一种纳米纤维压电式压力传感器的分析与制作

为研究多铁纳米纤维在压力传感器上的应用,基于多铁纳米纤维敏感材料,利用MEMS技术、静电纺丝技术,设计制作了一种压电式压力传感器.通过对单根纳米纤维压电特性的有限元分析,得出纳米纤维直径越小,长度越大,即电极间距越大,纤维端电势越高,灵敏度越好.设计了传感器的结构尺寸和工艺过程,制作出了传感器样片.分析了在深硅刻蚀中掩蔽层保护出现的问题,提出了可行的工艺方法.     

容栅传感器谱分析与逆设计

在理论分析和实际测试容栅传感器的基础上,改进了以往的等效电路;采用谱分析方法对容栅传感器的激励信号、传递函数和输出电压进行了研究,确定其最佳形式,并根据传感器逆设计方法,给出了传感器的新型电极.     

CMO S电容式湿度传感器的测量电路分析与仿真

对与CMOS工艺兼容的电容式湿度传感器的测量电路进行了分析和仿真,为后期的湿度传感器流片成功提供了有效的保证。该湿度传感器系采用梳状铝电极结构,聚酰亚胺作为感湿介质。比较不同的测量方法,得出最优的测量电路。对测量电路进行理论推导后,对其进行模拟,得出了输出电压与相对湿度的关系图。最后,对该湿度传感器进行版图设计,并分析其后加工工艺。     

大气电场传感器信号放大电路的噪声分析与优化设计

为了解决大气电场传感器输出信号噪声大的问题,对一般电荷放大电路的噪声模型进行了深入研究,并且基于三维大气电场传感器的结构设计了低噪声信号放大电路;在万用板上对所设计的信号放大电路进行调试,通过替换电路中的积分电容,得到不同积分电容下传感器轴向感应电极的输出电压波形,并对输出波形进行对比分析,得到最理想的低噪声信号放大电路设计方案。     

电纺PANI/PEO纳米纤维传感器制备与应用

采用静电纺丝法制备了聚苯胺/聚环氧乙烷（ PANI/PEO）纳米纤维,研究了电压、接收距离对电纺PANI/PEO纳米纤维直径的影响,对电纺参数进行了优化。通过对电纺接收端的控制,制备了平行纳米纤维阵列,实现了纳米纤维的定向排布;通过对电纺射流沉积次数的控制,制备了PANI/PEO纳米单纤维传感器,并对NH3进行了气敏性测试。结果表明：当电纺电压为20 kV且接收距离为20 cm时,获得的PA-NI/PEO纳米纤维直径为105 nm,且形貌较佳,在此优化参数条件下制备的单纤维PANI/PEO纳米传感器在常温下对低浓度的NH3有良好的线性响应输出。     

立式扭矩传感器磁场与输出电压分析

扭矩传感器是汽车电动助力转向(EPS)系统中的核心部件,基于电磁感应原理提出了一种新型扭矩传感器.介绍了传感器的结构和工作原理,运用电磁场理论推导了立式扭矩传感器的磁场计算公式和输出电压数学模型.采用Ansoft Maxwell对传感器的电磁感应系统进行了建模仿真,仿真结果表明:气隙磁场强度沿圆周方向呈类似方波分布,输出电压信号类似于正弦曲线,磁场分布和输出电压的仿真结果与理论计算吻合.     

基于静电纺丝法制备P(VDF-TRFE) /石墨烯(GR)薄膜的柔性复合压电纳米发电机

提出了一种利用静电纺丝工艺制备P(VDF-TRFE)/石墨烯(Graphene,以下简称GR)复合纳米纤维薄膜的方法并对其压电性能进行了研究。首先,以复合薄膜为功能层设计并制备了柔性压电纳米发电机。使用扫描电镜(SEM)表征了复合纤维薄膜表面的微观形貌。其次,对各纳米发电机样品进行了压电响应对比实验,含0.2%石墨烯的P(VDF-TRFE)/GR纳米发电机的开路输出电压、短路输出电流峰值分别为12.3 V、1.41 μA,比纯P(VDF-TRFE)样品分别增加了大约2.0倍、2.2倍。此外,通过理论分析和周期激振测试探究了纳米发电机电响应输出的影响因素和规律,证实在激振器驱动信号150 mV^300 mV振幅、10 Hz^30 Hz频率的范围内,其开路输出电压随着其振幅和振动频率增大而增大,电容充电效率随其振幅增大而增大。     

压电纤维复合材料悬臂梁发电性能分析

研究了压电纤维复合材料悬臂梁俘能器的电学特性,使用有限元法分析了叉指型电极结构尺寸、压电纤维和基板材料厚度对输出电压的影响,并将同等尺寸的d33和d31模式压电纤维材料悬臂梁俘能器发电能力进行对比分析.结果表明:叉指电极结构尺寸对工作于d33模式的压电纤维材料悬臂梁俘能器输出电压影响较大.d33模式俘能器具有能产生高电压、低电流值的特点,当压电纤维和基板材料的最佳厚度比为0.75时,俘能器产生电荷量最大.而d31模式俘能器具有能产生低电压、高电流值的特点,当压电纤维和基板材料的最佳厚度比为0.6时,俘能器的输出电压最大.相对于d33模式压电纤维材料,工作于d31模式压电纤维材料更适合作为发电材料使用.     

基于热容原理的小管径气液两相流传感器设计

为了识别小管径内气液含量,设计了一种参比铂电阻电极、工作铂电阻电极和加热器复合结构的传感器.基于液体与气体热容率不同,在管道进出口设计了铂电阻电极,采用温度调理电路和温度加热电路实现测量,传感器输出高低电压信号可以区别气液含量.实验结果表明,管径内气体体积小于测量管段体积的50％时,传感器输出低电压信号值0 V;管径内...     

一种仿生感觉毛气流传感器

模仿昆虫感觉毛的结构,设计制备了表面对称电极含金属芯PVDF气流传感器SMPF(Symmetric Metal core PVDF Fiber).利用自制的拉制纤维设备,制备了SMPF胚体.在表面涂镀对称电极后,经过高温极化、电极封装等工艺后,成功制备了SMPF气流传感器.基于第1类压电方程和流体力学理论,建立了悬臂梁结构的SMPF气流传感模型,分析了传感器输出信号与纤维长度、气流速度以及气流作用方向之间的关系.将悬臂梁结构的SMPF安置在气流流场中,进行冲击气流测试实验.实验结果表明,SMPF气流传感器的输出信号与纤维长度成非线性关系,与气流速度成平方关系,与气流作用方向成"8"字形关系.实验结果验证了理论模型,表明SMPF传感器能够感知气流的速度和作用方向,具有较广泛的工程应用前景.     

ZnO压电薄膜声传感器的有限元分析

阐述了ZnO压电薄膜声传感器的结构和工作原理,并用ANSYS 9.0对压电薄膜声传感器进行了静态分析、模态分析和谐响应分析。通过静态分析,得到压电薄膜声传感器的灵敏度为16.4 mV/Pa;模态分析得出了传感器的第一阶固有频率为12.379 kHz;谐响应分析则获得感应电压与动态外力频率之间的关系。这些分析为此类声传感器的设计提供了理论依据。     

基于无线传感器网络的压电能量收集技术

随着物联网的发展,多节点的传感器供电成为关键问题,由于环境中普遍存在低频振动,采用了压电悬臂梁结构,建立压电悬臂梁结构的电学模型,并进行了ANSYS的仿真,仿真得到电压76 V,约等于模型的理论值,验证了模型的正确性。进而继续研究了压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响,振子越长,质量块越长,频率越低。从而收集低频振动环境中的能量,为传感器供电装置提供了设计的理论依据。     

微型之字形压电式能量收集器输出电压的建模和仿真

为了有效解决无线传感器网络节点的供电难题,提出之字形结构的微型压电式能量收集器。相比于传统的直悬臂梁,此结构等效加大了压电梁的长度,降低了系统的固有振动频率。建立了之字形压电梁的本构方程和受迫振动方程,推导得到其输出电压的频域表达式。基于之字形压电梁的结构,利用ANSYS软件对其进行了谐响应分析。仿真结果表明,压电梁的输出电压在各阶固有振动频率处存在极值,符合理论分析的结果;输出电压大小随压电梁长度增加而降低,随压电梁宽度增加而升高,但均为非线性关系;压电梁末端质量块的长度和厚度、基体层厚度减小时,会导致输出电压的增大。在论文中所提出的结构尺寸下,10根直梁构成的之字形结构压电梁,在其一阶固有振动频率处,输出电压可达10 V以上,符合无线传感器网络节点的实际供电需求,证明了之字形压电梁结构的有效性。     

压电超材料单元设计及在弹性梁减振中的应用

超材料是将不同性质的材料按照某种规律组合在一起形成的一种周期材料.由于其对弹性波的传递会产生带隙效应,因此在噪声控制、减振隔振等领域得到重视.本文设计了一种压电超材料,通过压电材料元胞的周期性排列,产生频率带隙,以获得减振效果.结构尺寸及厚度小,可以粘贴在主结构上.首先分析了设计的压电超材料色散特性;其次,利用压电超材料对悬臂梁结构进行了减振研究,分析了若干个元胞组成的压电超材料对梁振动能量的调控,并结合压电片上的电压曲线;最后,研究了分流电路中的电阻值和电感值对压电超材料梁减振特性的影响.提出此类压电超材料的进一步改进方向.     

基于ANSYS的声表面波氢气传感器压电分析

设计了声表面波氢气传感器的结构,利用ANSYS软件建立了声表面波传感器的有限元模型,并对SAW氢气传感器进行了仿真,最后用数据处理软件Origin分析了敏感薄膜的材料参数对传感器输出的影响.传感器通人1 000× 10-6的氢气后,钯膜的厚度、密度、弹性模量等发生了相应改变,进而导致输出电压、频率等发生改变.分析表明:...     

一种采用压电复合音叉的电流传感器研究

针对当前非接触电流测量方式存在的灵敏度低、结构复杂等问题,本文提出了一种采用压电复合音叉的电流传感器用于非接触低频微弱电流测量,其结构由永磁体、弹性音叉、压电片及底座组成.当该传感器处于电线周围交变磁场中时,永磁体在磁场作用下产生扭矩并驱动弹性音叉臂及压电片产生形变;因压电效应,形变的压电片两端电极之间输出交变电压信号,从而实现电流的测量.由于磁扭矩效应,这种传感器具有较高的谐振灵敏度,大约是压电悬臂梁式电流传感器的4.0倍;在负载电阻为10 MΩ、频率为41.7 Hz时,灵敏度可达1.393 V/A,线性度约为0.57%.这种压电复合音叉式电流传感器模型还可以应用于微弱振动、磁场信号探测等.     

电阻应变式力传感器低频冲击频率测量电路设计

针对采用压电式力传感器、冲击力传感器测量冲击频率存在成本高、安装不便等问题,设计了一种电阻应变式力传感器低频冲击频率测量电路。该电路根据电阻应变式力传感器的工作原理,首先采用放大电路将传感器输出信号放大,然后运用电压比较电路产生方波信号,最后采用单稳态触发电路对方波信号整形,从而得到标准的方波信号。实际应用表明,该电路工作稳定,测量精度较高。     

MEMS压电-磁电复合式振动驱动微能源的设计

在单一效应的MEMS振动驱动微能源的基础上,提出了一种MEMS压电-磁电复合振动驱动微能源器件。该微能源由八悬臂梁-中心质量块结构和永磁铁两部分组成,环境振动使中心质量块振动,PZT压电敏感单元由于压电效应产生电势差;同时中心质量块上集成的高密度线圈切割磁感线产生感应电动势,将压电转换与磁电转换相结合把振动能转换为电能。建立了该结构的数学模型并用有限分析软件Ansys12.0对该器件进行力学特性分析,最后对加工出的微能源进行性能测试。测试结果表明,该微能源谐振频率为8 Hz,易与环境发生共振;在共振条件下,施加1 gn 的加速度,器件压电发电开路输出电压峰峰值达154 mV,磁电发电开路输出电压峰-峰值达8 mV,有望为无线传感网络节点提供稳定的能源。     

新型水泥基压电传感器的基本性能研究

开发一种可用于土木工程监测的水泥基压电传感器。该传感器是采用特制的封装材料将压电陶瓷片粘结在两个水泥立方体间而制成的。通过频率扫描及幅值扫描两种加载制度对传感器的频率独立性、线性度等基本性能进行测试,并通过复杂荷载、随机荷载及方波荷载对该传感器的性能进行进一步验证。试验结果表明本文提出的水泥基压电传感器在土木工程结构的自振频率范围内具有很好的频率独立性,同时在传感器输出幅值和输入荷载幅值间存在高度的线性关系,能够准确反映各种复杂荷载。由此可知,本文开发的水泥基压电传感器适用于土木工程结构的性能监测。     

Deflection of coupled elasticity–electrostatic bimorph PVDF material: theoretical,FEM and experimental verification

Piezoelectric materials have wide applications in the field of mechanical, aerospace and civil engineering because of its voltage dependent actuation. Piezoelectric material goes through voltage generation whenever deflection is induced in it and vice versa. Piezoelectric bimorph beam has been widely used for sensing and actuating. In the actuation mode, an electric field is applied across the beam thickness, one layer contracts while the other expands. This results in the bending of the entire structure and tip deflection. In the sensing mode, the bimorph is used to measure an external load by monitoring the piezoelectric induced electrode voltages. In this research work, a 2D bimorph piezoelectric actuator model having two layers made of polyvinylidene fluoride (PVDF) material was developed to examine the inverse piezoelectric effect. Finite element analysis (FEA) was carried out on specially designed actuator model by using MATLAB Partial Differential Equation (PDE) Toolbox™. Theoretical analysis has been carried out to measure the tip deflection under applied electric field. The laboratory test was performed to investigate the deformation behavior of piezoelectric actuator. It is observed that, more the electric field applied, more the material would be deformed in a particular direction. The experimental results are in good agreement with numerical results.