基于压电谐振频率的PM2.5监测系统

基于压电谐振频率法采用模块化设计思想,设计了压电谐振式PM2.5监测系统,对系统的采样单元、谐振单元、频率测试与显示单元、控制单元等部件进行设计,并对系统进行集成与性能评价。为实现对PM2.5颗粒物的有效采样,并减小温度等环境因素对压电晶体检测性能的影响,系统采用惯性冲击式分粒原理结合静电沉降的采样方案,以2个相同的石英晶体振荡电路来构建双石英晶体谐振器,建立压电谐振频率与压电晶片质量间的关系,实现根据压电谐振频率的变化来确定PM2.5的质量浓度。系统测试结果表明,PM2.5测试数据与官方公布的数据相近,数据变化趋势一致。该PM2.5监测系统能反映被测区域PM2.5质量浓度的变化情况,满足PM25监测需求。     

基于QCM的水果中金属离子检测方法研究

以压电石英晶体的波动方程作为理论基础,首先推导了气相条件下石英晶体微天平(QCM)传感器的相位 质量关系式。然后以猕猴桃中Cu2+检测为例,分别测量出QCM传感器对应的频率偏移量及相位偏移量,应用Sauerbrey方程和新推导的相位——质量方程,计算出猕猴桃中Cu2+的含量;最后,将这两种方法的实验结果进行分析比较并进行了相关讨论。结果表明,基于压电QCM相位检测原理的金属离子检测也是一种有效的金属离子检测方法。     

微驱动器的压电-弹性耦合分析(英文)

压电弹性耦合结构是实现MEMS微流体驱动的一种重要方式,掌握压电-弹性振动的耦合机理是微流体驱动协调控制的关键。针对压电与硅膜耦合微驱动结构,基于压电效应和弹性薄板理论,采用Rayleigh-Ritz能量法建立了周边固支边界条件下,弹性振动硅膜与压电驱动膜片耦合振动的理论模型,推导并计算了该微驱动结构的耦合振型及谐振频率。基于激光测振仪进行了该压电微驱动结构的振动测试实验,经实验模态分析获得了实测的谐振频率。理论计算结果与实验测试结果的对比分析表明,两者基本相符,验证了理论分析模型的正确性,为MEMS微流体的驱动与控制提供了一定的理论基础和实验依据。     

压电微泵的特性测试与分析

本文对压电驱动微泵的工作特性进行了系统测试，利用高压方波信号源产生频率和电压可调的信号来驱动微泵，采用高精度电子秤测量固定时间(10s)内微泵输送液体的质量大小，并对工作特性进行相关分析，总结了压电微泵的输送流量随液体黏度、驱动电压和驱动频率之间的关系。结果表明，在相同的驱动条件下，液体黏度越大，压电微泵输送的流量越小，在固定的驱动电压下，当驱动频率为泵膜的谐振频率时压电微泵输送的流量最大，高于或低于驱动频率时输送的流量越来越小，在固定的驱动频率下(谐振频率)，压电微泵输送的流量随驱动电压的升高而增加。研究结果为压电微泵的优化设计和实际应用提供了依据。     

压电晶体导纳圆测量仪的设计与实现

测量压电晶体的导纳圆可以得到3对频率，用这些频率可分析超声马达、换能器以及压电器件的振动模态及其频率特征。采用DDS技术设计并实现了压电晶体导纳圆测量仪。实际测量结果表明，该仪器的测量精度较高，运行稳定可靠。该文主要介绍导纳圆的测量原理，并讨论了其中硬件与软件的关键技术环节。     

横向电场激励的LiNbO_3压电谐振器的仿真分析

该文对横向电场激励下的(yxl)-58°LiNbO_3压电谐振器的高频振动进行了研究。首先,基于Mindlin一阶板理论,计算了压电谐振器的模态频谱关系,得到晶体基板长厚比;然后,利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics建立了谐振器的三维有限元模型,通过增加厚度方向网格扫掠层数的方法,验证了仿真模型的网格无关性;其次,通过特征频率计算与频域计算得到了谐振器一阶厚度剪切模态频率值;最后,通过改变电极与晶体板质量比以及电极间距的大小,获得了不同尺寸参数对谐振器高频振动特性的影响规律。仿真分析结果表明,电极与晶体板的质量比同谐振器谐振频率成负相关,质量比越大,谐振频率越小;电极间距值与谐振频率成负相关,间距值越大,谐振频率越小。     

微天平用无铅压电体谐振频率温度补偿研究

针对现有催化燃烧式瓦斯传感器气体选择性差等不足,试制研发无铅压电式微天平传感器。但压电陶瓷固有的频率-温度系数特性,使其谐振频率出现漂移,影响精度。故依据压电陶瓷及器件结构特征,对其谐振频率特性进行补偿,以满足谐振器高精度、高稳定性等实际需求。通过有限元分析与试验方法确定了NKBT无铅压电陶瓷典型谐振体在获得单一谐振频率时的主要尺寸比例关系;然后基于实验测试结果,建立了频率温度漂移量与温度的函数关系,计算出频率温度系数,并利用试验检测了其精确性;最终通过推导获得了无铅压电陶瓷NKBT的补偿算法,该算法可以对微天平测量系统进行补偿。结果表明,对于两种压电振子,线性函数关系具有较好的效果,补偿后径向伸缩振动和横向伸缩振动谐振频率的相对误差分别为5.5%和6.8%,补偿效果良好。     

压电超声马达驱动电路的研究

提出了一种基于计算机控制的压电超声马达谐振频率自动搜寻系统。在此系统中,首先使用计算机来产生一个频率可调的超声波驱动信号,然后通过对马达转数的检测,系统得到压电超声马达的最佳谐振频率值。试验证明本系统能够自动地查询到压电超声马达的最佳谐振点,并且,通过实验结果讨论了马达谐振频率与电路匹配状态对压电马达的影响。     

微扰法测量粉末状材料介电常数的改进

一般微扰法在测量粉末状材料介电常数时,需要破坏样品将材料制成杆状或圆柱状等标准形状,同时只能在单点频率下测量,具有很大的局限性。针对上述问题,提出了一种改进的测量方法——多模谐振微扰法。该方法是在微扰法基础上的改进,适合宽频无损测量粉末状材料的介电常数。对多模谐振微扰法的测量原理、系统和方法进行了较为详细的描述,通过仿真和实验得到了相应的结果并进行了误差分析,验证了该方法的合理性和有效性。     

基于频率搜索和跟踪的压电超声电源设计

针对洁牙机的超声电源在工作时难以快速搜索到压电陶瓷换能器谐振点,长时间工作引起大功率器件发热量过大致使系统产生谐振漂移、不能稳定工作的问题,提出了一种基于频率自动搜索与跟踪的超声洁牙机驱动电源设计。该设计通过STM32单片机控制输出步进PWM,基于最大反馈电流设计变步长法快速搜索谐振频率;再利用相位检测技术将换能器输出的电压电流相位差作为电路谐振状态的反馈信号,结合STM32单片机进行PID控制,改变PWM占空比调节电路的振荡频率使系统始终工作于谐振状态,实现谐振频率的自动跟踪,并基于此设计出超声电源电路与控制软件。实验结果表明,该超声电源能快速搜索到换能器的谐振频率,并对谐振频率自动跟踪,使系统能稳定、长时间地工作。     

压电单晶扬声器低频性能的优化及实验研究

压电扬声器因其压电谐振式工作原理而成为顺应电子设备小型化趋势的研究热点,但是由于低频性能不突出而限制了其应用。该文为了降低压电扬声器谐振频率,在分析压电扬声器低频振动原理的基础上,提出了基于弯曲振动模态的压电单晶切型计算模型,并通过计算确定了其优化切型;利用有限元分析法验证了切型对扬声器谐振频率的影响;制作了扬声器原型器件,并对其谐振频率进行了测试与分析。结果表明,该文计算得到的优化切型将压电扬声器的弯曲谐振频率降低了约10%,证明该文提出的切型判断方法能够有效降低压电扬声器的低频谐振频率。     

压电陶瓷频率响应及振动面幅值激光外差测量

压电陶瓷已广泛应用于检测、通讯等各个领域。该文采用外差式激光干涉测量法,开展了压电陶瓷振动特性研究。首先给出了激光外差干涉测振仪测试压电陶瓷振动特性的测量方法,并通过实验测得了压电陶瓷片单点振动的频率响应曲线,同时测量了径向直线上若干点的振动频响曲线,进而进行了整个压电陶瓷圆环表面在其谐振频率点的振动测量。实验结果表明,实测压电陶瓷片的谐振频率为30 710 Hz,与其产品标定值30 000 Hz存在710 Hz偏差。其圆环表面振动的振型具有不对称性,这对压电陶瓷的应用设计提供了指导意义。     

Analytical modeling of piezoelectric vibration-induced micro power generator

In this article, a novel piezoelectric cantilever bimorph micro transducer electro-mechanical energy conversion model is proposed. Based on the curvature basis approach, the relationship between the deduced voltage and the mechanical strain induced piezoelectric polarization is formulated. In addition to the working equation for piezoelectric sensors, the damping effect is included to enable the resonance frequency, the maximum induced voltage at the resonance, the conversion energy density and the dimensions of the piezoelectric micro power generator to be analytically estimated. The analytical model shows that the vibration-induced voltage is proportional to the excitation frequency and the width of the device but is inversely proportional to the length of the cantilever beam and the damping factor. To verify the theoretical analysis, two micro transducer clusters are fabricated. The experimental results demonstrate that the maximum output voltage coincides with the energy conversion analytical model.     

Excitation of piezoelectric device through resonant helical coil antenna-like structure

A resonant helical coil antenna-like structure has been explored for wireless excitation of piezoelectric devices. The basic idea behind this wireless excitation of piezoelectric device is electromagnetic resonance along with piezoelectric resonance. The analytical studies reveal that the maximum excitation occurs in the piezoelectric device when the operating frequency of the system coincides with its mechanical resonant frequency. It has been seen that the intensity of piezoelectric stimulation depends on the frequency of operation, air gap, relative position, electric load, and the generated electric field strength by the helical coil antenna-like structure. The analytical results are verified with the measured experimental results, and are found to be in well agreement. By adopting this proposed wireless excitation system the free actuation of the piezoelectric devices can be enabled as opposed to the confined motion for various potential applications.     

压电陶瓷圆环径向厚度振动分析

对压电陶瓷圆环的径向厚度振动进行了分析,使用压电理论和机械振动理论推导出压电陶瓷圆环的谐振和反谐振频率方程,采用图像法求解得到谐振频率,与实际测量结果的误差小于1%。该文还应用有限元分析软件对压电陶瓷圆环的振动模态进行了分析,并与理论计算进行了比较,结果吻合。     

基于Si弹性层优化的悬臂梁式微压电驱动器

基于压电材料的逆压电效应,设计并制备了悬臂梁式微压电驱动器,通过电能到机械能的转换,完成装置的位移输出任务.基于悬臂梁式微压电驱动器的设计和仿真,得出该微驱动器Si弹性层的最佳厚度为0.12 mm,仿真结果显示压电层与弹性层厚度比为2～3时,尖端位移输出较大,并模拟了其电压-位移输出情况.采用共晶键合的工艺制备了以PZ...     

一种纵向共振光声池谐振频率测量方法

为了快速准确测量共振光声池的谐振频率，采用基于共振声谱的光声池谐振频率测量法，搭建了光声光谱检测系统和共振声谱检测系统。对影响测量准确性的因素进行了实验分析。在不同气体体积分数的情况下，分别采用共振声谱法和光声信号强度标定法测量光声池的谐振频率。结果表明，共振声谱法测量的光声池共振频率与声信号激励电压、声源传播距离及角度无关；在5种不同体积分数的乙炔气体条件下，所测得的光声池谐振频率与通过光声信号强度法的结果最大偏差为1.1Hz，可认为两种方法测量结果具有一致性。该方法简单快速、可靠和准确，可用于确定光声池谐振频率。