基于一次正、二次逆压电效应可作动传感器的研究

摘要

随着传感技术的发展，压电式的传感器和执行器在许多领域得到广泛研究，并逐渐向智能化、集成化、精密微型化及一体化方向发展。本课题来源于史丽萍教授的黑龙江省科技厅青年科学技术基金“压电式微传感器与执行器集成一体化理论及应用研究（项目编号QC08C09）”。本文通过理论、实验和仿真对压电体的多次压电效应进行了分析，并利用其原理设计出可作动传感器，具体工作如下:
　　基于经典压电理论、电介质物理学理论、各项异性弹性力学理论等，在压电陶瓷不同的机械和电学边界条件下，对其从正压电效应开始的各次压电效应理论进行分析。
　　通过建立PZT-5压电陶瓷叠堆的一次正、二次逆和三次正压电效应的实验结构，测量其在外力作用下，压电体各次压电效应产生的电压、力和位移值，并把这些物理量分离开来。利用ANSYS有限元分析软件对从正开始的各次压电效应进行仿真，得出压电体在静态场中各次压电效应产生的电压和位移值。将实验测量和仿真结果与理论输出进行对比，验证理论分析的正确性，及实验结构设置和模型建立的合理性。
　　由于陶瓷叠堆一次正压电效应产生的电荷具有流失特性，对其二次逆必定存在影响，本文通过电路将电荷储存起来，避免泄漏。同时，可进一步将此电路与锂电池组成储能元件，实现压电发电的功能。
　　最后，根据多次压电效应的理论研究与实验验证，提出基于一次正、二次逆压电效应可作动传感器研制的新方法。通过选择可作动传感器的核心元件，确定预紧方式、结构形式和外壳样式等，对整体方案进行设计，设计出新型的可作动传感器，并通过实验验证该方案的可行性。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究综述

1．2．1 多次压电效应国内外研究现状

1．2．2 压电传感器与压电执行器国内外研究现状

1．2．3 压电传感器与压电执行器集成一体化国内外研究现状

1．3 本课题主要研究内容

第2章 多次压电效应理论基础研究

2．1 压电效应理论基础

2．1．1 压电效应

2．1．2 压电体边界条件

2．1．3 压电方程

2．2 多次压电效应理论的提出

2．3 多次压电效应与边霁条件

2．3．1 一次正压电效应与边界条件

2．3．2 二次逆压电效应与边界条件

2．3．3 多次压电效应与边界条件

2．4 外力作用下多次压电效应理论分析

2．5 压电效应与电磁效应的对比分析研究

2．6 本章小结

第3章 外力作用下多次压电效应实验研究

3．1 实验设备

3．2 一次正压电效应的实验研究

3．2．1 压电陶瓷叠堆一次正压电效应的实验研究

3．2．2 基于一次正压电效应的压电发电研究

3．3 二次逆压电效应的实验研究

3．4 三次正压电效应的实验研究

3．5 本章小结

第4章 外力作用下多次压电效应仿真分析

4．1 ANSYS有限元软件应用基础

4．1．1 ANSYS有限元理论

4．1．2 ANSYS在压电传感器中的应用

4．2 多次压电效应的ANSYS仿真分析

4．2．1 一次正压电效应ANSYS仿真

4．2．2 二次逆压电效应ANSYS仿真

4．2．3 三次正压电效应ANSYS仿真

4．3 本章小结

第5章 基于一次正、二次逆压电效应可作动传感器设计

5．1 基于一次正、二次逆压电效应可作动传感器的基本概念及原理

5．2 基于一次正、二次逆压电效应可作动传感器的总体方案设计

5．3 基于一次正、二次逆压电效应可作动传感器的实验验证

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文

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