热场作用下预紧结构与压电传感器输出的研究

压电石英三向力传感器受热影响会导致输出信号产生偏差。基于温度均匀分布假设分析了压电传感器预紧结构在温度影响下的热变形规律,得出施加在压电石英上的热应力是传感器输出信号偏差的主要原因的结论。利用有限元软件对预紧结构加热过程中压电石英所受载荷变化过程进行分析,结果表明,随着热量的流入,压电石英在预紧力施加的方向上的应力变化为-3 315 kPa。最后,基于信号偏差的分析结论改进传感器的预紧结构,并设计对比实验进行验证。在240 s的加热过程中,改进后测力仪的预紧方向输出信号变化不大于4 mV,能够抑制由温度变化引起的输出信号偏差,提高测试准确性。     

压电动态拉应力传感器研究

该文提出一种用于混凝土结构内部动态拉应力测量的嵌入式应力传感器,在介绍其基本工作原理和结构的基础上,设计制作了拉应力传感器灵敏度标定装置,对一组传感器试样进行动态拉应力测量灵敏度标定。研究了压电陶瓷预加压应力下传感器输出电压与拉应力水平的线性关系,并比较了在不同预紧力水平下传感器的灵敏度。试验结果表明,制作的传感器输出电压与动态拉应力线性相关度较好,预紧力的施加可进一步提高线性相关度,且所制作的不同传感器间的灵敏度差异小。     

压电阵列Lamb波损伤监测信号一致性补偿方法

Lamb波结构损伤监测是结构健康监测领域的研究热点之一。针对基于压电阵列的Lamb波损伤监测研究中因传感器性能差异引起的信号偏差问题,通过分析Lamb波信号的激励、传播和传感过程,利用压电阵列中等距离传播通道直达波传递函数相同的特点,提出了窄带激励下的压电传感器机电耦合系数归一化补偿,实现对结构响应信号的一致性补偿。实验验证表明,该方法能在一定程度上抑制因压电传感器性能差异引起的信号偏差,提高了监测结果的准确性。     

基于盘型对称驱动的惯性冲击旋转压电马达

该文提出了一种基于盘型对称驱动的惯性冲击旋转压电马达。该马达主要由定子、转子、驱动足和预紧装置组成。马达激励信号为锯齿波信号,采用压电叠堆激励实现马达高功率输出。马达通过螺杆将定子与预紧装置装配于一体,实现了马达结构紧凑化与微型化。设计加工了马达样机并通过实验验证了马达的工作原理,对马达的综合性能进行了分析和测试。测试结果表明,当马达预紧装置施加的预紧力为1 N,输入激励电压峰-峰值为80 V,激励信号频率为1 kHz,且每输出一个周期锯齿波,激励信号延迟100 ms再输出下一个,以研究马达静态启动特性和步长,测得马达的最大空载速度达到3.05 r/min,平均步长为0.032 rad;激励信号频率为3 kHz时,马达的最大空载速度达到9.1 r/min,马达最大负载可达16.2 N·mm;马达在0.5~3 kHz激励信号频率范围内均可实现转动。     

基于PVDF压电传感器的采摘机械手研究

针对目前果实采摘机械手无法准确自主判断抓取力度的问题,利用聚偏氟乙烯(PVDF)的压电敏感特性,研究出一种基于PVDF压电薄膜传感器的果实采摘机械手。通过采集PVDF压电薄膜传感器输出信号判断果实采摘机械手对应抓取力的变化,利用模糊控制理论控制电机实现果实抓取。同时加入过力保护功能,当测得的抓取力大于预设值时,机械手停止抓取。实验结果表明,基于PVDF压电传感器的采摘机械手能够可靠地实现果实抓取。     

石英称重传感温度漂移抑制的软件方法

石英称重传感器的输出信号中的温度漂移噪声是一阶或一阶以上连续的，而称重激励信号的变化是离散的。基于这两个显然不同的信号特征，本文作者提出了一种应用石英谐振称重传感器自身输出频率采样的差分值消除温度漂移造成的传感误差的方法，不采用任何其他的温度补偿元件和电路。这种方法还可以同时消除由于其他各种因素所产生的连续漂移噪声，噪声抑制精度可以由采样时间间隔确定。文中详细分析了差分方法抑制漂移噪声的原理，给出了相应的处理算法和在石英谐振称重传感器中应用和实验结果数据。     

基于压电波动测量的套筒灌浆缺陷检测试验

套筒灌浆连接是当前装配式建筑中受力钢筋的主要连接方式,其灌浆质量是影响装配式混凝土结构性能的关键因素之一。运用压电陶瓷材料的驱动和传感功能,该文提出了一种基于波动分析的套筒灌浆缺陷主动检测方法,并通过试验验证其可行性,通过数值模拟分析其机理。在套筒连接钢筋表面粘贴压电片,测量健康试件和设置有不同尺寸缺陷试件上压电陶瓷传感器的输出信号,并对小波包能量进行分析和比较。结果表明,灌浆缺陷导致压电陶瓷传感器输出信号的电压幅值增大,小波包能量指标与套筒灌浆缺陷尺寸大小相关。该法能对套筒内灌浆缺陷进行有效检测。     

环境温度变化压电智能骨料信号稳定性试验研究

研究了压电智能骨料在环境温度变化时的信号稳定性问题,并明确其变化规律及分析原因,为基于压电智能骨料的混凝土结构健康监测奠定基础。将预先埋设压电智能骨料的小尺寸素混凝土梁置入恒温试验箱中,改变箱内温度并记录不同温度下的压电智能骨料信号能量值,利用试验数据拟合出信号能量值与温度之间的关系。试验结果表明,压电智能骨料信号幅值受温度影响变化明显且表现出明显的非线性变化规律及符合压电材料机电耦合系数随温度变化的规律,其原因是由于压电陶瓷材料本身弹性常数随温度变化,并在宏观上体现为机电耦合系数的变化。     

压电双晶片阵列式直线驱动器的设计与研究

基于压电双晶片提出一种新型准静态直线压电驱动器,可通过阵列的方式获得所需机械输出力,结构简单,性能稳定,可控性强。利用有限元软件对驱动器结构进行设计与分析,并加工制造了该驱动器的物理样机。最后通过实验发现,当驱动频率为500~2 100Hz时,驱动器可直接输出直线运动。当驱动频率为1 100Hz,驱动电压峰-峰值为200V,预紧力为1.5N时,该驱动器最大输出速度可达95mm/s,最大输出力为0.7N。     

电荷放大器对石英传感器动态特性的影响

用控制理论对压电石英传感器的等效电路、电压放大器、电荷放大器对压电式传感器动态特性的影响等进行了深入的分析与研究。通过对电压放大器与电荷放大器的系统传递函数的分析指出,压电电压测量系统可等效为1阶环节和2阶惯性环节。由于1阶系统的存在,导致系统不能测量直流信号和变化比较缓慢的信号。该电压测量系统的缺点可通过加电荷放大器来改善,此时压电电荷测量系统的稳态灵敏度为d/CF,它只依赖于电荷放大器的反馈电容,与石英晶体和连接导线的电容无关。从而指出为了充分利用石英传感器,应用时最好连接电荷放大器。     

压电测力仪尺寸参数对测试精度影响研究

针对大量程比、小力值压电测力仪,分析了测力仪结构尺寸对测试精度的影响。采用理论与有限元分析相结合的方式分析可得,测力仪自身刚度不足引起的变形将增大测力仪向间干扰,降低测试精度。测力仪上盖厚度、中心孔径及传感器跨距尺寸参数是导致测力仪刚度不足,影响测力仪测试精度的关键因素。通过对某小力值测力仪进行尺寸参数优化设计,各项固有频率均在4 kHz以上,动态性能优良;标称力值作用下,最大向间干扰为3.33%,测试精度提高33.4%     

新型压电三向钻削测力仪的设计与实验研究

为了克服以往压电三向钻削测力仪采用石英晶片较多,因此装配工艺很高,调试麻烦,制造成本很高的缺点,设计出只采用4片压电石英晶片就可以同时测量出钻削过程中产生的扭矩、径向力、轴向力的压电三向钻削测力仪。介绍了该测力仪的工作原理及设计方法,并对其进行静动态标定实验。实验结果表明每项指标均达到国际生产工程研究会-切削科学技术委员会规定的标准。它具有灵敏度和固有频率高,线性和重复性好的优点。且其结构简单,易装配和调试,成本较低,具有广阔的应用前景。     

基于归一化标定的压电测力仪测试精度研究

分析归一化标定时,加载力偏差对压电测力仪矢量力测试精度的影响。通过对理论推导可得,归一化标定加载偏差使电荷放大器归一化灵敏度改变,并增大了横向干扰输出,导致测力仪对矢量力测量产生偏差,降低了测试精度。通过实验对小力值矢量力进行测试,调整加载杆连接方式减小加载力偏差,测力仪横向干扰降低38.8%以上,矢量力参数不确定度最多减小53.9%。     

预约束应力作用下的激光弯曲成形仿真工艺研究

提出了一种预约束应力作用下的激光弯曲成形新工艺 ,研究了不同的加载模型 ,通过施加预载荷 ,使板料加热区材料产生期望的预应力分布。针对激光弯曲成形的特点 ,建立了三维热力耦合模型 ,采用有限元方法实现了预约束应力作用下的激光弯曲成形工艺过程仿真。分析了在预载荷作用下 ,板料的激光弯曲成形机理。研究表明 ,该工艺不仅可大大提高板料的弯曲成形效果 ,而且只要合理控制预载荷的方向和大小 ,即可控制激光弯曲成形的变形方向。板料弯曲角度随预载荷的增加而显著增大 ,两者呈指数关系     

石英MEMS陀螺的结构特性分析

介绍了石英微机电系统(MEMS)陀螺的工作原理及敏感芯片的音叉结构特点,采用有限元法分析了敏感芯片的结构特性,并对结构进行优化。利用石英晶体的压电效应,设计了合理的电极布局,并结合敏感芯片结构特点介绍了其微机械加工工艺。通过结构优化和合理的电极布局,提高了石英MEMS陀螺的性能。     

多通道石英微天平振动耦合分析

应用明德林的二维压电板理论，用有限元方法求解并分析了两圆形石英晶体微天平(MQCM)的设计参数对频率耦合的影响。通过选取合适的尺寸设计参数，可有效地使两圆形石英晶体微天平(QCM)的耦合减少到最小，指出振动耦合现象的产生是由一谐振元的基模能与另一谐振元的泛音模发生强烈耦合引起的；提出了优化设计MQCM的建议。     

石英微机电陀螺的频率干扰特性研究

石英微机电陀螺是一种哥氏（Coriolis）振动陀螺,其敏感芯片采用音叉式结构,工作时音叉处于谐振状态。敏感芯片具有多阶模态,前9阶模态覆盖频率为3~21 kHz。敏感芯片的部分模态易受外部振动影响而导致敏感芯片产生共振,使陀螺产生零位偏移误差,陀螺的零位偏移误差可达0.5 （°）/s。该文分析了敏感芯片模态共振误差机理,提出通过结构错频设计避免外部环境特定频率对敏感芯片的影响,从而抑制了零位偏移误差,零位偏移误差减小到约0.03 (°)/s,提高了陀螺的振动环境适应性。     

三向压电式动态车削测力仪的性能研究

基于压电式动态车削测力仪在测试过程中信号的动态监测与结果分析,采用有限元法对测力仪结构进行了热结构分析,得出其在切削热作用下温度场分布,同时采用模拟实验的方法对有限元分析结果进行了验证。从而得出测力仪在动态测试时,切削热对其性能的影响规律。两种方法均证明了切削热对压电车削测力仪的影响,为改进测力仪的结构提供了理论基础,对改善测力仪的性能起到了很好作用,可广泛用于传感器弹性元件优化设计工程。     

直流驱动电压下的压电陶瓷特性研究

采用了基于迈克尔逊干涉仪平台的光干涉法,测量了压电陶瓷在直流驱动电压下的非线性迟滞特性曲线,提出了描述非线性迟滞程度的两种形式,进而分析非线性迟滞程度在不同起点电压、伸长位移量下的变化趋势。通过加循环电压测量了压电陶瓷的滞回曲线,分析了影响压电陶瓷线性和非线性因素的变化,且给出了压电陶瓷灵敏度的变化曲线。