弯曲摆动作用下MFC输出开路电压幅值的研究

为了对基于柔性压电材料的流致振动俘能装置的设计优化提供技术支持,对一种压电纤维复合材料(MFC)的压电纤维片在弯曲摆动作用下的压电特性展开研究。首先理论分析了MFC压电纤维片的压电输出机理,并建立了压电模型,得出影响MFC压电纤维片输出开路电压幅值大小的各种因素;然后设计搭建了一种基于步进电机的MFC压电纤维片往复弯曲摆动试验台,利用该试验台研究了MFC压电纤维片在不同弯曲角度、弯曲摆动速度、基板、表面积等因素下的压电特性。研究结果表明,MFC压电纤维片的输出开路电压幅值随纤维片弯曲角度的增加而增大,当输出电压幅值达到最大值,继续增加弯曲角度,输出开路电压幅值不会产生明显变化;其输出开路电压幅值随压电片表面积的增加而变大;弯曲摆动速度及基板对输出开路电压幅值影响较小。     

考虑介损的压电陶瓷开路输出电压研究

该文以PZT-5H为代表的d_(33)模式压电换能器为研究对象,推导实际开路输出电压与荷载频率的关系,并分析考虑了介质损耗影响的必要性。通过设计验证性试验,并采用有限元模拟法,分别在不同换能器结构(单片和多片堆栈)、不同荷载幅值、不同加载频率条件下验证预测值与试验值的吻合程度。结果表明,压电陶瓷实际开路输出电压在低频荷载条件下随荷载频率的增大呈非线性增长,而在高频荷载条件下随荷载频率增长缓慢,理论公式预测值与试验值吻合良好。该文推导的压电陶瓷开路输出电压公式可用于实际压电陶瓷开路输出电压的预测分析。     

质量块位置对压电悬臂梁发电性能影响分析

利用ANSYS有限元仿真软件,建立压电悬臂梁发电振子的ANSYS模型,并进行了模态分析和谐响应分析。当加速度为0.015 m/s2,质量块在不同位置时,仿真分析了压电悬臂梁发电振子输出的开路电压随频率的变化。由仿真结果可知,当质量块距离夹持端75 mm时,压电悬臂梁发电振子输出的开路电压有效值最大可达19.3 V。搭建试验台,研究了质量块在不同位置时压电悬臂梁发电振子的输出特性。实验结果表明,当质量块距离夹持端77 mm时,在加速度一阶谐振频率下,压电悬臂梁发电振子输出的开路电压有效值最大可达17.8 V。在经全桥整流电路接阻容电路,电阻为1.3 MΩ时,电阻上获得最大瞬时功率为55 μW。研究结果表明,带质量块的压电悬臂梁发电振子振动能量发电梁中的质量块存在一个最佳位置,使装置开路电压和输出功率最大。     

压电层厚度对d_(15)模式PZT-51悬臂梁俘能特性影响

设计并制作了压电层厚度分别为0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm的d15模式层合串联结构PZT-51压电悬臂梁俘能器。测量了开路和1.0 MΩ负载下,俘能器的振动频率与输出电压和输出功率的关系曲线,以及1.0 MΩ负载时的振动激励电压与输出峰-峰值电压关系曲线。结果表明,随着压电层厚度的减少,压电俘能器的谐振频率降低,输出电压和功率增大。压电层厚度为0.6 mm的压电俘能器具有最大开路输出电压1.69 V,在1.0 MΩ负载下最大输出功率为0.708μW。     

超低幅值激励下压电梁的响应特性分析

通过电磁激励方式研究了压电悬臂梁结构在超低幅值激励下的响应特性。对线性压电梁的响应进行了实验研究,分析了激励幅值的影响。研究了引入单侧阻挡后压电梁的非线性响应特性,分析了激励幅值、阻挡间隙对单侧阻挡压电梁宽带响应的影响。实验结果表明,在0.003 N的电磁激励下,压电梁的振幅小于140μm。引入单侧阻挡后压电梁表现出分段线性响应,对阻挡间隙微米尺度的变化灵敏。随着间隙从100μm减小到20μm,最大输出电压从3.14 V减小到1.17 V,半功率带宽从5.8 Hz增大到18.2 Hz。     

超声行波马达悬浮振子的研究

为了提高超声行波电机的输出功率,该文提出了一种悬浮式振子结构。该结构利用弹簧隔离振子与固定端,利用质量块为定子提供输出力。该振子由压电堆激励,可以产生较大振幅。压电堆工作在d_(33)模式,与经典行波电机中工作在d_(31)模式的压电片相比,其机电耦合系数更大,同时增加了压电材料的体积,提高了电机的输出功率。通过有限元仿真实验验证了理论的正确性,同时研究了在4个尺寸为1.68 mm×1.68 mm×5.0 mm的锆钛酸铅(PZT)压电堆激励下的最优参数。实验结果表明,在峰-峰值为20 V的激励电压下,定子最大自由振动幅值为3.57μm,约为非悬浮状态下的3倍。样机马达最大空载转速为74 r/min,堵转扭矩为0.037 5 N·m。在不增大体积的条件下使用更多的压电堆激励,其输出功率可以成倍提高。     

基于流激振荡现象的流体动能收集技术研究

针对偏远地区及特殊场景下的低功耗无线传感节点电源维护不易的问题,该文对一种基于流激振荡现象的流体动能收集技术进行了研究,结合压电技术可实现流体动能转换至电能的过程。通过对流激振荡现象进行数值模拟及实验研究,分析了空腔结构中的流场及声场分布特性,探究了流体速度对声振荡频率及幅值的影响规律。利用COMSOL软件对声电转换过程进行仿真,实现了完整的流体动能-电能的转换过程。研究结果表明,在一定的速度条件下存在频率稳定的声振荡区间,可驱动压电换能装置输出频率稳定的电压,当气体流速为30.5 m/s时(相当于高压输气管道的流速范围),声场压力振幅可达6.12 kPa,对应的输出开路电压为2.62 V。当外接15 kΩ电阻时,最高输出功率可达0.29 mW。     

钢管混凝土柱断面界面剥离缺陷检测试验研究

提出一种基于压电陶瓷激励与传感技术的钢管混凝土柱界面粘结缺陷检测方法。将嵌入式压电功能元和粘贴在钢管外壁的压电陶瓷片分别作为驱动器和传感器,比较不同频率简谐信号下传感器测量幅值,发现界面剥离区域传感器测量信号幅值明显小于无剥离区域传感器信号幅值,探讨了不同激励频率下所定义的损伤指标的变化。     

高密度硬磁盘用压电复合磁头悬浮臂

针对硬磁盘驱动器中磁头定位两级伺服控制系统,利用宽度弯曲振动模式,设计并制备了分割电极型压电复合磁合悬浮臂。研究了复合磁头悬浮臂的动态位移特性,动态频响特性,以及它对读出信号脉冲幅值的影响。结果表明：２０Ｖ正弦电压激励下可 动态位移幅值约为１μｍ;其固有庇振频率达６．３ｋＨｚ,满足高密度硬磁盘对两级伺服控制系统的基本要求。     

压电纤维复合材料有限元模拟及其试验研究

考虑压电纤维复合材料(MFC)压电陶瓷纤维层和指间交叉电极设计,假定压电陶瓷纤维极化方向相同,设置递进的电压边界条件,建立MFC均匀压电层等效有限元模型,借助ANSYS-APDL软件进行结构-压电耦合场仿真,模拟其工作的真实变形;同时进行自由应变和阻滞力的数值测试,数值上验证了有限元模型,修正纤维纵向压电应变常数d_(33)。对含有MFC驱动器的铝合金悬臂梁进行数值和试验研究,验证了该模型的准确性。与细观尺度上的MFC有限元模型相比,该有限元模型节约了计算成本,可应用于实际工程中。结果表明,MFC激励法用于振动特性分析时,操作简单,重复性好,信噪比高。     

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。     

压电结构测控系统中的电压衰减接口设计

针对压电智能结构在减振降噪领域的应用,基于NI 6343数据采集卡设计了一种无源10×衰减接口,扩大了输入电压范围,解决了基于NI 6343数采卡搭建压电测控实验系统的设计方案。该文首先分析建立了压电元件输出阻抗模型,在此基础上讨论了测试系统负载效应对压电元件输出电压的影响,最后设计了10×接口电路,并分析讨论了其幅频、相频特性。仿真和实验结果表明,所设计的10×接口可以用于直接测量采集的大多数压电元件的输出电压信号,且在1 000 Hz以内均有较高的幅值测量精度。     

BaTiO_3压电薄膜的制备及其性能研究

利用旋涂技术,在聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合液中掺入不同质量分数(30%,50%,70%)的钛酸钡(BaTiO_3)纳米颗粒,并将混合物均匀涂在洁净的硅片表面进行旋涂处理;加热固化制得压电薄膜,并对压电薄膜进行极化处理,分别运用扫描电子显微镜(SEM),X线衍射(XRD)仪分析薄膜表面和BaTiO_3粉末。实验结果表明,薄膜内部BaTiO_3分布相对均匀,且其中BaTiO_3纳米颗粒为四方相。设计振动能量采集测试系统测试分析薄膜的输出开路电压和供电能力,分别用单悬臂梁振动和激振器敲击的形式对压电薄膜的输出特性进行研究。压电薄膜的输出电压峰-峰值与BaTiO_3的质量分数具有高度的一致性,在w(BaTiO_3)=70%时,输出电压最高,对应的峰-峰值为3.50V。     

基于非完美声学黑洞的压电能量收集系统

针对高频压电振动能量回收效率低的缺点,提出了一种基于非完美声学黑洞的压电阵列式能量收集系统。首先建立了非完美声学黑洞薄板结构模型,并分析了在时域和频域条件下能量聚集特性,非完美声学黑洞结构能量集聚于中心平台的多个位置。然后建立了阵列式压电俘能系统实验模型,结构中心平台上能量聚集点的输出电压存在较大的相位差,通过引入整流电路消除此相位差,对比分析了整流前后串、并联电路的输出电压,结果表明,整流后系统输出电压能力得到了较大提高。     

低频荷载下PVDF压电薄膜检测电路的研究

针对PVDF压电薄膜传感器内阻大、低频荷载下输出信号微弱以及易受外界噪声干扰的问题,设计了一种由双电容负反馈差分电荷放大电路和二阶低通滤波电路组成的检测电路。在0.2 ~20 Hz低频荷载下分别用该检测电路和传统检测电路对PVDF压电薄膜传感器进行检测,并将实验结果进行了对比分析。结果表明,该检测电路的输出电压幅值提高了90%,且具有较强的抗干扰能力,能降低后级电路信号处理的难度。     

蝴蝶式多层悬臂梁压电发电装置研究

为了提高压电发电装置的发电能力,设计了一种新型的蝴蝶式多层压电悬臂梁。为了研究该装置中每个压电双晶梁的发电性能,建立了在自由端外力作用下压电悬臂梁的输出电压理论模型,以此用来分析压电双晶梁的开路输出电压。制作了多层压电发电装置,并搭建实验平台对装置的发电电压进行实验测试,将实验测试数据与理论计算结果进行比较,两者误差小于10%。将发电装置中的6层压电片串联后研究发现,装置的发电电压基本不变,而发电功率可达单层的6倍,说明该新型蝴蝶式多层压电悬臂梁结构可提高发电能力。     

一种新型驱动器

介绍了一种新型压电驱动器含金属芯压电陶瓷纤维(MPF),推导了MPF的驱动电压与位移关系,运用ABAQUS软件对MPF进行了有限元仿真,并将MPF在不同驱动电压下的位移进行了理论值和仿真值的对比,验证了所推导公式中响应位移和驱动电压关系的正确性。通过实验测试了MPF的迟滞特性,并设计了迟滞逆模型开环控制、迟滞逆模型结合比例、积分和微分(PID)的两种控制方法对MPF进行了迟滞补偿控制。实验表明,复合控制的效果较好,MPF迟滞得到了很好补偿,使输入和输出呈线性,实现了高于10nm的高精度定位。复合控制的实验结果也进一步验证了MPF位移公式的正确性。