双晶压电悬臂梁俘能器的建模与仿真

针对双晶片悬臂梁式压电俘能器的优化问题,考虑悬臂梁末端位移与质量块质心位移的差异,对Roundy数学模型进行了修正.通过ANSYS有限元软件对俘能器建模并进行模态分析和谐响应分析,当质量块长度逐渐变大时,修正后数学模型对俘能器一阶固有频率和输出电压有更好的预测精度.研究了质量块形状和负载对俘能器输出特性的影响规律,发现在质量块质量不变时,提高质量块的质心高度能提高俘能器的发电能力,对俘能器的结构优化具有借鉴意义.     

钹式换能器等效压电系数理论分析

将钹式换能器端帽视为圆板与锥壳的组合体,应用板壳理论,对钹式换能器金属端帽进行了力学分析,明确了端帽对压电元件的作用力。基于压电理论,对压电元件进行分析,确定了钹式换能器等效压电系数,并与已有实验数据进行对比分析。结果表明,所给出的等效压电系数最大误差小于5%,具有较高的计算精度。进而,讨论了端帽小端半径、大端半径、壁厚、锥半角和压电元件厚度对钹式换能器等效压电系数的影响,为钹式换能器优化设计提供了依据。     

基于MC的生物膜多功能压电换能器研究

频率特性与生物膜的位置和大小的关系是设计多功能生物传感器的关键.设计了微悬臂梁MC(Micro Cantilever)、压电元件和生物膜组成的多功能传感器,用有限元方法分析了微悬臂梁的弯曲振动模型的固有频率与节点位置的关系,确定了如何选择固定两种生物膜的位置和大小的方法,实验和模拟结果表明正交节点位置的质量变化使频率具有正交响应.验证了利用有限元的频率振动模型分析设计多功能压电换能器的有效性.进而分析了设计可测量纳米质量的生物膜多功能MC的可能性.     

压电陶瓷换能器收发系统幅频特性建模与分析验证

压电陶瓷超声波系统是实现物体探测的重要方法。本文基于压电陶瓷换能器收发系统的等效电路模型,通过引入声波衰减系数建立了发射换能器激励电压与接收换能器输出电压间的关系,并求解出了该等效电路模型的传递函数。实测数据与传递函数仿真数据对比表明,收发系统幅频特性的仿真曲线与实测曲线基本一致,验证了所给等效电路模型与传递函数的正确性。     

Cymbal型压电换能器电压-位移特性建模与分析

通过对Cymbal换能器压电陶瓷片受力分析,给出了其压电方程的边界受力约束条件,建立了Gymbal型压电换能器电压-位移函数关系模型.模型计算结果与试验结果吻合.并利用该模型,给出了Cymbal换能器几个关键参数对等效压电常数de33的影响规律.这些结论对Cymbal换能器的敏感参数误差控制、大批量生产工艺优化、性能指...     

压电发电悬臂梁的非线性动力学建模及响应分析

以单晶悬臂梁压电发电装置为研究对象,在考虑压电材料非线性的情况下,利用广义Hamilton原理、Rayleigh-Ritz法、Euler-Bernoulli梁理论及压电元件恒定电场假设建立了悬臂梁压电发电装置的分布式机电耦合模型,通过数值计算分析谐振频率附近解的特性与系统参数及初始条件的关系,揭示了压电材料非线性、外激励参数对系统响应的影响规律,并通过实验验证了解析解的正确性.结果表明,压电材料的非线性特性会导致近似解的共振峰向左偏移,呈现软特性的非线性特征;当激励频率变化时,系统响应存在多解、跳跃等现象,主共振解的真正实现与初始条件的选取有关.     

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.     

硅微压电超声换能器的设计与制作

介绍了一种用ZnO薄膜作为压电层的硅微压电式超声换能器(PMUT).该硅微压电换能器的振动基膜采用LPCVD制作的氮化硅薄膜和PECVD制作的二氧化硅形成的复合振动膜结构.文中运用有限元方法对该硅微压电换能器的结构进行了模拟和计算,并进行了预应力对硅微换能器共振频率的影响的分析.实验测得硅微压电式换能器的共振频率为71.36 kHz.本文还使用该硅微超声换能器在油中进行了初步的共振频率点收发信号的实验,接收实验测得信号峰峰值为9 mV左右,发射实验标准水听器接收信号峰峰值为0.8 mV左右.     

基于AlN的压电MEMS超声换能器阵列

针对目前超声换能器机电耦合系数较低的问题,本文设计了一种以氮化铝(AlN)为压电材料的微机电系统(MEMS)超声换能器阵列以提高机电耦合系数.在COMSOL Multiphysics中用模态分析确定了超声换能器工作在一阶模态下有最大的声场输出,并给出了其声场传播示意图.通过对超声换能器在工作状态时的应力分析,计算出当上...     

双晶片悬臂梁式压电传感器的有限元仿真研究

压电传感器作为一种便捷、高效的传感器类型,越来越受到人们的青睐.为研究压电传感器机电耦合能力,将压电高聚物聚偏氟乙烯(PVDF)黏结而成的压电双晶片悬臂梁作为研究对象,利用有限元分析软件ANSYS Workbench,首先完成对模型的构建和模态分析,得出模型的固有频率和固有振型,再建立压电材料的压电本构方程,对压电双晶片悬臂梁模型发电量进行模拟仿真,最后将仿真结果与前人研究结果相对比.分析得出:在10 mm的形变量下,能够产生最大320 V左右的瞬时电压,这与前人的研究结果相近,验证了仿真结果的准确性,同时也证实了压电双晶片悬臂梁作为压电传感器的可行性.     

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。     

超声液体环境下压电式振动能量采集的研究

针对在液体环境下工作的器件不利于直接供能这一难题,制作了一种可在液体环境下工作的振动能量采集器,采用压电悬臂梁结构在液体环境中采集水中的超声能量,在32 kHz超声频率激励下,最高获得了5.04V的输出电压.通过改变超声波与悬臂梁的相对方向及液体盐分质量分数,发现能量采集器在超声液体环境下工作的发电效率随盐分质量分数的...     

悬臂梁式压电双晶片振动能量采集器的模型与实验研究

针对悬臂梁式双压电晶片振动能量采集器的质量效应问题,通过幅值修正方法建立了能量采集器的集总参数修正模型,利用阻抗分析和导纳圆法对模型参数进行了识别,得到了采集器在简谐基础激励作用下的机电耦合输出传递函数表达式;建立了悬臂梁压电振动能量采集器的实验系统,实验与仿真分析了悬臂梁末端质量、负载电阻等对能量采集器输出特性的影响,结果表明理论仿真结果与实验结果具有很好的吻合度,证明本文模型有利于提高压电振动能量采集器输出性能的分析预测精度。     

压电折叠梁微执行器的低电压优化设计

采用理论分析和有限元数值模拟相结合的方法,对压电折叠梁微执行器在低电压下工作时的器件结构进行优化设计。首先通过理论分析获得优化的器件结构参数,再通过有限元模拟验证理论分析结果。在器件设计中,通过综合考虑制造工艺、工作条件、器件应用的可靠性,对压电悬臂梁长度、单晶硅层厚度、折叠梁级数,以及工作电压进行折衷优化,获得低电压应用时最佳的器件参数。     

悬臂梁大变形的向量式有限元分析

为分析悬臂梁的几何非线性行为,用向量式有限元法将结构离散成质点系以及质点间的连接单元.根据牛顿第二定律得到每个质点在内力和外载荷作用下的运动方程以及悬臂梁在每个时刻的变形用该时刻质点系的运动表示.结合刚架元的节点内力和等效质量得出质点位移的迭代计算公式,采用FORTRAN编制计算程序,对悬臂梁分别承受集中载荷和弯矩下的大变形进行算例分析.计算结果与理论解吻合较好,表明该方法能很好地模拟分析悬臂梁的大变形.     

一种宽频的磁式压电振动能量采集器

基于环境能量采集的压电振动能量采集器为无线传感器和微机电系统的长期供能提供了一种有效解决方案.目前研制的压电式振动能量采集器存在工作频率高,且频带窄的问题.给出了一种通过磁力的引入使其在低频下工作的、宽频的压电振动能量采集器,并搭建了测试系统对器件进行分析测试.在压电悬臂梁上放置永磁铁取代传统的质量块,同时在悬臂梁的上...     

压电纤维复合材料层合壳的非线性动力学研究

本文对横向激励作用下的1-3型压电纤维复合材料层合壳进行了非线性动力学分析,并研究了压电特性对结构振动响应的影响.首先建立了压电纤维复合材料层合壳的非线性动力学方程,并且在已知的几何结构和材料特性基础上考虑了电场属性.然后根据位移边界条件,选择合适的振型函数,通过Galerkin方法将运动控制方程转化成两自由度的非线性常微分方程.通过数值模拟方法分析了横向激励和压电系数对压电纤维复合材料层合壳非线性振动特性的影响.通过波形图、三维相图、庞加莱图和分叉图等来研究壳体不同类型的周期和混沌运动.结果表明,外激励作用下结构存在复杂的非线性振动响应,同时压电参数对层合壳结构振动响应具有很强的调节作用.     

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。     

全叉指电极d33模式压电悬臂梁俘能器研究

为了克服表面叉指电极d33模式微机电系统(MEMS)悬臂梁振动俘能器中存在的压电材料极化不完全、存在弯曲电场等问题,提出了一种电极贯穿于整个压电层的全d33模式MEMS悬臂梁振动俘能器.根据机电耦合模型,分析了电极尺寸与材料厚度对压电俘能器输出功率的影响.优化结果表明:当硅基底厚度为20μm、电极宽度1μm时,电极间距最优范围为25～75 μm,PZT材料最优厚度为7μm,归一化后得到功率密度为34.5mWcm-3gn-2.通过在表面叉指电极d33模式俘能器的基础上增加电镀电极工艺,设计了不锈钢基底的全d33模式MEMS俘能器的工艺流程,完成了部分单元工艺.