交叉指形电极压电纤维复合材料静电场优化

采用有限元法分析了外电压作用于交叉指形电极(IDE)压电纤维复合材料时的静电场分布,讨论了静电场对元件极化和动作性能的影响,研究了电极区聚合物的介电常数和厚度尺寸及其IDE分支电极宽度和电极中心距对压电纤维复合材料静电场的影响.结果表明:增加电极区聚合物的导电性或减小电极区聚合物的厚度,压电纤维复合材料静电场可以得到显著提高,同时,元件横向应变可以提高108倍,横向应力可以提高43倍;IDE参数对电场的均匀区域大小和电场强度大小影响比较大.     

1-3-2型复合材料的面板应力放大作用研究

在1-3-2型压电复合材料上表面覆盖金属面板,不仅可以解决电极引出困难的问题,而且面板的应力放大作用可以提高复合材料的压电性能.本文利用有限元分析方法分析面板应力放大作用产生的原因,讨论面板的杨氏模量、泊松比和厚度对应力放大作用的影响.研究结果表明选用较小杨氏模量,较大泊松比的金属材料作为面板能有效地提高1-3-2型压电复合材料的压电性能.对于不同材料的金属面板,其最佳厚度的选取范围是不同的,只有选择了适当的厚度,才能最大限度地发挥面板的应力放大作用.     

含金属芯压电纤维的传感特性研究

基于设计和工程实用性的需要,建立了含金属芯压电纤维压电传感器的理论模型。根据本构关系方程,推导出悬臂杆结构含金属芯压电纤维受轴向力和轴向应变后产生电荷的解析表达式;分别计算了不同半径比、含钨芯和铂金芯的压电纤维受到固定轴向力和固定轴向应变时产生的电荷值,分析了金属芯性能和半径比对产生电荷的影响。试验比较了不同长度和半径的压电纤维的准静态和动态应变传感性能,测试了等强度梁的固有振动频率。试验结果表明,该传感器具有较高的准静态和动态应变传感灵敏度,最高达0.163nC/με;具有较好的冲击振动传感性能。     

微直径压电纤维压电应力常数的测量方法

基于1-3型压电纤维复合材料的细观力学模型与压电纤维压电常数的测量方法,探讨了一种新的测量细微直径压电陶瓷纤维压电应力常数的方法。阐述了这种等应变法的测量原理,分析了实现等应变测量压电应力常数的条件,制作了测量试件,用实验验证了这种测量方法的可行性,为细微直径压电陶瓷纤维的压电常数测量提供了一个有效途径。     

基于压电纤维传感器的Lamb波传播方向识别

利用压电纤维对Lamb波传感的良好方向性,将3根压电纤维按0°,45°和90°布置并固化在聚合物基体中,制成压电纤维传感器用于检测Lamb波传播方向。理论推导了窄带激励下压电纤维对Lamb波的方向传感响应特性,通过压电耦合仿真分析和实验测试研究了不同频率下压电纤维的方向传感特性,提出了一种基于误差函数的主应变方向估计方法,分析对比了直角三角形(0°,45°,90°)、Y形(0°,120°,240°)和等边三角形(0°,60°,120°)3种压电纤维布置方案下主应变方向识别结果。研究结果表明,压电纤维传感器具有良好的Lamb波传播方向检测性能,可为无需Lamb波波速的缺陷识别方法提供传感技术支持。     

交叉指形电极压电纤维复合材料的优化设计

交叉指形电极压电纤维复合材料是1-3型压电复合材料的新成员,以提高其驱动应变为目的,采用有限元软件ANSYS分析了其驱动特性,并给出了组分材料特性对驱动性能的影响规律。结果表明：采用低弹性模量、高泊松比的压电相和聚合物相有利于提高压电片的驱动应变;聚合物相的介电常数对驱动应变影响最大,采用高介电常数的聚合物相可以使其驱动应变明显提高。     

压电纤维复合材料在结构减振中的应用

介绍了压电纤维复合材料,并利用该材料设计了自传感驱动器,并将其应用于梁的频响辨识。将该材料用于飞机垂尾的减振系统,目的是为了抑制在飞行过程中产生的振动和测试压电纤维复合材料在尾翼振动主动控制方面的性能表现。试验结果表明,该材料具有良好的传感和驱动性能,并且减振效果优于压电陶瓷。     

基于Lamb波的压电陶瓷/环氧树脂复合材料传感器制备及应用

风力机叶片、飞机机翼等结构均为大面积曲面板类结构,基于Lamb波的结构健康检测技术对细微损伤比较敏感,是目前最具应用前景的技术之一。传统的Lamb波传感器大都采用PZT陶瓷制成,质地脆且硬度大,不能适应于曲面结构检测。将PZT陶瓷粉末与环氧树脂复合制备了一种新型柔性0-3型压电复合材料,研究了质量比、极化电场、极化温度和极化时间等因素对压电复合材料性能参数的影响,开展了多因素正交实验来确定材料制备的最优极化工艺参数。实验研究了该压电复合材料制成的传感器对Lamb波的传感响应特性,与现有的MFC、PVDF和传统压电片等传感元件的响应特性进行了对比分析。将制备的传感器应用于翼型曲面板,利用椭圆定位方法进行损伤检测。研究结果表明,PZT陶瓷/环氧树脂压电复合材料传感器具有良好的传感响应特性,能够很好地贴合于曲面板表面,与只能部分耦合于曲面板的传统压电片相比,采集的Lamb波信号更加准确,从而为曲面板类结构健康监测提供一种新型的柔性压电传感技术。     

玻璃电极的测量机制及分析

根据固体物理理论，结合实际的规测测量情况，研究分析了玻璃电极的电位产生机制，为自动控制领域中玻璃电极做为在线测量传感元件的研究提供可参考的理论模式。     

半电极含金属芯压电纤维的弯曲振动模型

建立了悬臂梁结构的半电极含金属芯压电纤维(HMPF)的弯曲振动模型和动态测试模型。基于外加电压时的等效弯矩,推导了悬臂梁结构的HMPF的弯曲振动模型;用第一类压电方程,推导了外加简谐激励电压时,HMPF的表面电位移、电荷和导纳,建立了动态测试模型,通过测量共振频率fr、反共振频率fa和低频电容CLF,得到HMPF的弹性柔顺系数s1E1、机电耦合系数k31、介电常数ε3T3和压电常数d31。叙述了弯曲振动模型和动态测量模型的建立过程和测试步骤,测试了3根HMPF样品,得到各参数的平均值,s1E1为16.856×10-12 Pa-1,k31为0.179,ε3T3为2 251,d31为-103.621pC/N。测试结果表明所建立的动态测试方法可以快速、准确地测量HMPF的主要参数。     

电纺压电聚偏二氟乙烯有序纳米纤维及其在压力传感器中的应用

针对传统静电纺丝法制备聚偏二氟乙烯(PVDF)压电纤维工艺复杂和效率低等问题,提出了采用滚筒收集方式制备PVDF有序纳米纤维的方法。通过改变滚筒转速收集纤维,得到了有序程度不同的PVDF纤维膜。用傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析了有序纤维膜β晶相的含量,并利用NI数据采集卡在相同条件下测试了纤维膜的压电特性。结果表明:随着滚筒转速提高,纤维有序度增强,β相的含量提高,压电电压输出也明显增大,由此得知滚筒转速变化对β晶相的含量及压电输出电压的影响规律基本一致。基于得到的结果,设计制作了利用该有序PVDF纤维膜的压力传感器,并在不同气压下进行了动态响应测试。结果显示:所制备的PVDF有序纤维压力传感器在0.145~0.165 MPa下的电压输出随气压的增加呈线性增大,表现出了良好的线性度,其灵敏度达179mV/kPa。采用该种方法制备PVDF纤维对研制动态压力传感器极有意义。     

基于Sagnac的分布式光纤传感声学传感器

介绍了一种基于Sagnac的分布式光纤声学传感器. 这种声学传感器通过光电探测器、 数据采集卡、 滤波器和音频放大将3×3耦合器处干涉的光信号转换为电信号且实现音频信号的还原. 为了研究此分布式光纤声学传感器的性能, 分析了基于零频点实验声源扰动定位的原理, 并运用快速傅立叶变换将时域信号转化为频域信号显示声源扰动产生的零频点. 实验结果表明, 基于Sagnac的分布式光纤声学传感系统可以很好地实现声音信号的还原和定位.     

半电极含金属芯压电纤维的驱动特性研究

半电极含金属芯压电纤维是一种新型的压电传感器和驱动器。金属芯位于纤维的中心位置,外面包裹着压电陶瓷部分。金属芯可以用作一个电极,覆盖在纤维一半表面上的金属层作为另一个电极。在表面电极和金属芯上外加电压后,由于压电效应,整个压电纤维将产生弯曲变形。建立了这种悬臂梁结构压电弯曲驱动器的理论模型,导出了自由端位移、夹持力和弯曲共振频率的解析表达式;并用理论计算和有限元分析方法研究了金属芯对这三个参数的影响。结果表明：这种驱动器有较大的端部位移、较小的夹持力、较低的弯曲共振频率。最后用实验方法验证了理论结果。     

宽频压电振动能量采集器的分布参数模型与实验

为解决无线传感网络节点自供电问题,提出了一种带有弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器。利用Hamilton原理和Raleigh-Ritz方法,并考虑悬臂梁末端质量块的影响,建立了压电能量采集器的分布参数机电耦合模型;数值分析了能量采集器质量比、刚度比和阻尼比等参数对系统振动特性、输出特性的影响;研制了实验原理样机,搭建了实验测试平台,验证了数学模型的正确性。研究结果表明,分布参数模型比集总参数模型具有更高的预测精度。     

Stability and free vibration analysis of thick piezoelectric composite plates using spline finite strip method

In the present study, a spline finite strip with higher-order shear deformation is formulated for stability and free vibration analysis of piezoelectric composite plates. At each knot, the electric potentials on the surfaces and middle plane of each piezoelectric layer are taken as nodal degrees of freedom. However, if a continuous electrode is installed on the surface of the layer, the electric potential on the electrode is changed to structural degree of freedom, so that the equipotential condition on the electrode is automatically satisfied. The analysis can be conducted based on Reddy's third-order shear deformation theory, Touratier's “Sine” model, Afaq's exponential model or Cho's higher-order zigzag laminate theory. Consequently, the shear correction coefficients are not required in the analysis, and an improved accuracy for thick plates over the first-order shear deformation theory is achieved at only little extra computational cost.The numerical results obtained based on different shear deformation theories are presented in comparison with the three-dimensional solutions. The effects of length-to-thickness ratio, fiber orientation, boundary conditions and electrical conditions on the natural frequency and critical buckling load of piezoelectric composite plates are investigated through numerical examples.     

Dynamic analysis and structural optimization of a fiber optic sensor using neural networks

The objective of this work is to apply artificial neural networks for solving inverse problems in the structural optimization of a fiber optic pressure sensor. For the sensor under investigation to achieve a desired accuracy, the change in the distance between the tips of the two fibers due to the applied pressure should not interfere with the phase change due to the change in the density of the air between the two fibers. Therefore, accurate dynamic analysis and structural optimization of the sensor is essential to ensure the accuracy of the measurements provided by the sensor. To this end, a normal mode analysis and a transient response analysis of the sensor were performed by combining commercial finite element analysis package, MSC/NASTRAN, and MATLAB. Furthermore, a parametric study on the design of the sensor was performed to minimize the size of the sensor while fulfilling a number of constraints. In performing the parametric study, the need for a relationship between the design parameters and the response of the sensor was fulfilled by using a neural network. The whole process of the dynamic analysis using commercial finite element analysis package and the parameter optimization of the sensor were automated within the MATLAB environment.     

Note: Piezoelectric strain voltage sensing at ultra-low frequencies

Piezoelectric sensors have emerged as a versatile tool for measurement of various quantities such as pressure, acceleration, strain, or force across many industrial applications. When mechanically strained, electric charges are produced inside a piezoelectric transducer. These charges result in an electric field that may be measured as a voltage difference between two electrodes, from which the strain can be inferred. To measure this voltage the sensor must be interfaced with an external device that would typically have a finite input impedance. This, together with the capacitive nature of the piezoelectric sensor, results in an inability to measure strain at low frequencies. We propose a method, based on using a varactor diode in an oscillator circuit, which can result in accurate measurements of the piezoelectric voltage at ultra-low frequencies. We demonstrate successful measurements at 1 mHz.