

通过实验方法研究了覆盖不同厚度的橡胶层对PZT压电陶瓷温度特性的影响.分析了两种PZT压电陶瓷在混凝土试件中不同埋入深度条件下,其特征频率和等效电路参数的温度响应特性.实验结果表明特征频率与等效电路参数对温度的变化比较敏感.结合前期研究中发现的特征频率对应力的不敏感性,表明可利用其特征频率,对应用埋入的压电元件的等效电路参数进行结构应力监测中的应力-温度交叉传感进行修正.     

钹式换能器等效电路模型研究

采用等效电路法分析钹式换能器（Cymbal）阵元结构与机电性能的关系。将Cymbal阵元抽象为压电陶瓷片和金属帽两部分,分别建立压电陶瓷圆片和金属浅球壳的等效电路模型,将金属帽的水下辐射振动近似为圆面活塞辐射器,得到Cymbal阵元的机电等效图以及等效电路图。通过对等效电路和各电路参数的分析,解释了Cymbal作为低频小尺寸换能器获得较高辐射声功率和电声转换效率的原因,对优化其电声性能提供了指导性意见。     

压电陶瓷电特性测试与分析

通过对压电陶瓷器件进行阻抗测试可得到压电振子等效电路模型参数与谐振频率。通过对压电陶瓷器件电容值、温度稳定性、绝缘电阻、介质耐电压等电性能参数进行测量与分析后可知:压电陶瓷器件电特性符合一般电容器特点,所用连接线材在较低频率下寄生电容不明显,在常温下工作较稳定,厚度较厚的产品绝缘性和可靠性指标较好。     

基于压电传感器的零点漂移改善电路的研究

针对弹药发射及侵彻过程中高速大量程冲击信号的测量需求,设计了一种基于电荷传感器的高冲击弹载侵彻加速度测量电路,解决了常规弹载记录仪在侵彻过程中压电传感器因高过载而产生的严重信号值零点漂移的现象;通过对压电传感器的零点漂移现象的机理分析以及推导电荷转换等效电路中零点漂移电压的相关表达式,提出在前端采集的调理电路中用晶体管与运算放大器搭建了加推挽电流放大级的电荷放大器的方案,增强电路驱动能力,加快压电传感器放电速度;改善电路可替代例如小波分析等事后处理数据消除零点漂移的算法,在信号源头处解决零点漂移现象,并且实现在FPGA中搭建FIR滤波器对信号进行滤波,去除机械结构共振与传感器安装谐振造成的信号失真现象,满足测量常规弹药侵彻过程高过载连续动态特性的实时性测量,对研究这类工程问题的人员实现对测量电路改进具有指导意义。     

压电发电器建模研究

压电发电器的优化设计必须以模型为基础。提出了一种新的压电发电器模型建立方法,运用该方法分别推导出2种结构的压电发电器的性能参数表达式,实验数据与表达式计算结果比较吻合,证明表达式可以用于压电发电器的性能预测。通过对输出参数表达式进行深入讨论,得出压电发电器的一般特性和相关参数与发电器性能参数之间的关系,可指导压电发电器的优化设计。     

低刚度高谐振频率的新型微压电悬臂梁探针的结构设计

以超高密度信息存储技术为应用背景,设计了低刚度高谐振频率的新型微压电悬臂梁探针,并安排了探针加工工艺流程.通过建立更接近真实结构的悬臂梁模型,推导出了非矩形不等截面多层材料复合悬臂梁的弹性常数和谐振频率计算公式,并算出设计的悬臂梁探针的弹性常数和谐振频率分别为4 N/m和245 kHz.通过悬臂梁几何参数对力学性能影响的分析,从力学性能的角度对用于超高密度信息存储的悬臂梁探针进行了几何尺寸的优化.     

压电换能器谐振频率动态检测的研究

超声波换能器串联谐振频率的检测和研究都是基于静态分析,因而存在无法对实际应用电路进行动态参数的识别和实时跟踪的缺点.基于压电换能器的等效电路,结合导纳圆分析,提出了一种检测换能器谐振频率和相关参数的方法.该方法对超声波电源实现自动识别、跟踪以及动态匹配压电换能器谐振频率等具有非常重要的参考作用.动态检测结果表明,该方法可以较好地检测出压电换能器的谐振频率.     

基于含水合物多孔介质复电导率的渗透率测试有限元仿真研究

渗透率是影响天然气水合物储层产气效率的关键参数，野外尚缺少实时监测水合物储层渗透率动态变化的技术，实验室内测试渗透率的方法存在成本高、周期长、可靠性低等问题。研究了一种基于复电导率的含水合物沉积物渗透率测试新方法。首先，针对含水合物多孔介质建立了能够计算其渗透率和复电导率的有限元数值模型，然后开展了不同水合物饱和度条件下的仿真实验，获取了0~40%水合物饱和度时多孔介质的流场和电场响应参数，分别探讨了孔隙中水合物及其饱和度变化对复电导率虚部和渗透率的影响规律和机理，最后建立并验证了基于复电导率虚部的含水合物多孔介质渗透率评价模型，为深入研究基于激发极化原理的含水合物沉积层渗透率测试新技术提供了理论和模型基础。     

磁致/压电/磁致层合材料磁电响应分析

对沿长度方向振动(LT模式)的磁致/压电/磁致(MPM)层合材料的磁电响应进行了理论分析,其中磁致层沿长度方向磁化,压电层沿厚度方向极化.从压电效应和压磁效应本构方程出发,结合材料的机械运动学方程和电路状态方程,重新推导了LT模式下MPM结构的等效电路,完善了文献中的方法,得到了复合材料的磁电电压系数、开路电流、材料内阻、可供电功率与压电、磁致材料各物理参数以及体积参数之间的关系式.以Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层合材料为例,对材料磁电响应进行了数值计算,将计算结果与相关实验结果进行了比较.利用磁电响应仿真结果,对磁电层合材料用于磁敏传感器以及自供电换能器进行了讨论.     

双晶悬臂梁式压电换能器建模与结构参数分析

针对如何提高悬臂梁压电发电效率的问题,通过对压电换能器进行力学分析并建立了一个电路等效模型,从而得到了悬臂梁谐振角振频率和输出功率的计算公式。通过代入数值进行计算仿真得出结构参数对输出功率的影响的曲线。通过分析得出:在设计悬臂梁的结构参数时尽量在结构强度允许的条件下选择更重的附加质量块,电极长度和梁的长度比值为0.8,压电陶瓷和金属层厚度比为0.25,能提高换能效率等结论。     

薄膜体声波谐振器的结构参数优化分析

建立了微型薄膜体声波谐振器的等效电路模型,研究其整体频率响应特性.提出的等效电路模型考虑了氧化锌压电薄膜两端电极和作为支撑层的氮化硅薄膜对谐振器整体性能的影响,将它们作为传输线引入到等效电路当中.运用PSPICE软件研究了谐振器各结构层的尺寸参数对谐振器谐振频率、品质因数和有效机电耦合系数的影响,并讨论了使用不同材料的电极,谐振器品质因数的变化情况.基于以上分析,对谐振器的结构参数进行优化,获得薄膜体声波谐振器性能的提高.     

负电容压电阻尼振动系统控制器参数研究

实验中发现负电容电路参数对负电容压电阻尼振动系统的振动幅值的衰减影响很大,推导了负电容压电阻尼振动系统的振动幅值随负电容电路参数的变化关系,并进行了仿真和实验研究,理论仿真和实验结果表明:负电容值越接近于压电片的固有电容,压电阻尼控制系统的衰减性能越好,串联电阻越小,压电阻尼控制系统的衰减性能越好.     

Tonpilz型压电陶瓷超声传感器的设计

超声传感器是一种电声转换器件,其敏感元件压电陶瓷控制传感器的主要性能。设计了一种谐振频率为140 kHz的Tonpilz型压电陶瓷超声传感器,从压电方程入手,建立了不同的理论模型,对等效网络法和有限元法2种不同的设计方法进行了比较。相应的试验表明:有限元法的分析结果直观明了、建模快捷、分析准确,其误差可控制在5%以内。设计研制的Tonpilz型传感器工艺简单、造价低廉、性能稳定。     

薄膜体声波谐振器(FBAR)谐振特性的模拟分析*

主要利用Mason等效电路模型对加入介质声损耗的薄膜体声波谐振器输入阻抗公式进行了推导,并利用该结果对薄膜体声波谐振器的谐振特性进行了模拟分析,分别就不同压电层材料和厚度以及不同电极材料和厚度对薄膜体声波谐振器谐振特性的影响进行了详细分析.结果表明,薄膜体声波谐振器谐振频率主要由压电材料和厚度决定但电极的影响也是很大的.在制作高频FBAR器件(5GHz以上)时,采用氮化铝作压电材料比用氧化锌作压电材料更合适.