基于压电阻抗技术的木梁损伤识别研究

利用压电阻抗技术对粘贴有压电陶瓷(PZT)传感器的无损木梁和带孔洞损伤的木梁进行数值模拟和实验研究,并用损伤指数,即均方根偏差(RMSD)来定量评估木梁的阻抗值随损伤程度和损伤位置的变化关系。计算结果表明,利用压电阻抗法能够有效识别木梁的局部损伤,当PZT贴片和损伤位置的间距一定时,RMSD随损伤程度的增大而增大;当损伤程度一定时,RMSD随PZT贴片和损伤位置间距的增大而减小,数值结果与现有实验结果规律一致。相关结论证明了利用压电阻抗技术检测木梁局部损伤的有效性,可为工程实际提供参考。     

压电陶瓷振子中的损耗及其对振子特性的影响

分析了压电材料中的损耗现象,并用复数表示有损压电振子的各种参数。文章从压电振子的阻抗（或导纳）方程出发,详细分析了纵效应振动及横效应振动模式振子的谐振（或反谐振）频率、频率偏移量与损耗大小、机电耦合系数大小的关系。     

薄膜体声波传感器的有限元仿真与分析

薄膜体声波滤波器(FBAR)传感器的性能受结构和材料特性的影响很大。该文利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,建立了FBAR传感器的二维、三维有限元结构模型。用氮化铝和氧化锌材料作为压电薄膜对建立的模型做了固体力学和静电学仿真分析,得到了FBAR传感器的谐振频率、导纳特性曲线和谐振频率处的位移分布情况。通过分析发现氮化铝压电薄膜阻抗特性曲线更平滑,而氧化锌压电薄膜存在明显的寄生谐振峰的问题。针对氧化锌压电薄膜存在的寄生谐振峰进行了优化,仿真分析了电极边长尺寸和电极厚度对寄生谐振的影响,实现了对寄生谐振峰的有效抑制。     

一种用于求压电材料复参数的快速迭代算法

要精确地描述压电材料的性能,必须把压电材料的参数作为复数考虑。文章提出一种新的自动迭代算法,通过测量压电陶瓷的４种标准型振子谐振峰附近的阻抗（或导纳）,即可由程序自动求出压电陶瓷的全部材料系数。与常用的迭代法相比,本文迭代法巧妙的初值选取方法及选代频率点的选择,使得算法精度高,迭代次数少。     

基于EMI结构损伤检测技术的模拟与分析

该文基于压电阻抗法(EMI)对带有损伤板类结构进行模拟分析,研究了损伤拓展对EMI信号的影响规律。首先,采用有限元软件ANSYS建立6种不同损伤情况下的三维精细"压电片(PZT)-主体结构"有限元模型;然后,对有限元模型进行动力谐响应分析,得到考虑损伤深度d、损伤位置与压电片距离s的压电片电导频谱信号;最后,通过横纵向对比分析了板类结构损伤扩展对压电片电导频谱信号的影响规律。分析结果表明,采用建立的含有细小损伤的三维精确压电有限元模型,可以精确地检测到压电片电导纳谱中的共振模态,进而可以很好地识别板类结构局部的细小损伤;验证了现有电阻抗法对含有细小损伤结构分析理论的有效性;当损伤位置越靠近压电片,电导频谱信号模态峰值向左偏移的就越多,因此,通过布置压电片的合理位置可以确定结构细小损伤的位置。     

PMZN系压电陶瓷材料合成工艺研究

采用溶胶-凝胶工艺制备了钙钛矿结构的锆钛酸铅压电陶瓷材料(PZT)。然后用制得的PZT作为基料，合成PMZN压电陶瓷，探讨了PZT制备工艺对材料结构和性能的影响。结果表明：溶胶-凝胶法合成PZT粉制备的PMZN系压电陶瓷材料具有机电耦合系数高、介质损耗小、介电常数与机械品质因数适中等特点；溶胶-凝胶工艺降低了材料的烧结温度，改善了材料的介电与压电性能，提高了谐振频率。     

环境温度对PZT阻抗特征的影响

机电阻抗(EMI)法是目前结构健康监测(SHM)技术中较热门的研究领域之一。实际应用中,EMI法测得的阻抗信号受温度干扰,因而对损伤产生误判。首先从理论上分析了温度导致阻抗发生变化的原因,然后以EMI法中典型的压电陶瓷(PZT-5H)型陶瓷传感器为研究对象,测试分析了温度对PZT电阻抗特征的影响规律。研究发现,阻抗峰值的频移与温度呈线性关系,且温度对峰值频移的影响与频率相关。进一步结合频率偏移及幅值的变化规律,建立了机电阻抗(EMI)法结构健康监测的温度效应修正模型。研究结果为消减环境温度对PZT阻抗特征的影响奠定了基础。     

在压电谐振基波附近的压电应变研究

本文根据PZT压电陶瓷的压电与弹性特性,应用谐振理论对其压电基波频率附近的压电位移作了计算;另一方面,采用一种高频激光双束干涉仪,测量了压电位移的位移量。其实测值和理论计算值是一致的。     

基于Ansys的压电陶瓷材料振动特性仿真与研究

本文以智能材料中压电陶瓷为研究对象,对其进行的主动振动控制。本论文总结分析了压电陶瓷的特性和相关的物理学方程,依据理论分析的结果,确定PZT材料的具体参数的选择,分析压电陶瓷特性和力学模型。利用Ansys仿真软件对梁进行模态分析得到各阶模态下的振动频率,观察振动情况。并分析PZT在静态、动态电压下的电致伸缩特性。然后给梁上的压电陶瓷一个激振,观察和分析梁的振动情况。最后在梁的某个位置粘贴第二片压电陶瓷,对其施加与第一片相反的电压,抑制梁的振动,观察分析抑制情况。     

基于压电阻抗的混凝土裂缝深度发展定量研究

混凝土结构是土木工程领域使用最广的结构形式,裂缝是其损伤的主要形式。该文基于压电阻抗(EMI)监测技术,对混凝土立方体标准试块裂缝深度的定量发展进行了监测。制作150mm×150mm×150mm标准试块,将压电片(PZT)粘贴于试块表面,用精密阻抗分析仪HP4294A提取压电片在混凝土试块健康状况和不同损伤工况下的电导纳信号,并分析二者的联系。实验结果表明,随着裂缝损伤的发展,压电片电导纳频谱发生了变化;压电片-粘结层-主体结构耦合系统的共振频率及电导信号峰值能表征混凝土裂缝深度的发展,但其存在稳定性缺陷;传统损伤指标中,绝对比例平均偏差(MAPD)和均方根偏差(RMSD)比相关系数(CCD)更适于监测混凝土裂缝的出现,而CCD则比MAPD和RMSD更适于定量分析裂缝的发展。此外,该文还得到了混凝土试块裂缝发展时损伤参数的具体数值,可供EMI健康监测实际应用时参考。     

劈刀和肋环夹持工况对超声键合换能系统电学特性的影响

通过实验分析了肋环夹持松紧度和劈刀存在两个因素对超声键合换能系统电学导纳特性的影响规律。对换能系统在悬挂有无劈刀和夹持8个松紧度等各个情况下进行谐振频率附近的导纳圆测量,确定换能系统等效电路各特征参数的变化情况。由实验结果的分析可知,劈刀的附加质量以及肋环松紧程度对换能系统谐振频率的影响不大,但劈刀的存在改变了换能系统的能量分布和耗散,是影响换能系统各特征参量的主要因素之一。这些结论有助于超声键合换能系统的优化。     

键合工具对超声换能器系统谐振频率的影响

建立了超声引线键合机换能器系统振动分析有限元模型,利用ANSYS软件分析了换能器系统与键合工具组成的纵-弯复合振动系统的振动特性。计算结果表明,键合工具的弯曲振动与换能器系统纵向振动存在耦合关系,劈刀长度增加50%将使换能器系统谐振频率下降5.6%;实验中测试了换能器系统的阻抗与导纳特性,发现当劈刀长度为16 mm时系统的阻抗匹配较为理想;换能器系统的谐振频率的实测值与有限元分析结果一致,最大误差为3.51%。     

微米级PZT驱动器尺度相关的自由振动分析

根据修正偶应力理论和哈密顿原理,并结合经典的层合梁理论,推导出具有层合结构、考虑力 电耦合作用的微米级均质、非均质锆钛酸铅(PbZrTiO3,PZT)智能驱动器尺度相关的运动控制方程和固有频率。通过引入的材料内禀特征尺寸参数,成功捕获了微米级PZT智能驱动器的尺寸效应。数值分析显示,不同基体材料对微米级均质、非均质PZT智能驱动器归一化固有频率影响较小;压电层厚度不变,随着基体厚度增加,微米级PZT驱动器尺寸效应逐渐变小;随着结构特征尺寸逐渐增大,尺寸效应逐渐消失。     

300 MHz氮化铝轮廓模式谐振器的设计

氮化铝轮廓模式谐振器(CMR)能够满足现代无线通信对单片、多频段、可重构的多频率源的需求,具有很大的应用前景。针对目前无具体单个CMR频点的设计方法,提出了一种结合CMR性能参数的影响因素分析和有限元计算的CMR设计方法。该文对CMR的谐振频率、质量因子、机电耦合系数和动态电阻等谐振器主要性能参数的影响因素进行理论分析得到CMR结构的初始尺寸,再利用COMSOL有限元软件建立CMR几何模型并进行频域求解得到相应的频率-导纳曲线和频率-质量因子曲线;根据仿真结果和理论计算对CMR初始结构尺寸进行优化,并仿真设计了一个氮化铝CMR,其谐振频率为300 MHz,质量因子约为1 010,机电耦合系数约为1.64%。     

考虑粘结层和阻抗解析表达式的压电阻抗模型

引用根据自由梁振动原理得到的一维梁结构机械阻抗解析表达式,并考虑压电陶瓷锆钛酸铅(PZT)和梁结构之间的粘结层对二者的应力应变传递过程的影响,改进了一维梁结构压电阻抗模型.在粘结系数ξ分别为0.01、0.02和1.00的3种粘结状态下,对5～80 kHz频率范围内PZT耦合电阻抗进行了数值计算.测量计算得到α-氰基丙烯酸乙酯、环氧树脂和改性丙烯酸酯三种粘结剂的粘结强度,分别为0.882 MPa、7.621 MPa和10.198 MPa,并在3种粘结状态下测量了5～80 kHz频率范围内PZT的耦合电阻抗.研究表明,数值模拟和实验测量所得的耦合电阻抗谱符合良好,数值计算与实验结果峰值对应频率的相对误差范围是0.25％～6.06％.     

基于COMSOL的声表面波器件三维结构仿真

基于铌酸锂基底的声表面波传感器电极材料设计,采用COMSOL Multiphysics仿真分析软件对声表面波传感器单对叉指进行三维建模,并进行固体力学和静电学物理场的有限元仿真分析。结果表明,不同电极材料和厚度对其反对称模态频率、对称模态频率、导纳特性曲线及阻抗特性曲线的影响较大,且通过改变电极材料的厚度有效抑制寄生谐振为进一步的研究提供了理论依据。     

Volume catheter parallel conductance varies between end-systole and end-diastole

In order for the conductance catheter system to accurately measure instantaneous cardiac blood volume, it is necessary to determine and remove the contribution from parallel myocardial tissue. In previous studies, the myocardium has been treated as either purely resistive or purely capacitive when developing methods to estimate the myocardial contribution. We propose that both the capacitive and the resistive properties of the myocardium are substantial, and neither should be ignored. Hence, the measured result should be labeled admittance rather than conductance. We have measured the admittance (magnitude and phase angle) of the left ventricle in the mouse, and have shown that it is measurable and increases with frequency. Further, this more accurate technique suggests that the myocardial contribution to measured admittance varies between end-systole and end-diastole, contrary to previous literature. We have tested these hypotheses both with numerical finite-element models for a mouse left ventricle constructed from magnetic resonance imaging images, and with in vivo admittance measurements in the murine left ventricle. Finally, we propose a new method to determine the instantaneous myocardial contribution to the measured left ventricular admittance that does not require saline injection or other intervention to calibrate.     

新式压电精密旋转驱动器

提出一种新型将压电叠堆驱动元件应用到精密旋转驱动器上的研究方案。在对驱动器工作原理和机械结构进行分析研究的基础上,建立了以压电叠堆为驱动元件的旋转驱动数学模型。采用有限元分析软件对机械结构进行了分析,得到了机械结构工作方向的静力学变形图和频率响应特性曲线;对低频状态驱动器的旋转分辨率进行了试验测试,并对样机的频响特性进行了试验测试,结果表明仿真分析结果基本反映了机械结构的谐振频率分布状况,对结构优化设计具有一定的意义,此外对影响测试结果精度的因素进行了分析。设计的结构具有低频工作稳定、分辨率高(0.136 6μrad)等优点。