压电驱动式疲劳试验系统动态特性分析

针对压电驱动式疲劳试验系统动态特性分析问题,根据振动力学理论,建立了压电疲劳试验系统的动力学模型,得出了系统固有频率和动载荷表达式,并通过Matlab仿真,分析了压电振子的刚度对系统固有频率和动载荷影响关系。最后进行了实验测试,测试结果表明,实验所得数据与理论分析在误差允许范围内吻合较好,验证了理论分析的正确性。为压电驱动式疲劳试验系统谐振频率跟踪与工作载荷精度控制提供了理论依据,同时也对压电驱动式疲劳试验系统的动态性能进行预测,具有一定的工程应用价值。     

考虑尺度效应的压电半导体纳米纤维力电耦合特性北大核心

文章基于挠曲电和应变梯度效应的共同影响,建立了静拉伸下一维压电半导体力电耦合计算模型,数值分析了挠曲电和应变梯度效应对位移、电势、电位移、载流子分布等物理场的影响。结果表明:两种效应对机械位移场没有影响,但对各电相关物理场的分布影响显著;挠曲电效应对压电结构本身的压电性能有抑制作用,而应变梯度效应却增强了其压电特性。本研究为压电类微纳结构的机电特性分析提供了理论指导。     

压电式电/气转换器膜片驱动电压的正交试验

介绍了一种以新型压电复合圆盘作为执行器的电/气转换器的结构和工作原理。通过综合考虑压电陶瓷片直径、厚度和中间电极厚度对压电双晶片驱动电压的影响,采用正交试验法设计试验方案,并对试验结果进行了方差分析;提出了直径、厚度和中间电极三因素的最佳组合,并对最佳因素组合进行了实验,得到输出气压0.02~0.10 MPa的工业现场要求下的驱动电压仅为8.2 V,为新型压电智能型电/气转换器的研制打下了基础。     

铌镁酸铅-钛酸铅铁电体准同型相界附近的压电性能研究

采用固相合成法制备了准同型相界附近的PMN-PT铁电陶瓷,对其介电和压电性能进行了研究,并讨论了不同掺杂对陶瓷的晶粒尺寸,介电常数,压电系数和机电耦合系数的影响,分析了不同掺杂取代位置对陶瓷的介电和压电性能的影响。发现这一体系陶瓷材料的压电性能与其晶粒的大小有一定的对应关系,同时在这一体系的掺杂后的影响可以较好地用传统PZT系统中的软硬掺杂解释。     

新型三氯生抗菌活性骨水泥体外药物释放研究

以非极性聚合物聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为基体,采用热压法制备了PVB/PZT复合材料,研究了聚合物的含量、频率等因素对复合材料的介电、压电性能的影响.结果表明,以PVB为聚合物基体可制备出具有高介电常数、低介电损耗的PVB/PZT复合材料,且复合材料的介电性能具有良好的频率稳定性;在ψ(PVB)=15%时,复合材料的压电常数和介电常数都达到最大值.     

PVB/PZT复合材料的电性能研究

以非极性聚合物聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为基体,采用热压法制备了PVB/PZT复合材料,研究了聚合物的含量、频率等因素对复合材料的介电、压电性能的影响.结果表明,以PVB为聚合物基体可制备出具有高介电常数、低介电损耗的PVB/PZT复合材料,且复合材料的介电性能具有良好的频率稳定性;在ψ(PVB)=15%时,复合材料的压电常数和介电常数都达到最大值.     

圆环形压电振子疲劳仿真分析与实验研究

压电振子作为压电驱动机构的核心部件,其工作状态和疲劳强度直接决定系统的工作性能和使用寿命。该文利用ANSYS软件对圆环形压电振子进行疲劳仿真分析,得到振动模态云图和最大受力点。研究不同结构尺寸参数对压电振子疲劳寿命影响,并进行双晶片与单晶片压电振子相关数据对比。结果表明,金属材料65Mn的抗疲劳性能最好,减小振子直径或增加振子厚度能较好提高其疲劳寿命,而施加电压幅值过高会降低振子的使用寿命,双晶片压电振子的疲劳寿命比单晶片压电振子疲劳寿命长。对圆环形压电振子进行了疲劳寿命实验,研究表明,选取的此批振子完全能达到使用要求。     

温度对无铅换能器陶瓷BNT-7BT铁电性的影响

传统换能器材料——PZT95/5铁电陶瓷中的铅元素对环境污染大,且其电致应变(S)和压电系数(d33)较小,因此限制了换能器的输出功率。该文从保护环境和优化换能器性能的角度出发,研制出位于准同型相界处的无铅铁电陶瓷0.93Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-0.07BaTiO_3(BNT-7BT),测试了其晶体结构和介电温谱曲线,并得到了温度对该陶瓷电滞回线及电致应变曲线的影响。实验结果表明,钙钛矿结构的无铅铁电陶瓷BNT-7BT在152℃处发生铁电→反铁电相变,且其具有较大的电致应变量(室温下S≈2.92‰)和较高的压电系数(d33=152pC/N)。     

压电超声换能器的电端匹配电路及其分析

本文分析了压电超声换能器的几种匹配电路及其匹配原理,推出了超声频电发生器与换能器之间的理想匹配条件,研究了电端匹配电路对换能器的谐振频率及其有效机电耦合系数的影响,所得结论为压电超声换能器匹配电路的设计提供了一定的理论依据。     

基于ANSYS的压电陶瓷晶片PZT仿真分析

电力支柱瓷绝缘子超声波检测对预防和检测绝缘子裂纹和断裂起到重要作用,换能器是超声波检测的基础元件,而换能器的核心部件是压电陶瓷晶片,其性能直接影响到检测结果。该文研究针对有限元法和传统解析法在压电陶瓷晶片特性分析中的不足,采用ANSYS有限元分析软件对压电陶瓷锆钛酸铝(PZT)晶片进行特性分析,基于ANSYS的电-结构耦合场模型,对超声波换能器的矩形压电晶片进行静态、模态、谐响应和瞬态分析。通过模态分析和谐响应分析可得到晶片的一阶纵向振动和二阶弯曲振动的固有频率、振型及频率位移响应及影响因素等信息,研究结果对提高超声辐射功率及超声换能器的性能有一定的理论指导和工程应用价值。     

悬臂梁式压电振动能量收集器的疲劳分析

建立了悬臂梁式压电振动能量收集器的有限元模型,通过模态分析求解了其一阶固有频率,并通过实验验证了求解结果的准确性。对所建立的有限元模型进行静态分析后将静态分析的结果导入ANSYS nCode DesignLife中进行疲劳分析,结果表明,随着激励位移幅值的增大,压电层的应变与其成线性关系增大,而疲劳寿命迅速缩短,当激励位移增大1倍时,疲劳寿命缩短了284倍。因此在实际应用中,要综合考虑压电悬臂梁的输出电压及压电陶瓷层的疲劳寿命,才能实现最大的电能输出。     

基于材料疲劳的压电俘能器结构设计

现有的压电俘能器是通过增加振幅来提高俘能器的输出功率,但这种方法增加了压电材料的疲劳负担,使锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)表面产生裂纹并迅速扩展,这使得整个俘能器的固有频率显著降低,对于俘能带宽本就很窄的压电俘能器来说无疑是毁灭性的。该文通过线性弹簧来拟合PZT的表面裂纹,建立了等效模型并推导出表面裂纹对结构固有频率影响的理论公式。理论推导得到了裂纹不扩展时的压电俘能器结构与环境的限制条件,并通过实验进行了验证。实验结果表明,当俘能器的振幅小于外加电场为1.5倍矫顽电场所等效的振幅时,系统的固有频率几乎不发生改变;而当俘能器的振幅大于此等效振幅时,系统的固有频率明显降低,而且振幅越大,下降速度越明显。     

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.     

基于ADINA的PZT压电陶瓷有限元分析

压电陶瓷器件因边界条件和应力状况的复杂性而导致传统试验手段对其研究具有一定的局限性,该文针对这一特点,根据压电体结构场和电场的耦合性建立了与试验结果相一致的压电陶瓷有限元模型,利用大型有限元分析软件ADINA经过建立几何模型,定义边界条件,定义材料和耦合计算等步骤系统的分析了典型PZT压电陶瓷在电压作用下的变形问题,证实了模拟结果与真实试验结果的一致性,为实现对压电陶瓷形状和振动的控制奠定基础.     

Tunable Capacitor Based on Polymer-Dispersed Liquid Crystal for Power Harvesting Microsystems

A tunable capacitor based on polymer-dispersed liquid-crystal (PDLC) technology is presented in this paper. Its application for robust power harvesting microsystems was investigated. The power harvesting device utilized a piezoelectric microcantilever excited by ambient random vibrations to convert mechanical energy into electric power. For improving the power harvesting efficiency, the PDLC tunable capacitor was used to adjust the resonance frequency of the piezoelectric microcantilever beam to match the frequency of the ambient vibrations in real time. The fabrication process and measurement results of the PDLC tunable capacitor are detailed. The measured tuning ratio of the PDLC tunable capacitor was 63% at 300-Hz excitation frequency when a 25-V driving voltage was applied. The dielectric and optical properties of the fabricated PDLC tunable capacitor have been examined thoroughly. Based on the results of the experiment, an equivalent lumped-element model of the PDLC tunable capacitor has been developed. The simulation results showed that the impedance of the developed model agreed well with that of the fabricated tunable capacitor. This model can be incorporated into the equivalent circuit of the integrated power harvesting system for efficiency optimization.     

Frequency mixing of acoustic waves in piezoelectric semiconductors

A phenomenological theory has been developed to study the frequency mixing of the acoustic waves in piezoelectric semiconductors in the presence of an oscillatory electric field (OEF) as well as a d.c. electric field. The numerical results have been presented for the typical case of Cadmium Sulphide. It is found that the results are considerably altered by the application of an OEF.     

Investigation of fatigue crack in stainless steel using a mobile fiber Bragg grating ultrasonic sensor

A mobile fiber Bragg grating (FBG) sensor was applied to detect a closed fatigue crack in 18Cr–8Ni stainless steel by ultrasonic pitch–catch method. Response to ultrasound that crossed fatigue crack showed a time delay compared with the reference response in intact area. Conventional piezoelectric sensors were applied to the similar experiment and the response signal was compared with that detected with the FBG sensor. Experimental results showed that FBG sensors could determine the location of crack tip more precisely than piezoelectric sensors.     

压电陶瓷薄圆片振子的厚度剪切振动

本文研究了切向极化压电陶瓷薄圆片的厚度剪切振动，即扭转振动。利用压电方程及运动方程，推出了振子的机电等效电路，得出了振子扭转振动的输入电阻抗，并推出了其共振及反共振频率方程。由于振子的扭转振动与其截面形状有关，因此，本文提出了振子的截面扭转系数的概念，并给出了实心及空心圆盘的截面扭转系数。本文理论对于扭转振动换能器设计理论的研究，以及压电陶瓷振子振动模式的系列研究具有一定的指导意义。