一种埋入型PZT的三维等效机电阻抗模型——第二部分:应用

基于建立的三维等效机电阻抗模型,文献的第一部分得到了PZT与结构耦合的电导纳方程。第二部分根据这一方程提出了应用机电阻抗(EMI)技术监测结构固有属性的改进方法。该方法通过PZT与结构耦合的电导纳方程,从实测的耦合电导纳信号中提取出结构等效机械导纳。利用获得的结构机械导纳曲线,来监测结构固有属性。基于该方法,对埋入有PZT传感器的早龄期混凝土梁的固有属性进行了监测。试验结果表明,利用结构机械导纳来监测结构固有属性是可行的,比原始电信号更加敏感有效。     

#x0201c；压电片-粘结层-主体结构#x0201d；动力耦合模型研究

利用机电阻抗(EMI)识别结构损伤的技术已在航空航天、机械工程、土木工程等领域成功应用,与现阶段的应用相比,其理论研究和数值分析相对滞后。为获得PZT工作过程的数学模型,在研究现有的#x0201c;压电片-粘结层-主体结构#x0201d;耦合模型的基础上,提出了一种新的EMI耦合计算模型。通过建立模型成立的假设条件,对模型计算全过程进行了理论推导,获得了电导纳公式。此模型的建立丰富了压电阻抗技术的理论研究成果,为开展相关研究提供了参考。     

低Qm压电振子机电耦合系数的标准计算方法的原理误差分析

压电材料的机电耦合系数通常由谐振及反谐振频率之间的相对间隔确定。常用的ＩＥＥＥ标准计算公式,是由描述理想无损压电振子的电行为方程推导得出的。本文结出了压电材料的固有损耗产生的谐振及反谐振频率的偏移及由此引起的标准公式的误差。代替以往分析时常用的等效电路方法,本文采用把损耗考虑在内的严格的压电振子导纳或阻抗模型。分析结果表明：由测得的谐振子及反谐振频率用标准公式得出的耦合系数小于材料的固有耦合系数;     

圆柱形压电振子的多维耦合换能器理论

利用表观弹性法讨论了有限长实心和空心压电圆柱振于的三维耦合振动理论,并给出了各振子的总导纳方程、频率方程和多维耦合下的机电转换系数等。由总导纳方程计算了频率常数随振子几何尺寸的变化曲线,所得结果与用里兹变分法得到的结果相当一致,也与实验结果相吻合。此方法可用于圆柱形压电陶瓷参数的修正以及复合压电振子和非压电振子耦合振动的计算。     

低Qm压电振子机电耦合系数的标准 计算方法的原理误差分析

压电材料的机电耦合系数通常由谐振及反谐振频率之间的相对间隔确定。常用的IEEE标准计算公式,是由描述理想无损压电振子的电行为方程推导得出的。本文给出了压电材料的固有损耗产生的谐振及反谐振频率的偏移及由此引起的标准公式的误差。代替以往分析时常用的等效电路方法,本文采用把损耗考虑在内的严格的压电振子导纳或阻抗模型。分析结果表明由测得的谐振及反谐振频率用标准公式得出的耦合系数小于材料的固有耦合系数;误差随固有损耗的增加及耦合的减弱而增加。文中给出了较为详细的分析结果,确定了常用耦合系数标准公式的精确性及适用范围。     

考虑外部阻抗的压电叠层作动器机电耦合模型

压电叠层作动器在结构振动控制及其它场合表现出良好应用前景,建立能够反映其物理本质的数学模型非常重要。以压电材料的本构关系以及杆的纵向振动方程为基础,考虑外部阻抗的影响,推导了短路机械阻抗、电阻抗以及转换系数的表达式,并构造了转换方程,从而建立了能够描述压电叠层作动器与主体结构之间机电耦合特性的阻抗模型。理论分析和数值模拟结果表明外部阻抗对这些参数有重要影响：当两端的外部阻抗完全相同时,作动器的电阻抗和转换系数有最高的共振频率,作动器可看成两个具有固定-自由边界条件的作动器的串联。其它情况下则均有不同程度的降低。因此,为实现更好的控制效果需要考虑阻抗匹配问题。     

利用压电自传感驱动器进行裂纹钢梁损伤识别的实验研究

压电陶瓷是一种智能材料，可以在结构健康监测系统中同时用作传感器和驱动器。基于压电阻抗的损伤识别技术的基本原理，对裂纹钢梁进行了损伤识别和定位的实验研究。将三片压电陶瓷（PZT）粘贴在钢梁表面的不同部位作为驱动器和传感器，通过测量梁损伤前后压电陶瓷片的电阻抗变化来识别梁中的裂纹损伤。从导纳（阻抗的倒数）幅值谱曲线中提取裂纹梁的反谐振频率，通过比较各压电片位置的反谐振频率变化识别了裂纹位置；同时比较不同损伤工况下的反谐振频率变化定性地识别裂纹梁结构的损伤程度。     

基于机电阻抗技术的不锈钢板均匀腐蚀监测方法研究

不锈钢板厚度减薄是造成不锈钢板完整性和适用性退化的主要原因之一。不锈钢板的均匀腐蚀会导致不锈钢板厚度均匀减薄,质量减小。因此,对不锈钢板均匀腐蚀进行有效监测具有十分重要的意义。然而,目前对不锈钢板均匀腐蚀的有效监测充满困难和挑战。提出了一种基于机电阻抗技术的不锈钢板均匀腐蚀监测方法。通过推导在单个表面粘贴的压电传感器激励下的简支薄不锈钢板的等效机械导纳,提出了将导纳曲线中弯曲振动模态的共振频率的变化(-Δf)作为评价不锈钢板均匀腐蚀损伤的敏感指标,使用-Δf与真实腐蚀程度之间的定量关系量化和预测不锈钢板的均匀腐蚀程度。通过实验证明了所提方法的有效性和可靠性。     

成型压力对0-3型锆钛酸铅/水泥压电复合材料的影响

以快硬硫铝酸盐水泥为基体,以锆钛酸铅(PZT)为功能相,用压制成型法制备出0-3型PZT/水泥基压电复合材料。分析成型压力对PZT/水泥基压电复合材料的压电性和介电性的影响,结果表明:不同粒径PZT颗粒作为功能相的水泥基压电复合材料,成型压力对其压电性和介电性有不同的影响。在30~90 MPa压力范围内,成型压力越大,PZT/水泥压电复合材料的压电应变常数d33和相对介电常数εr均显著提高,这是由于气孔率随压力增大而减少,而压电电压常数g33的变化则与功能相的粒径有关。机电耦合系数也有着不同的变化趋势,对于6μm和126μm PZT/水泥压电复合材料,其机电耦合系数Kt和Kp随压力增大缓慢下降,而对于430μm PZT/水泥压电复合材料则呈上升趋势。当压力达到150 MPa时,其压电性和介电性均急剧减小。     

考虑压电效应时压电陶瓷圆形振子的耦合振动

在考虑压电效应的情况下，本文对压电陶瓷圆形振子的耦合振动进行了研究。根据压电陶瓷圆形振子的运动方程及压电方程，通过引入振子不同振动模式之间的机械耦合系数，分析了振子轴向及径向振动之间的耦合关系，得出了振子耦合振动的电导纳表达式，并导出了共振频率方程。与一维理论的结果相比，由本文理论得出的振子共振频率与实际测量值更加符合。     

含金属芯压电纤维的纵向振动研究

建立了悬臂杆结构含金属性芯电纤维的纵向振动模型和动态测试模型。基于第一类压电方程,推导了外加简谐激励电压时,悬臂杆结构含金属芯压电纤维的等效纵向外力;基于纵向振动理论,推导出纵向振动模型;并由电位移,得到表面电荷、电流、导纳,建立了动态测试模型,通过测量共振频率fr、反共振频fa率和低频电容,计算出压电纤维的几个主要参数：弹性柔顺系数 、机电耦合系数 、介电常数 和压电常数 。详细叙述了纵向振动模型和动态测试模型的建立过程,并给出了具体的测试方法,提供了一个实际试样的测试结果。测试结果表明,根据纵向振动模型所建立的动态测试方法可以快速、准确地测量含金属芯压电纤维的主要参数。     

矩形压电振子的多维耦合换能器理论

利用表观弹性法推导了矩形断面压电陶瓷长条和矩形压电薄板振子的二维耦合振动理论并给出了各振子的总导纳方程、多维耦合下的机电转换系数等,由总导纳方程计算了频率常数随振子几何尺寸的变化曲线。所得结果与有限差分法和有限元法的结果相当满意地符合。 这种方法比其他方法简单,可用于压电陶瓷参数的修正,复合压电振子和非压电振子的耦合振动的计算。     

含损伤梁的三维有限元压电阻抗模型及参数研究

采用有限元软件ANSYS进行数值模拟分析,构建了含损伤梁的三维有限元压电阻抗（EMI）模型。分析中考虑粘结层的影响,将压电片-粘结层-主体结构作为整体耦合系统加以考察。与实验数据以及其它研究结果进行了对比分析,验证了该有限元压电阻抗模型的有效性和精确性。考察了各物理参数对压电阻抗信号的影响,尤其是梁中裂纹的出现和发展对电阻抗谱的作用。计算结果表明该压电阻抗模型能用于结构损伤识别。最后,讨论了有限元单元尺寸的选取对高频振动分析结果的影响。     

压电-磁致伸缩双层磁电复合材料的机电谐振

基于压电相和磁致伸缩相的本构方程以及弹性体的运动方程,简要推导了一维机电谐振模式下压电-磁致伸缩双层磁电复合材料横向磁电电压系数的表达式。采用相应的材料参数计算分析了Tb_1-x Dy_x Fe_2-y (TDF)-Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)双层磁电复合材料的横向磁电电压系数与交流磁场频率的关系,以及复合材料的长度和压电相体积分数对机电谐振频率的影响。计算与分析结果表明,双层磁电复合材料在机电谐振频率处具有明显的磁电 响应特性。当有效机械品质因数为50,在谐振频率55.2 kHz处横向磁电电压系数达到峰值11.2 V·cm^-1·Oe^-1,是低频下峰值(281.9 mV·cm^-1·Oe^-1)的40倍。机电谐振频率随复合材料长度的减小和压电相体积分数的增加而上升。实验结果说明TDF-PZT双层磁电复合材料在机电谐振频率处具有显著增强的磁电效应,实际有效机械品质因数约为48。     

力电多场鼓包法测定PZT铁电薄膜的横向压电系数

为表征Pb(Zr_(0.52)Ti_(0.48))O_3(PZT)薄膜的横向压电性能,以纯力场鼓包测试模型和铁电薄膜材料压电方程为基础,推导了PZT铁电薄膜的力电耦合鼓包本构模型。采用溶胶-凝胶法制备了PZT铁电薄膜,并通过化学腐蚀法获得PZT薄膜鼓包样品。在外加电压为0~14V的条件下进行鼓包测试。结果表明,在纯力场作用下,PZT薄膜的弹性模量和残余应力分别为91.9GPa和36.2MPa;随着电压从2V变化到14V,PZT薄膜的横向压电系数d31从-28.9pm/V变化到-45.8pm/V。本工作所发展的力电耦合鼓包测试技术及力电耦合鼓包本构模型为评价铁电薄膜材料的横向压电性能提供了一种有效的分析方法。     

注射法制备1-3连通压电复合材料及性能研究

采用陶瓷注射成型技术制备PZT陶瓷阵列,经过脱脂、烧结、灌注环氧树脂以及后加工得到长径比为4~5的1-3连通压电复合材料,并对其压电性能和机电转换性能进行研究。结果表明,压电系数d_(33)达到400p C/N以上,与压电陶瓷的相当;纵横耦合比k_t/k_p在2左右,高于PZT陶瓷的纵横耦合比。     

压电双晶连接形式对振动发电机力电输出特性的影响

为了分析压电双晶体连接形式对振动发电机力电输出特性的影响,并有效改善发电机综合性能,考虑发电机机械端的力-电耦合与电路端的电-电耦合作用,利用压电本构方程建立了双晶压电悬臂式振动发电机的有限元分析动力学方程,利用ANSYS软件建立了相应的有限元机电耦合分析模型,对比分析了在相同外力激振条件下,压电双晶不同连接形式对发电机输出力特性(末端振动速度)和电特性(电压、电流和电输出功率)的影响。最后,对两种类型发电机的电输出功率进行优化分析,得到了压电双晶不同连接形式时发电机的优化负载电阻和最大输出功率。研究结果表明:串联型振动发电机的优化负载电阻是并联型发电机优化负载电阻的4倍;串联型发电机具有较大的输出电压,压电双晶并联型振动发电机具有较大的输出电流,但两者具有相同的最大输出功率。     

基于机械品质因数的全波压电超声换能器设计

针对全波压电超声换能器常规设计方法存在的尺寸参数较多、计算较复杂等问题,研究了一种利用机械品质因数设计全波压电超声换能器的方法。基于压电超声理论推导了全波压电超声换能器的频率方程,利用电学理论推导了全波压电超声换能器各组成部分的等效电路,利用等效电路求取了在任意等效截面处的等效机械阻抗,进而推导出全波压电超声换能器各部分尺寸参数与其机械品质因数的关系式。利用机械品质因数及频率方程的等高线图,对全波压电超声换能器各部分尺寸进行了设计计算。利用ANSYS对该尺寸全波压电超声换能器的谐振频率进行了仿真分析,结果表明所设计的全波压电超声换能器的谐振频率具有较高的精度,满足工程应用的要求。     

四方相铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)铁电单晶的弹性、介电、压电和机电性能

研究了四方相弛豫铁电单晶Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-38%PbTiO3(PMNT62/38)的介温特性，并利用HP4192A阻抗分析仪测量了PMNT62/38单晶完整的一套弹性、介电、压电和机电耦合系数，为理论研究和器件设计提供了参考，其居里点Tc-174℃；压电应变常量d33-300pC/N；介电常数ε33-734,ε11-4301；机电耦合因数κ33-84.6%,κt-60.8%,κ31-44.5%,κ15-45.9%。     

0.08Pb(Fe1/3Sb2/3)O3-yPbTiO3-(1-0.08-y)PbZrO3压电陶瓷性能研究

合成了钙钛矿结构的0.08Pb(Fe1/3 Sb2/3)O3-yPb-TiO3-(1-0.08-y)PbZrO3三元系压电陶瓷材料,测量并计算了不同y值时的压电常数(d33)、机电耦合系数kp、k33)、机械品质因数(Qm)以及极化前后的介电常数(εT33/ε0),对实验现象进行了简单的讨论,得出一些有益的结论;实验结果表明当选取合适的y值时可以获得压电性能良好的压电材料,如y=0.45时材料的平面机电耦合系数kp、纵向机电耦合系数k33和压电常数d33分别达到0.64×10-12C/N、0.72×10-12C/N和365×10-12C/N.