环境振动能收集系统的微型压电悬臂梁设计与制作

研制长寿稳定电源已经成为微型无线传感网络中的关键技术之一,现有的化学电池容量有限,需要不断的逐个更换耗尽的电池,难以满足无线传感网的实际应用.本文提出利用压电材料的机电耦合特性收集环境振动能,该类型微电源有望成为MEMS提供长期电能.首先分析了利用压电材料收集振动能的原理,对微型悬臂梁结构的设计进行了简单的分析,重点介绍了用MEMS工艺加工微型悬臂梁的工艺流程.悬臂梁结构采用体硅和面硅加工工艺相结合,体硅工艺包括湿法和干法刻蚀硅及表面层结构,金属Pt层刻蚀等,面硅工艺包括溅射金属薄膜和利用Sol-Gel方法在Si/SiO2/Ti/Pt衬底上制作锆钛酸铅(Pb(Zr0.52Ti0.48)O3,PZT)压电薄膜等.经过反复工艺实验研究,确定一套稳定的微型压电能源的制作工艺流程.     

用于振动能量收集的MEMS压电悬臂梁

本文介绍了一种MEMS悬臂梁器件,将环境中的振动机械能转化为电能.该悬臂梁的主体材料为单晶硅,其上覆盖一层用Sol-Gel法制备的PZT压电材料,利用压电材料的正压电效应实现机电能量的转换.论文给出了悬臂梁式振动能量收集器的一个简单理论模型.器件采用(110)硅基片,有利于通过湿法腐蚀制备质量块.质量块可以用来降低器件的谐振频率,并提高输出电功率.尺寸参数为3600μm×270 μm的器件样品的测试结果表明,在其谐振频率1673Hz,振幅为11nm的振动条件下,该器件的最大输出功率大于1nW,即0.11 μW/cm2.     

单压电片悬臂梁式压电俘能器效能分析

以线性压电理论为基础,建立了单压电片悬臂梁式压电俘能器的输出功率与压电结构的构型、驱动频率以及外载荷阻抗等物理参数之间的解析关系。数值计算结果表明,优化负载阻抗、金属层厚度以及金属层材料可有效提高俘能器的俘能效率。文中还将单压电片悬臂梁式压电俘能器与双压电片悬臂梁式压电俘能器进行了对比,理论分析结果表明当外界机械振动的频率较稳定时,前者具有更高的俘能效率。     

悬臂梁压电发电装置的实验研究

为了进行压电陶瓷材料发电性能测试与研究,研制了一套悬臂梁压电振子发电系统.设计了悬臂梁压电振子,并对压电振子进行了有限元分析和电导测试.在此基础上,设计了能量存储电路,并在低频下对悬臂梁压电振子发电性能进行了实验研究.研究结果表明,当悬臂梁压电振子处于谐振频率状态下振动时,输出电压和功率达到最大.输出电压随着负载的增大而增大,输出功率并不随着负载的增大而增大;压电振子存在-个最佳阻抗,当负载与最佳阻抗匹配时,此时压电振子的能量转化效率最高且输出功率最大.利用本实验系统进行压电发电实验测试,当负载为50 kΩ时,压电振子输出电压为7 V;当负载电阻为15 kΩ时,此时的输出功率最大可达到1.4 mW,产生的功率可以满足无线传感器等低耗能产品的供能需求.     

悬臂梁压电振动能采集器的集总参数模型和实验验证

压电振动能采集器是无线传感节点的一种理想电源,近年来受到广泛关注．考虑质量块和逆压电效应影响,建立了在基础激励作用下的悬臂梁压电振动能采集器的集总参数运动微分方程,得到了采集器固有频率的解析表达式．引入了2个反映压电层连接方式的常数,建立了对单压电层、双压电层并联和双压电层串联的悬臂梁压电振动能采集器均适用的耦合电路方程．求解以上方程,得到了简谐基础激励下的输出电压表达式．实验结果表明,固有频率和输出电压表达式的相对误差分别小于10％和20％．     

新型压电驱动微流体混合器实验

鉴于MEMS技术的工艺复杂性及昂贵的制作成本,对基于MEMS技术的压电驱动微流体混合器的结构进行了改进．利用常规的激光加工方法制作了不同尺寸的混合器,并通过实验对其性能进行了研究．结果显示,新型混合器在雷诺数为6．9、悬臂梁振动频率为200Hz、驱动电压为60V时达到充分混合所需的通道长度仅为1．1mm．这比现有的混合器在性能上有很大的提高。基本可以满足目前大多数微流体系统应用的需要．     

用于微电池的压电悬臂梁电特性仿真

研究了一种带质量块的压电悬臂梁结构,利用压电薄膜的正压电效应将机械能转化成电能,可以用于振动能的收集。利用有限元分析软件ANSYS对结构进行建模,通过模态分析和谐波分析得到：悬臂梁在一阶模态时上下振动,形成恰当的工作状态;通过改变梁的各个几何参数和振动源的频率,得到了悬臂梁上下电极间峰值电压的变化情况;当振动源的频率为悬臂梁的一阶共振频率时,得到的峰值电压最大。     

行波压电微泵的制作和测试(英文)

微泵是微流体芯片发展水平的重要标志.为提高微泵的工作性能,提出了一种新型行波驱动的压电微泵.在设计了不同的微管道结构(锯齿形微管道和直微管道)的基础上,对压电执行器和微管道进行仿真分析和优化设计.采用热键合工艺制作具有不同微管道的微泵,在不同频率的驱动信号下测定行波微泵的频率特性,同时也测量了微泵流速与背压的关系曲线以及电压幅值特性.相比于直管道微泵,锯齿形管道微泵具有更好的工作性能,在26 V驱动电压下,其最大平均流速和背压分别达到33.36μL/min和1.13 kPa.     

电压激励的压电层合悬臂梁横向振动分析

以压电陶瓷-金属-压电陶瓷对称层合结构为研究对象,基于能量法得到了等截面压电层合对称悬臂梁在横向激振电压下的强迫振动微分方程。用ANSYS软件对建立的相关有限元模型进行模态分析、谐响应分析及瞬态动力学分析,仿真结果与理论值基本吻合,验证了理论的正确性。进一步分析了阻尼对横向位移响应的影响,讨论了速度、加速度随时间的变化规律,分析了压电悬臂梁的最大应力出现位置及最大应力值随时间的关系。所得结论可为压电振子的设计和分析提供必要理论参考。     

压电陶瓷激励微悬臂梁的动态特性

结合流体中微悬臂梁振动频率响应的理论模型,通过实验、理论计算和基于流固耦合的有限元仿真3种方法,分析了在空气和去离子水中不同结构、尺寸的微悬臂梁的谐振频率、品质因子以及幅频响应曲线,并对3种方法得到的结果进行了对比.结果显示,空气中各种方法得到的谐振频率较为吻合,相对于实验值的偏差在1%以内.去离子水中,梁谐振频率的理论值和仿真值基本一致,而实验值则较大,前两者相对于实验值的偏差在13.9%～27.3%之间;对于品质因子,理论值和仿真值依然较一致,但相对于实验值出现较大偏差,最大达70.5%.分析表明,对于液体环境下压电陶瓷激励的微悬臂梁,频率响应曲线中干扰峰的存在会严重影响微悬臂梁品质因子的准确测量.微悬臂梁动态特性的研究对基于微悬臂梁的传感器的设计优化和液相原子力显微术的应用具有一定意义.     

简谐及随机激励下柔性悬臂梁振动主动控制的实验研究

利用压电陶瓷作为传感器,对根部施加了简谐、随机激励的柔性悬臂梁的振动主动控制进行实验研究。在使用数字滤波器的基础上,实现了对前两阶模态的控制,效果明显。比较了应变率负反馈和应变正反馈控制律的控制效果。并且进一步采用应变率负反馈探讨了SIMO控制。     

柔性悬臂梁振动主动控制实验研究

以压电陶瓷为作动器，并采用独立模态控制法，对冲击载荷作用下的大柔度悬臂梁前三阶模态进行了振动主动控制研究。实验结果表明，使用独立模态控制方法，能有效地抑制悬臂梁的振动，控制效果非常明显。采用模态滤波和相移控制器进行模态分离和相位调节，可获得最大结构阻尼，取得良好的动态控制效果。     

喷涂机悬臂梁的正弦激励参数振动分析

目的自动式喷涂机喷涂效率和质量较低与其在工作过程中受激产生振动密切相关,需要进行参数振动分析,以提高喷涂机系统的稳定性。方法首先建立喷涂机力臂-喷枪系统的正弦激励悬臂梁的弯扭耦合振动模型,对系统的参变方程进行有限差分离散处理,得到系统的质量和时变刚度矩阵,然后运用时间离散和Matlab振动工具箱进行求解和分析。结果喷涂机系统的固有频率随时间的变化情况近似于正弦,且随着激励振幅和激励频率的增加都有趋于增大。当激励幅度大于3cm时,系统的振动幅值会急剧增加,说明弯扭振动发散,系统趋于不稳定。当激励频率大于150rad/s时为不稳定区域;激励频率小于150 rad/s时系统的大部分区域趋于稳定;同时在激励频率等于95 rad/s附近系统不稳定。结论喷涂机悬臂梁在不同激励参数条件下具有复杂的振动行为,研究其振动特性对提高自动式喷涂机的稳定性和效率具有重要的指导意义。     

具有附加单面点约束悬臂梁的自由振动

本文研究了具有附加单面点约束的悬臂梁,由指定的初始条件诱发的有阻尼自由振动问题,提出了求解具有双线性或分段线性的连续系统多线性模态振动的时间子域法。用该法进行求解和数值计算,所得到的结果与实验结果有良好的一致性,因而能成功地解释实验中所发现的,该系统在作衰减自由振动时表现出的种种有趣的动力行为,诸如,附加单面支撑点反力幅值的调制现象等等。     

压电悬臂梁的动力学建模与主动控制

为计及压电层的刚度特性,基于一阶剪切变形理论推导压电层合梁的抗弯刚度,由Hamilton变分原理建立压电层合梁的有限元模型,采用模态叠加方法对有限元模型降阶。在应变最大处配置制动器和传感器,基于鲁棒极点配置算法对低阶系统设计状态反馈,配置极点至期望位置。把针对低阶系统设计的控制器作用于原系统以实现振动主动控制。数值算例验证了这种力学建模方法和控制器设计方法的有效性。     

悬臂梁动力吸振器的理论分析与试验

针对经典质量-弹簧系统吸振器动力参数固定不可变的局限性,设计一种由连续梁及质量块组成的新型悬臂梁式动力吸振器,建立吸振系统理论模型,确定质量块在悬臂梁不同位置时的吸振频率,并且基于ADAMS动力学仿真软件得到系统的频率响应特性,分析吸振器的吸振性能,最后实验验证悬臂梁式吸振器良好的吸振效果。结果表明,悬臂梁式吸振器动力吸振可行有效,吸振参数连续可调.     

不同频率激励下LY12铝合金悬臂梁的疲劳特性

为了研究激励频率对悬臂梁结构疲劳特性的影响,本文针对LY12铝合金悬臂梁在不同频率(139Hz、141Hz、143Hz)激励下进行了同一应力水平的振动疲劳试验。结果表明:该结构的疲劳特性在不同频率激励下存在差异。在激励频率高于固有频率振动时,结构疲劳寿命最长;激励频率低于固有频率振动时,结构疲劳寿命较短;在固有频率振动时,结构疲劳寿命最短。     

振动能量流的测量不确定度评定

介绍了管壁振动能量流的测试方法和不确定度来源,并进行了详细的分析和评定.     

Suppression of Motion-induced Residual Vibration of a Cantilever Beam by Input Shaping

Input shaping is an effective means for suppressing motion-induced residual vibration of lightly damped structures. Here, to demonstrate the ideas of various input shaping schemes for continuous structures, the model system of a cantilever beam, whose base is to be displaced by a prescribed distance, is considered. The cantilever-beam motion is modeled by the damped Bernoulli-Euler beam equation, and is then decomposed into normal vibration modes. For the particular system set up here, the modal equations of motion are linear and uncoupled, and consequently are integrated analytically. It is then shown that, by completing the cantilever base movement in a series of properly calculated steps (i.e., by shaping the input command of the dynamical system), so as to annihilate the dominant vibration modes through destructive interference, the overall induced vibration of the cantilever can be significantly suppressed. In particular, the “zero-vibration” (ZV) and “zero-vibration-and-derivative” (ZVD) input shaping schemes previously proposed for discrete systems are adapted and applied to the continuous beam here. The theoretical results are also supported by experiments.