旋磁激励式圆形压电振子发电机

为满足旋转机构监测系统自供电需求,设计旋磁激励式圆形压电振子发电机,并着重研究磁铁尺寸、磁铁间距、压电振子厚度等对压电振子一次受激产生的最大输出电压及总能量的影响规律。结果表明,其它条件确定时,增加磁铁尺度或减小磁铁间距均可有效提高发电机输出电压及有效速带宽度。试验获得输出电压大于12 V的转速范围为100~2 850 r/min。压电振子厚度对输出电压及总发电量均有较大影响,低转速时采用薄压电振子、高转速时采用厚压电振子有助于提高发、供电能力。0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm厚压电振子最佳转速分别为707.5 r/min、1 301.8 r/min、2 490.4r/min,0.2 mm厚压电振子一次受激产生的电能/功率分别为0.4 mm、0.6 mm压电振子的3.1/1.7倍、6.4/2.0倍。以输出5 V供电电压为例,912 r/min时0.4 mm厚压电振子输出电能为0.6 mm厚压电振子的5倍,1710 r/min时0.6 mm厚压电振子的输出电能为0.4 mm压电振子的1.7倍。     

基于压电阻抗技术监测混凝土强度发展的实验研究

本文基于压电阻抗（EMI）监测技术,对混凝土立方体标准试块的强度发展进行了监测。制作3种不同配合比的标准试块,将压电片粘贴于标准试块表面和埋置于体内,用精密阻抗分析仪HP4294A提取压电片在不同养护龄期时的电导纳信号,并测试相应标准试块的抗压强度。试验结果表明,随着混凝土养护龄期的增长,表面粘贴和体内埋置两种压电片的电导频谱均发生了变化,但是变化形式不同。对表面压电片,得到了其共振频率的变化量与标准试块抗压强度之间的定量对应关系;对内置压电片,通过引入指标δ建立了电导频谱与标准试块抗压强度的定量关系。本文工作表明采用EMI技术监测早龄期混凝土在硬化过程中强度发展是一种可行且可靠的无损检测方法。     

一种带谐振腔的压电风能收集器

为了提高风能收集器的能量转化效率,提出了一种带谐振腔的压电风能收集器。建立了该压电风能收集器的数学模型,该模型考虑了风流体、结构振动以及输出电能之间的关系。基于该模型进行了仿真分析,获得了收集器结构参数、风速对发电能力的影响规律。制作了风能收集器样机,并进行了实验,结果表明,在2~12 m/s的低风速范围内,带有谐振腔的压电风能收集器的输出电能要大于不带谐振腔的收集器。     

一种振动失调反射光学系统模拟计算的实验分析方法

在光学元件动力学计算模型和光线传输失调模型建立的基础上,形成了一种振动失调反射光学系统的模拟计算方法。分别通过模态实验和振动台实验对系统模型进行验证和修正。实验和模拟的结果对比表明:修正后元件动力学模型的模态参数计算结果和实验结果偏差在5%以内,修正后振动失调反射光学系统模拟计算结果与振动台测试结果偏差在17%以内,得到了可靠的振动失调反射光学系统模拟计算方法,为光学系统的抗振性能分析和减振分析奠定理论基础。     

基于压电智能材料的自适应吸声实验研究

提出了用压电材料进行水下主动宽带低频吸声的方法,用PVDF复合智能材料作为主动吸声系统中的吸声材料,在滤波-X LMS算法基础上,研究了一种在工程中实现简便的次级通道建模方法——通道时延估计法。构建了数字时延控制系统,直接从实际声场中分离入射声波与反射声波作为控制系统的参考信号和误差信号,在脉冲声管中进行了管道声有源吸声控制实验。实验结果表明,在施加控制的情况下PVDF压电智能材料能有效地对低频入射声进行吸收。     

柔性板压电作动器的优化位置与主动控制实验研究

对柔性悬臂板主动控制中作动器的优化位置进行研究,其中作动器采用压电形式,优化算法采用粒子群方法,指标函数采用基于能量的可控Gramian优化配置准则。仿真和实验结果显示,粒子群优化算法能够有效地对作动器的优化位置进行计算,尤其适用于多个作动器的位置优化问题,基于作动器最优位置的控制设计能够取得良好的控制效果。     

一种空间润滑装置的流固耦合振动

面向空间润滑中常采用的被动润滑不及时的问题,提出一种主动润滑方法。为了达到主动润滑的目的,提出了一种结构简单易于加工的压电微喷润滑装置。压电微喷装置的固有频率和振型对液滴形成和喷射效果具有重要作用。首先建立考虑压电-流固耦合和压力波传播效应的等效模型。进而利用有限元法对整个装置的固有频率和相应的振型进行分析。最后利用激光测振仪对整个机构实际的振型和固有频率进行测量。通过结果对比验证此流固耦合模型的有效性和方法的实用性。     

基于拓扑优化的压电分流阻尼抑振实验研究

将结构拓扑优化引入压电分流振动抑制中,以压电元件的分布面积为设计变量,压电元件产生的电荷最大化为优化目标,对压电元件的拓扑进行了优化以获得最佳抑振效果。针对悬臂梁结构,得到了对不同的结构模态进行抑制时的压电元件最优拓扑构型。建立了带有压电分流阻尼系统的悬臂梁振动控制实验模型,将压电元件拓扑优化后的压电分流阻尼系统应用于悬臂梁多阶弯曲模态的振动响应抑制实验,并对比分析了带最优拓扑和非优拓扑压电元件的悬臂梁压电分流阻尼抑振效果。结果表明,对压电元件进行拓扑优化可以明显提高压电分流阻尼系统的抑振效果。     

Cymbal压电发电换能器有限元分析

通过建立Cymbal压电发电换能器的机电耦合有限元分析模型,计算分析了换能器结构参数对输出电压和谐振频率的影响以及外接负载对Cymbal换能器输出电压和输出功率的影响。研究表明,为了降低换能器的工作频率和提高换能器的输出电压,应增大换能器的空腔底部直径和减小换能器的空腔高度;在选择金属端冒和压电陶瓷厚度等参数时,应综合考虑换能器系统的刚度和外界振动源的频率特性和加速度特性;在任意一个频率点上,Cymbal换能器均存在一个最佳的外接负载,使得换能器的输出功率最大,而这个最佳的负载阻抗就等于Cymbal换能器在这个工作频率点上的输出阻抗。文中还提出并分析了基于外加预应力的多振子级联方式Cymbal压电发电换能器系统的结构。     

复合材料层板冲击剪切实验技术研究

基于HOPKINSON杆冲击剪切试验技术、复合材料层板的材料性能及应用特点的分析,对“杆-管”冲击剪切动态力学性能实验技术进行了改进优化,解决了输入杆跳动、同轴调节困难、结果分散大等实验技术问题。根据输入杆、输出管和复合材料试样的匹配分析,确立了输入杆、试样和输出管针对动态冲击剪切实验的约束尺寸条件。通过有限元数值分析,研究了预置剪切间隙对冲击剪切的影响,研究认为0.2mm～0.3mm间隙设计对Ф14.5mm输入杆冲击 2mm～4mm层板试样的冲剪试验是合适的。冲击剪切实验数据表明,加载率对玻纤增强复合材料层板的动态剪切力学性能影响明显。     

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.     

Analysis of a circular arc-crack in piezoelectric materials

This paper is concerned with the development of a model for the treatment of a circular arc-crack in piezoelectric materials under antiplane shear and inplane electric field using the complex variable method. The problem is formulated in terms of the analytical continuation principle and complex series expansion, and as a result is reduced to two Riemann–Hilbert problems. The resulting closed form solution was then used to obtain the electroelastic field intensity factor and the energy release rate. Unlike the electric enthalpy release rate, the internal energy release rate is always positive and can thus be used as a more reliable fracture parameter in piezoelectric materials. It is also observed that the crack configuration has a significant influence upon the energy release rate. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

锆钛酸铅压电陶瓷PZT7的形状记忆效应研究

提出了一种新的方法可以使锆钛酸铅压电陶瓷PZT7具有形状记忆效应.用自制的sawyer-Tower电路测试得到PZT7方形样品发生极化反转对应的电场强度大约为130kV/cm.当施加对称的饱和极化电压370V时,PZT7/Si(109/146μm)悬臂梁端部的变形一电场曲线呈现典型的"蝴蝶"形状.在外电场为0时,悬臂梁端部的变形为0.如果施加不对称的极化电压,悬臂梁端部的变形--电场曲线发生明显的变化.不同的反向极化电压使悬臂梁端部产生不同的变形,而且,电压和变形是一一对应的.因此,在外电场为零时,PZT7/Si悬臂梁可以具有多个不同的稳定位置,表现出明显的形状记忆效应.实验表明,对于长度为15.5mm的PZT7/Si悬臂梁而言,当施加的反向极化电压从120V回到0时,悬臂梁端部产生的变形最大,为68.5μm.     

Experimental investigation on the piezo-composite actuator with piezoelectric single-crystal layer

Studies on muscle mimicking actuators have increased in the last two decades due to the possibility of various applications for compact lightweight actuators including small unmanned aircrafts, missile, and biomimetic robots. Piezoelectric materials have been used in a variety of applications ranging from shape control of structure and active vibration control of structure to noise suppression due to compact size and good frequency response. Conventional polycrystal piezoelectric ceramic materials, however, have limited actuating strains and displacement, hindering their use in actuators for small aerospace vehicles. In this study, the design and fabrication method of an actuator with a piezoelectric single-crystal layer were investigated to increase the actuation strain and displacement. From a comparison of the performance of the LIPCA-C2 and LIPCA-S prototypes, it was found that the new LIPCA-S2, which has much higher coefficient of the unimorph actuator, can generate an actuating displacement more than twice that of LIPCA-C2.     

铌酸钠钾基压电陶瓷的电场诱导介电特性

采用传统的固相反应合成法制备了0.9(K0.5Na0.5)NbO3-0.1LiSbO3(KNN-LS)无铅压电陶瓷,研究了它在不同直流偏置电场下的介电常数的频谱,并分析了直流偏置电场诱导下的相对介电常数变化值Δrε和调谐率K.随着偏置电场的增大,Δrε和K都变大,这与传统的钛酸锶钡陶瓷类的材料结果相反.同时,随着频率的增加,Δrε和K都减小.Δrε随偏置电压的增加而增大,意味着在高的电压下,样品的色散效应增大,其原因可以用空间电荷的极化理论来解释.另外,在外加偏置电压不高的情况下(3 kV/cm),就可以获得相对较大的调谐率1.17%.     

Fundamental propositions of a general theory of radio-frequency generator and measuring antennas

Fundamental formulas, which, within the framework of the physical model employed, describe the generation and measurement of electric field strength, are presented. __________ Translated from Izmeritel'naya Tekhnika, No. 8, pp. 44–47, August, 2008.     

钝体结构对纵振式压电气流发电机性能的影响

为满足管道监测系统的自供电需求,提出一种复合钝体扰流纵振式压电气流发电机.介绍了发电机的结构、工作原理.通过理论分析与实验测试研究了钝体结构对其性能的影响,证明了发电机原理的可行性.研究结果表明:平均阻力随流速及直径比增加呈二次方增长,平均阻力系数随直径比的增大而增大,最后趋于稳定(5.34);对于柔性钝体发电机,直径...     

Multi-objective optimization of a triple layer piezoelectric bender with a flexible extension using genetic algorithm

This article presents an electromechanical analysis for a piezoelectric bimorph actuator with a flexible extension, which is used to increase the tip deflection. The performance measuring attributes of such an actuator are derived, and a genetic algorithm is used for multi-objective optimization. The analysis reveals that for a thick flexible extension, the length of the extension provides Pareto optimal solutions for multi-objective optimization. The analysis also shows that as the thickness of the flexible extension decreases, the Pareto optimal solutions converge to a single solution for multi-objective optimization. We have considered nonlinear deflection behavior of piezoelectric materials at high electric fields, and series and parallel electrical connections in the analysis.     

3-2型压电复合材料的静水压特性研究

基于压电复合材料的串并联理论以及等效参数理论,推导了3-2型压电复合材料的等效性能参数的计算公式,并针对PZT5/环氧树脂618构成的3-2型复合材料,将计算值与实验结果进行了比较,对理论公式进行了验证,结果表明二者吻合较好.应用理论公式对3-2型压电复合材料的压电性能进行了分析,得出3-2型压电复合材料比1-3型压电复合材料具有更高的静水压压电常数,同时确定了3-2型复合材料中压电陶瓷体积百分比的优选范围.