微型双稳态板压电俘能器的仿真研究

基于中间固定、四边自由的微型压电层合板模型,应用应变梯度理论考虑其尺寸效应,借助ABAQUS用户自定义子程序(UEL)模块自定义了一种三维八节点的微型压电单元.利用有限元法热-力-电耦合分析对微型双稳态板压电俘能器进行了仿真研究,发现其在不同的激振频率下存在不同的变形状态,非线性动态分析显示该结构在其一阶固有频率之前也能俘获较多电能,且存在多态转换交替出现的现象.针对该微型双稳态压电俘能器,给出了其最佳的工作频率和最大俘获电压.研究成果对微型压电俘能器的设计分析和性能检测具有重要的指导意义.     

新型双方向压电俘能装置设计与实验研究

研究了一种新型的双方向压电俘能器,简化拾振器结构,利于压电俘能装置的产品化.采用矩形压电晶片和悬臂梁结构对双方向压电俘能器结构进行设计;研究了附加质量对压电俘能器发电性能的影响.通过实验方法测试了新型的双方向压电俘能器在不同环境激励下的发电性能,结果表明:压电振子的固有频率与自由端附加质量成反比,在进行主副压电振子附加质量选取时,根据外界环境激励的频率范围,选取最容易激发压电振子共振的附加质量,使得主压电振子与副压电振子分别与激励频率产生共振,实现产生电能最大化.     

风致驰振型压电-电磁复合俘能器等效电路建模及参数影响分析

为了研究与标准直流接口电路相连的风致驰振型压电-电磁复合俘能器的发电性能,建立了风致驰振型压电-电磁复合俘能器的等效电路模型,利用电路仿真软件仿真分析了接口电路串联和并联配置、激励风速和负载电阻对压电-电磁复合俘能器输出功率的影响关系.结果表明,俘能器起振后,直流接口并联连接比串联连接具有更高的功率输出.对于并联接口电路,在低负载阻抗区,压电-电磁复合俘能具有比单一压电和单一电磁俘能更高的输出功率;在高负载阻抗区,压电-电磁复合俘能与单一压电俘能的输出功率相当,电磁俘能表现出对高阻抗负载的不适用性.本文参数化分析结果有助于理解连接标准直流接口电路的压电-电磁复合俘能器发电性能.     

一种基于LPCT的压电驱动式光纤Bragg光栅电流传感器及其使用方法

本发明涉及一种基于LPCT的压电驱动式光纤Bragg光栅电流传感器及其使用方法,属于光电子测量技术领域。本发明包括LPCT、取样电阻、叠堆型压电陶瓷、光纤Bragg光栅、光纤粘接点和外接光纤。LPCT连接取样电阻后通过导线连接至叠堆型压电陶瓷上下两端,叠堆型压电陶瓷由若干片压电陶瓷片物理串联组成,光纤Bragg光栅通过光纤粘接点固定设置在叠堆型压电陶瓷中轴线的左右两端,外接光纤一端与光纤Bragg光栅连接,另一端与解调仪相连。本发明高压侧无需电源、测量范围大、抗电磁干扰、尺寸小、结构简单、准确度高、稳定性好,具有极佳瞬态跟踪能力,响应电流变化能够达到μs级。     

基于LTCC技术的多层压电汽车扬声器的研究

为了提高压电汽车扬声器的低频性能，本文采用软性PZT压电陶瓷膜片，利用多层陶瓷结构，设计了三种不同层数的压电陶瓷芯片，并利用LTCC技术制作了多层压电汽车扬声器。通过对压电陶瓷电性能的测试，表明压电常数可达650x10^-12C/N；并对不同层数压电汽车扬声器的声频特性进行了测量，表明在频率为360Hz时，5层压电汽车扬声器声强较大，最大声强可达106dB。     

基于能量法的超声电机压电振子的耦合动力学模型分析

基于分析动力学的哈密顿原理,采用模态假定将超声电机压电振子复合结构的复杂振动在模态域内等效成单自由度系统的简单振动;考虑压电陶瓷的压电效应,将压电陶瓷诱发应变的激振力的大小用参数力系数描述,建立了超声电机压电振子的机电耦合动力学模型,通过实例计算与实验结果对比,验证该模型是较准确的,可以在超声电机的初步设计阶段替代有限元分析来确定电机的结构及材质参数,并选定合适的工作频率,从而为超声电机进一步的参数化分析和仿真模型的建立,及结构动力特性优化打下理论基础.     

基于梯形回环的低频双晶压电俘能器特性分析

针对如何实现微机电系统器件长时间供能已成为亟待解决的问题,提出了一种基于梯形回环的低频双晶压电俘能器,建立了ANSYS有限元分析模型,对其进行了静态分析、模态分析和谐响应分析,将梯形回环俘能器的特性和矩形回环俘能器的特性进行比较。仿真结果表明,在相同发电面积和相同结构的情况下,基于梯形回环的压电俘能器的输出电压比传统的矩形回环的压电俘能器电压提高了115%;引入边峰抑制比(SPI)来衡量其宽频俘能能力,梯形回环双晶压电俘能器宽频能力较传统的矩形回环压电俘能器提高了5%。     

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.     

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.     

基于FPGA的大功率压电陶瓷数字驱动电源设计

目前叠堆型压电陶瓷最高能够产生70kN的推力,且具有纳米级的精密定位.为提高压电陶瓷驱动电源的输出性能和精确度,提出了一种基于FPGA的大功率高精度压电陶瓷数字驱动电源的设计,具有100倍固定输出增益.该驱动电源以FPGA作为控制核心,采用半桥逆变的电路拓扑,同时引入闭环控制调节输出电压.在等效电容为5 μF的压电陶瓷...     

采煤机无线监测装置压电换能元件参数匹配分析

考虑到压电自供电装置中压电振子的几何参数直接影响其共振频率,从而影响压电自供电装置的发电量,因此需要根据环境激励频率设定最佳的压电振子的几何参数,对基于压电自供电的采煤机状态无线监测装置进行研究,通过理论分析、仿真以及实验方法对对不同悬臂梁结构在不同外界激励作用下的发电量进行研究.研究结果表明:悬臂梁自由端的质量块质量以及悬臂梁长度越大,悬臂梁压电结构的固有频率越低;随着悬臂梁厚度的增加,悬臂梁压电结构的固有频率逐渐增大.以此为依据对采煤机不同监测位置的装置选取最佳匹配的压电结构几何参数,并通过采煤机工作状态监测实验验证了本文研究的压电自供电无线监测装置的可行性.     

基于压电自供电的采煤机状态无线监测装置

考虑到压电自供电装置中压电振子的几何参数直接影响其共振频率,从而影响压电自供电装置的发电量,因此需要根据环境激励频率设定最佳的压电振子的几何参数,本文对基于压电自供电的采煤机状态无线监测装置进行研究,通过理论分析、仿真以及实验方法对对不同悬臂梁结构在不同外界激励作用下的发电量进行研究。研究结果表明：悬臂梁自由端质量块质量以及悬臂梁长度越大,悬臂梁压电结构的固有频率越低;随着悬臂梁厚度的增加,悬臂梁压电结构的固有频率逐渐增大。以此为依据对采煤机不同监测位置的装置选取最佳匹配的压电结构几何参数,并通过采煤机工作状态监测实验验证了本文研究的压电自供电无线监测装置的可行性。     

智能结构中压电元件双向换能效率的仿真研究

根据压电振子机电换能等效图,得出压电超声换能器等效二端口网络模型,由此推导了智能结构中压电换能器的双向换能函数.仿真实验表明,驱动-传感换能器对的双向换能效率随负载声阻抗的增大先升高后降低.为提高换能效率,可以采用匹配声阻抗法.     

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。     

压电式压力传感器热冲击效应的试验研究

论述了瞬变温度对压电式压力传感器具有热冲击作用,并能改变传感器的预紧力、自振频率及灵敏度,形成瞬变温度误差.传感器的特殊膜片结构可以大大减小瞬变温度误差.通过对某2种压电式传感器的模拟热冲击效应的试验研究,阐述了热冲击对传感器的实际影响,并给出了测量数据及分析结果.     

磁致/压电/磁致层合材料磁电响应分析

对沿长度方向振动(LT模式)的磁致/压电/磁致(MPM)层合材料的磁电响应进行了理论分析,其中磁致层沿长度方向磁化,压电层沿厚度方向极化.从压电效应和压磁效应本构方程出发,结合材料的机械运动学方程和电路状态方程,重新推导了LT模式下MPM结构的等效电路,完善了文献中的方法,得到了复合材料的磁电电压系数、开路电流、材料内阻、可供电功率与压电、磁致材料各物理参数以及体积参数之间的关系式.以Terfenol-D/PZT/Terfenol-D层合材料为例,对材料磁电响应进行了数值计算,将计算结果与相关实验结果进行了比较.利用磁电响应仿真结果,对磁电层合材料用于磁敏传感器以及自供电换能器进行了讨论.     

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BP神经网络的矩形压电振子振动模态区分*

采用BP神经网络,把矩形压电振子的各阶振型位移输入到神经网络中进行训练,提取各阶模态的振型特征,可实现矩形压电振子的共振振幅分布和振动模态阶次的非线性映射,以此区分各个模态。仿真实验结果显示,建立的神经网络模型可以从ANSYS输出的各模态中准确识别出矩形压电振子的B(3,1)模态,对训练样本外的尺寸也有一定的识别效果,表明所建立的BP神经网络可以有效地用于该矩形压电振子的振动模态区分。     

微压电复合材料超声波探测器的制备及应用

基于微细加工工艺,设计并制备了一种指向性良好的压电复合材料的超声波探测器。该探测器由压电振子、阻尼器、中继板和特高频（UHF）连接器构成。压电振子由4×4个（80μm×80μm×130μm）（长×宽×高）的锆钛酸铅（PZT）压电柱状阵列及阵列缝隙填充环氧树脂而构成。当压电振子施加高频交流电压时,柱状PZT阵列产生纵向伸缩运动,从而产生超声波并向介质辐射。作为填充材料的环氧树脂,能够吸收掉因柱状PZT阵列其他方向振动而引起的噪声,使探测器在纵向上能产生指向性良好的超声波,从而提高了该探测器的灵敏度。测试结果表明,该微压电探测器指向性好,灵敏度高,精度高和抗干扰性好,可应用在泥沙的含水量测量中。     

氧化锌纳米线振动问题研究

采用连续介质理论与分子动力学模拟相结合的方法,研究了氧化锌纳米线的振动问题.建立了氧化锌纳米线核壳模型,解释其等效杨氏模量及压电常数的尺寸效应.通过连续介质理论求得氧化锌纳米线振动固有频率,并与分子动力学模拟得到的结果进行对比.研究表明,氧化锌纳米线在极化方向的等效拉伸杨氏模量随着横截面尺寸的增加而逐渐增大,且通过核壳模型分别求得核、壳拉伸杨氏模量.拟合得到的等效拉伸杨氏模量与分子动力学方法获得的等效拉伸杨氏模量符合得很好.根据连续介质理论得到等效弯曲杨氏模量,发现等效弯曲杨氏模量也随着横截面尺寸的增加而增大.氧化锌纳米线极化方向的压电耦合能力比一般压电陶瓷好,压电常数随着横截面尺寸的增加逐渐减小.氧化锌纳米线在不同温度条件下的振动频率没有明显变化,在不同外电场条件下的振动频率有显著变化.分子动力学模拟得到不同横截面尺寸的氧化锌纳米线振动频率不同.根据连续介质理论,求得悬臂Timoshenko梁模型相应尺寸的振动频率,发现横截面的尺寸越大,连续介质理论与分子动力学模拟得到的振动频率越接近.