表面部分电极含金属芯压电纤维仿生气流与振动传感特性研究

摘要

含金属芯压电纤维具有直接的机电转换性能，可以模仿自然界的生物毛发感受器，感知周围环境的气流变化或振动情况。把含金属芯压电纤维用作仿生气流与低频振动传感器时，需要重新设计纤维表面电极的分布形式，制备新型的含金属芯压电纤维器件。本文设计了两种新的表面电极分布形式，即表面部分电极含金属芯压电纤维(PMPF，Partial electrode of metal core piezoelectric fiber)和表面对称电极含金属芯压电纤维(SMPF，Symmetricelectrodes ofmetal core piezoelectric fiber)，并对PMPF和SMPF的气流、振动传感特性进行了初步的研究，取得了一定的成果，主要研究内容如下:
　　(1)设计并制备了表面部分电极含金属芯压电纤维(PMPF)，基于能量法和平均电荷法，分别建立了悬臂梁结构PMPF静态气流传感模型和动态气流传感模型。通过理论与数值仿真，给出了PMPF产生的电荷值与表面电极分布角度、纤维长度的关系。搭建了实验系统，测试了PMPF对准静态气流和动态气流的响应，验证了PMPF对气流的速度和方向的传感性能。
　　(2)根据第四类压电方程和机械振动理论，建立了悬臂梁结构PMPF电压型振动传感模型。基于理论模型，分析了PMPF表面金属层电极分布角度和长度对产生电压值的影响，以及PMPF的结构尺寸与其弯曲共振频率的关系。搭建了实验系统，测量了PMPF的振动冲击响应和简谐激励响应，验证了悬臂梁结构PMPF电压型振动传感理论模型。
　　(3)设计并制备了表面对称电极含金属芯压电纤维(SMPF)，基于第一类压电方程，建立了悬臂梁结构SMPF的气流传感理论模型，推导了SMPF产生电荷与气流速度、方向之间的关系，分析了中间金属芯对SMPF表面两电极电荷值以及对纤维机械性能的影响。并搭建了实验系统，实验验证了悬臂梁结构SMPF对准静态气流的速度和方向传感性能。
　　(4)根据第一类压电方程和机械振动理论，建立了悬臂梁结构SMPF的振动传感理论模型，分析了悬臂梁结构SMPF固定端在受到简谐激振和冲击激振时，SMPF产生电荷和振幅、方向之间的关系。搭建了实验系统，测试了悬臂梁结构SMPF的简谐激励响应;并把SMPF粘贴到等强度梁自由端，测试了等强度梁受到冲击碰撞时，SMPF的响应，验证了SMPF的振动传感性能。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 仿生流量传感器研究现状

1．2．1 毛发感受器的理论模型研究

1．2．2 基于不同原理的仿生毛发传感器

1．3 压电纤维的发展历史及研究现状

1．3．1 压电纤维复合材料

1．3．2 含金属芯压电陶瓷纤维

1．3．3 含金属芯压电陶瓷纤维的研究现状

1．4 论文的主要研究内容

第二章 压电效应及含金属芯压电纤维的理论基础

2．1 压电效应

2．2 压电方程

2．3 含金属芯压电纤维的压电方程

2．4 本章小结

第三章 含金属芯压电纤维的制备

3．1 压电纤维的制备方法

3．1．1 溶胶—疑胶法

3．1．2 悬浮纺丝法

3．1．3 挤压法

3．2 PZT5压电陶瓷粉

3．3 含金属芯压电纤维的制备

3．3．1 制备所需要的实验仪器

3．3．2 含芯压电纤维的制备过程

3．4 本章小结

第四章 表面部分电极含金属芯压电纤维电荷型气流传感特性研究

4．1 PMPF的气流传感原理

4．2 圆柱绕流特性分析

4．2．1 绕流物体的阻力

4．2．2 卡门涡街

4．3 PMPF的静态气流传感理论模型

4．4 PMPF动态气流传感模型

4．5 数值分析

4．6 PMPF气流传感实验

4．6．1 气流传感实验平台

4．6．2 实验装置

4．6．3 PMPF与风速传感器对比试验

4．6．4 PMPF的准静态气流传感实验

4．6．5 在动态气流激励下的PMPF电荷输出实验研究

4．7 本章小结

第五章 表面部分电极含金属芯压电纤维电压型振动传感特性研究

5．1 理论模型

5．1．1 压电方程

5．1．2 PMPF的振动传感模型

5．1．3 悬臂梁结构PMPF的弯曲共振频率

5．2 数值仿真

5．3 实验

5．3．1 悬臂梁结构PMPF的振动冲击响应

5．3．2 悬臂梁结构的PMPF简谐激振响应

5．3．3 表面电极分布角度α

5．4 本章小结

第六章 表面对称电极含金属芯压电纤维电荷型气流传感特性研究

6．1 表面对称电极含金属芯压电纤维SMPF

6．2 SMPF的静态气流传感理论模型

6．3 数值仿真

6．3．1 SMPF表面两电极间的电荷值与中间金属芯的关系

6．3．2 纤维的抗弯刚度与中间金属芯的关系

6．4 SMPF的准静态气流传感实验

6．4．1 SMPF表面两电极间的电荷与气流速度大小的关系

6．4．2 SMPF表面两电极间的电荷与气流来向的关系

6．5 本章小结

第七章 表面对称电极含金属芯压电纤维电荷型振动传感特性研究

7．1 SPMF振动传感模型

7．2 SMPF的振动传感实验

7．2．1 悬臂梁结构SMPF的简谐激振响应

7．2．2 悬臂梁结构SMPF的冲击激振响应

7．3 本章小节

第八章 总结与展望

8．1 论文总结和主要创新点

8．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果

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