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新型压电器件的力电耦合分析与结构设计

杨增涛  
【摘要】: 压电材料具有优良的力电耦合特性,这使其广泛应用于现代工业、交通、医疗和航空航天等领域。近年来,能量发电机、无线供能以及无损探伤技术成为该领域中的研究热点,吸引了众多研究者的注意。本论文基于力电耦合分析,研究了能量发电机、无线供能以及无损探伤中压电器件的最优工作原理和核心技术,设计出一种宽带压电俘能器,创建了三种更为合理的集超声-压电俘能一体的隔物传电系统模型,同时揭示了集压电驱动/传感一体化技术在结构无损探伤中的深层机理,最后,对几种常用切向晶体谐振器电极形状给出了最优设计。本文取得的这些创新成果,对以上领域中的压电器件在结构设计、分析以及在器件微型化方面提供有力的理论支持,同时对提升压电器件在实际应用中的整体性能具有重要的指导意义。 本文具体研究成果如下: (1)设计了一种宽带压电俘能器。这种俘能装置通过吸收环境中的振动能,将机械能转换成电能,来驱动一些小型的低功耗电子无线设备。俘能器系统由相连或耦合的两个或多个双压电晶片梁构成,其中双压电晶片梁的谐振频率非常接近并可调。理论分析表明,通过对俘能器结构适当的设计和优化,系统可以在较宽的频率范围内高效吸收振动能量,效果优于单梁结构俘能器。 (2)建立了三种更为合理的集超声-压电俘能一体的隔物传电系统模型,这种技术可用于给运行于封闭的装甲或危险的环境中的设备无线供电。文中对输出电压、电流、功率、效率和应力分布等参数进行了分析,揭示出局部换能器对振动的能陷现象,并深入研究了电能通过封闭弹性墙传输过程中在谐振频率附近的非线性行为,对准确预测压电换能器工作的线性响应范围有非常重要的指导意义。 (3)理论上分析了用压电驱动器激发超声波来检测弹性板和圆柱壳中的损伤问题,计算出阻抗、谐振频率和振型等电学和声学指标,观察并研究了结构的能陷现象,所取得的成果对无损探伤(NDE)技术的理论研究有重要的参考价值。 (4)得到了几种常用切向晶体谐振器的最优电极形状和尺寸。计算结果显示,几种常用切向晶体谐振器最优电极形状为近似椭圆形,不同于现在常用的矩形和圆形电极。电极的优化设计,对谐振器的微型化有重要意义。


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