文档介绍：中南大学
博士学位论文
新型压电器件的力电耦合分析与结构设计
姓名:杨增涛
申请学位级别:博士
专业:工程力学
指导教师:郭少华;杨嘉实
20090301
摘要业、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、无线供能以及无俘能器,,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。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:杓屏艘恢挚泶沟绶芷鳌U庵址茏爸猛ü栈肪中的振动能,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。⒘巳指:侠淼募沟绶芤惶宓母粑锎ǖ缦砺凵戏治隽擞醚沟缜骷し⒊ɡ醇觳獾园搴驮术的理论研究有重要的参考价值。玫搅思钢殖S们邢蚓逍痴衿鞯淖钣诺缂巫春统叽纭的微型化有重要意义。
关键词:压电,俘能器,能量传输,无损探伤,最优电极Ⅱ
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期:珥年上月丝日日期:塑啤年』月兰日原创性声明关于学位论文使用授权说明取得的研究成果。尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢的地方获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为作者签名:本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留学位论文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文;学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。
硷蹲盏怠忠,馈!■团墨固皿皿■————————海合犯荩海第一章绪论课题背景和发展趋势而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影,所以压电材料受压力年,,晶体某些表面会产生电荷,其电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。随即,居里兄弟又发现了逆压电效应,即在外电场作用下压电体会产生变形。压电效应的机理是:具有压电性的晶体对称性较低,当受到外力作用发生形变时,晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合,导致晶体发生宏观极化,作用形变时两端面会出现异号电荷。反之,压电材料在电场中发生极化时,会因电荷中心的位移导致材科变形。利用压电材料的这些特性可实现机械振动和交流电的互相转换。自从居里兄弟发现压电效应以后,压电材料的应用已经扩展到许多领域【Ⅲ,,它取代了钛酸钡陶瓷,广泛应用于各种压电器件中,成为当今世界压电市场的主导材料唧。压电器件,根据正压电效应和逆压电效应,可分为四大类,即:发电机、传感器、驱动器和换能器。发电机和传感器利用正压电效应,即机械能转化为电能,驱动器工作恰恰与之相反,通过逆压电效应将电能转化为机械能,换能器则为在同一个设备里,两种压电效应同时存在。压电材料的特点如图所示:博士学位论文图沟缇宓奶氐
与其它材料制成的器件相比,压电器件具有驱动力大、响应速度快、位移精度高、耗能低、稳定、产生噪音和热量少、设计简单、体积小、使用灵活等优点。世界各国科学家对压电领域开始了广泛而深入的研究,随着压电新材料陆续的产生,压电器件的种类越来越多,应用范围也越来越广,已经广泛用于现代工业、交