BTO NWs/PVDF柔性复合薄膜的制备及其压电性能研究

该文通过两步水热法制备了钛酸钡纳米线（BTO NWs）,采用旋涂法与聚偏氟乙烯（PVDF）复合制备BTO NWs/PVDF复合薄膜。系统地研究了水热反应中不同NaOH浓度、不同反应时间及不同BTO NWs掺杂量对BTO NWs/PVDF复合薄膜压电输出性能的影响,并与商用钛酸钡纳米球（BTO NPs）制备的BTO NPs/PVDF复合薄膜进行了压电性能对比。结果表明,当NaOH浓度为10 mol/L,反应时间为10 h时,BTO NWs/PVDF复合薄膜开路电压和短路电流分别可达5.42 V和1.81 μA。当BTO NWs掺杂量(质量分数)为20%时,复合压电薄膜的开路电压可达9.34 V,短路电流可达2.15 μA,分别是BTO NPs/PVDF复合薄膜输出电压和电流的1.92倍和1.49倍。当负载电阻值为5 MΩ时,BTO NWs/PVDF复合薄膜输出功率可达1.44 μW。经过4 000次循环敲击测试,BTO NWs/PVDF复合薄膜表现出良好的机械稳定性,其有望在自供电器件、柔性可穿戴电子设备等领域得到广泛应用。     

基于PVDF压电传感器的微型扑翼机升力特性研究

采用一种新型方法测量微型扑翼机升力变化特性.在微型扑翼机机翼表面布置一矩形聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜作为传感器,根据PVDF输出信号判断微型扑翼机对应的升力变化,与传统扑翼机升力变化特性实验研究相比,该方法具有简单、快捷、准确等优势.同时该文研究了微型扑翼飞行器在水平放置及迎风状态时的升力特性曲线,探讨了扑翼频率、飞行速度及扑翼的迎角对扑翼飞行升力的影响.     

基于PVDF/GO纳米复合薄膜的柔性压电传感器

为了解决有机柔性压电传感器压电输出较小的问题,设计了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)掺杂氧化石墨烯(GO)的柔性压电传感器.介绍了该传感器的制备方法,对比了有无掺杂GO对传感器压电输出性能的影响,并且分别对它们进行了相关测试.结果表明,掺杂质量分数0.5％的GO后,PVDF中的p相结晶度提升了16.7％,且传感器具有更高...     

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。     

PVDF压电薄膜传感特性研究

聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜是一种压电高分子材料,它具有独特的压电效应,被广泛应用于振动测量等各个领域。但对于压电薄膜在受到外加应力时其输出特性的研究较少。该文理论分析了PVDF压电薄膜的传感机理和电路等效模型;然后利用COMSOL软件进行仿真;最后实验研究了PVDF压电薄膜在不同激励振幅、激励频率及外加应力下的动态响应。研究结果表明,压电薄膜输出信号的幅值与薄膜振幅成线性关系,与所受外加静态应力无关。     

基于ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜的压电纳米发电机

采用简单的一步水热法合成了自支撑的氧化锌纳米棒(ZnO NRs)@还原氧化石墨烯(rGO)复合材料,通过旋涂法制备ZnO@rGO/聚偏二氟乙烯(PVDF)柔性复合薄膜压电纳米发电机。研究结果表明,ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能随ZnO@rGO掺杂质量先增大后减小,当ZnO@rGO的质量分数为3.0%时,输出电压可达9.06 V,输出电流可达0.74μA,与仅掺杂3.0%ZnO NRs的ZnO/PVDF纳米发电机相比,其输出电压和电流分别提高了120%和124%。当负载电阻为10 MΩ时,ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机输出功率最大为5.79μW。经过4 000次循环测试表明,该文所制备ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能稳定。该纳米发电机可以监测人体行走和跑步姿势,记录运动次数。有望作为自供电压力传感器件植入可穿戴电子设备中。     

PVDF压电纤维仿生柔性传感器水下传感特性研究

感知器官对于许多动物必不可少,尤其是生活在水下的生物。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)为材料,模仿水生动物海豹的触须设计制备了一种表面四电极PVDF压电纤维仿生柔性传感器。利用激振源测试所制备的传感器性能,包括输出不同的波形测试对不同激励的感知,对水动力的感知及对水下运动物体方向的感知。实验结果表明,该传感器对不同激励的感知性能很好,速度检测极限可达0.15 mm/s,且有良好的方向性检测能力,对水下情况感知的应用前景广。     

PVDF压电传感器的性能研究

分析了聚偏二氟乙烯（ＰＶＤＦ）制作的具有触觉、滑觉、温觉的仿生皮肤传感器的结构，研究其压电特性，建立仿生皮肤的分析模型。     

基于PVDF压电膜片的光声探测器制备及应用

非共振光声红外气体检测系统因其结构简单,成本低和检测灵敏度高的特点,具有较好的应用前景。该文提出了以聚偏氟乙烯(PVDF)压电膜片为微压敏感元件的非共振光声探测器,利用ANSYS对压电膜片进行了有限元分析,设计制备了双膜片结构微压敏感元件,其中PVDF压电膜片厚度为20μm,尺寸为10mm×5mm。设计了包含吸收腔和补偿腔的双腔室结构,并完成了光声探测器的封装。将光声探测器应用于非分光红外(NDIR)气体检测系统,探测器的输出信号与CO_2气体浓度有较好的线性关系,最低理论检测浓度约为29×10~(-6)。     

PVDF压电薄膜在足底压力测量中的应用

根据测量的需要,该文将聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜应用于足底压力测量。以16点PVDF压电薄膜传感器阵列为例,详细介绍了PVDF压电薄膜的工作原理及其传感器阵列的制作过程,并设计出相应的信号调理电路,给出了实验测试结果。实验表明,PVDF压电薄膜具有较好的灵敏度、稳定性及重复性,能可靠采集到足底压力信号,适合于足底压力测量。     

沥青路面内矩钹形压电俘能器性能仿真分析

提出一种新型矩钹形压电俘能器用于收集沥青路面振动能量。矩钹形俘能器包括2个矩钹形端帽和1个矩形陶瓷片,2个端帽黏贴在矩形陶瓷片上、下表面。当外压力作用在2个端帽的顶部,外压力通过端帽的变形转换成陶瓷片的张力,陶瓷片变形产生电压。建立了单个矩钹形俘能器的有限元模型并分析了埋设在路面下40mm的输出电压,结果表明,单个俘能器可产生约21.355V电压。研究了俘能器的结构参数对其输出电压的影响,为俘能器的设计提供参考。为大面积收集沥青路面振动能量,设计了垂直和水平两种矩钹形俘能器阵列。用有限元方法分析了两种俘能器阵列在路面下的力电特性,结果表明,两种阵列形式的俘能器都比串联单个俘能器所输出的电压高。     

一种悬臂曲梁压电俘能器研究

提出了一种基于压电悬臂曲梁式能量采集器。采用曲梁式结构能在较小空间范围内提高压电体的表面积从而提高了能量采集效率,同时曲梁结构还能较好的适应微机电系统对压电俘能器严格的尺寸限制。该文假设该悬臂曲梁式压电俘能器仅处于面内振动状态,并定义了其位移模式。仿真结果表明,随着曲率半径的增大,压电俘能器的俘能性能随之提高,当基底材料的弹性常数和密度均较小时,即使没有集中质量的调节,该曲梁式压电俘能器仍能在较低的谐振频率下俘获周围的振动能量。     

悬臂梁基底对压电俘能器输出响应的影响分析

悬臂梁的材料与结构对压电俘能器的输出响应具有重要影响。为了研究在1.5～5.8 m/s低风速环境下不同基底材料对接触式压电俘能器的影响,该文选择聚氯乙烯(PVC)、304不锈钢、1060铝和H68黄铜材料为基底的柔性聚偏氟乙烯(PVDF)压电悬臂梁结构,并进行了对比实验与分析。结果表明,以304不锈钢为基底的悬臂梁结构输出功率最大。通过计算不同基底材料梁的结构参数发现,在低风速工况下,梁的结构刚度与减幅因数是影响压电俘能器输出性能的主要因素。同等工况下,梁的结构刚度越小,接触式压电俘能器的启动风速越低,风致振动的激振力频率越高;减幅因数越小,悬臂梁的输出功率越大。     

基于ANSYS的工形压电发电装置有限元分析

针对目前悬臂梁压电发电装置的局限性,设计了一种工形的压电发电装置。运用ANSYS有限元软件建立了工形压电发电装置的有限元模型,并进行了静力分析及模态分析。分析结果表明,该工形压电发电装置的最大应变出现在每个转角折弯处,且每个转角折弯处的应变基本一致。根据压电方程可知,该处将产生最大的发电电压,所以在此粘贴压电片将具有最佳的发电能力。通过建立发电装置的压电耦合分析模型,计算得到在0.1mm的位移载荷作用下,每片压电片上将产生约15.1V的电压。最后,对该工形压电发电装置进行了参数化研究,结果表明,当选择长80 mm、宽15 mm、厚0.4 mm的压电工形板时,发电效果最佳,最大发电电压可达16.5V。     

低频宽带压电能量采集器的设计与性能分析

为解决悬臂梁式压电采集器存在的高谐振频率和窄工作频带问题,设计了一种由n段梁和n个质量块构成的新型采集器。首先考虑在尺度效应影响条件下建立微段梁的动力学模型,并实验验证了模型的准确性。进而建立了新型采集器的动力学模型,推导了其外界激励的响应及输出电压计算公式。最后以n=2为例讨论了其谐振频率和输出电压方面的性能。结果表明采集器的谐振频率得到大幅降低,在50 Hz以下存在15.25 Hz和23.08 Hz两个谐振点,在20.32 Hz有效工作频带内,输出电压在80 mV以上。     

一种基于故障监测的MEMS压电能量收集器

为了实现对轮船发动机故障监测系统的可持续供电,针对轮船发动机振动特性以及故障监测系统应用需求,设计了一种基于d31工作模式的微机电系统(MEMS)压电振动能量收集器。该能量收集器采用了共质量块压电悬臂梁阵列结构,与传统单梁结构相比,其降低了MEMS压电振动能量收集器的机械阻尼。通过ANSYS软件对结构进行了优化设计,得到压电悬臂梁的优化尺寸为2.72mm×3.55mm×0.125mm,硅质量块的优化尺寸为14mm×8.45 mm×0.575 mm。设计了器件的加工工艺流程,并完成了芯片的制作。在加速度2g(g=9.8m/s2),谐振频率606Hz,最优化负载45kΩ下,输出电压为4.32V,输出功率为414.7μW,能够满足故障检测系统的可持续供电需求。     

压电俘能器阻抗匹配分析及实验研究

为了研究负载电阻对压电悬臂梁振动俘能性能的影响,使用有限元法对直接与负载相连的悬臂梁压电振子进行压电-电路耦合分析,得到了负载电阻对压电俘能器谐振频率、输出电压和功率的影响关系,并进行实验验证.研究结果表明,随着外接负载电阻的增大,俘能器谐振频率有所增加,从短路谐振频率到开路谐振频率变化范围可达到2 Hz.此外,负载阻值的大小也会影响俘能器的发电能力,负载电阻越大,输出电压越高,但存在匹配电阻使压电俘能器的输出功率达到最大.因此,通过合理选用负载电阻可实现固有频率微调谐和增加发电能力的目的.