针对偏远地区及特殊场景下的低功耗无线传感节点电源维护不易的问题, 该文对一种基于流激振荡现象的流体动能收集技术进行了研究, 结合压电技术可实现流体动能转换至电能的过程。通过对流激振荡现象进行数值模拟及实验研究, 分析了空腔结构中的流场及声场分布特性, 探究了流体速度对声振荡频率及幅值的影响规律。利用COMSOL软件对声电转换过程进行仿真, 实现了完整的流体动能-电能的转换过程。研究结果表明, 在一定的速度条件下存在频率稳定的声振荡区间, 可驱动压电换能装置输出频率稳定的电压, 当气体流速为30.5 m/s时(相当于高压输气管道的流速范围), 声场压力振幅可达6.12 kPa, 对应的输出开路电压为2.62 V。当外接15 kΩ电阻时, 最高输出功率可达0.29 mW。

为突破压电式雨量传感器在小雨滴粒径方面的检测精度, 该文提出了一种新型的换能器设计结构。在传统换能器结构四周增加压电双晶片的外围结构, 通过ANSYS瞬态分析法分别对中心弧形结构、外围压电双晶片、压电纤维复合材料及压电纤维复合材料双晶片等结构在不同冲击位置的电压进行仿真分析, 同时对压电纤维复合材料双晶片因不同水膜厚度引起的阻抗特性进行仿真分析, 最后验证了仿真结构的有效性。结果表明, 该研究对于新型雨量传感器提高雨滴检测的灵敏度, 实现新型雨量传感器关键技术突破起到了一定支撑作用。

针对超声耦合无线电能传输系统研究的需要, 对水下超声耦合无线电能传输系统发射换能器进行选型, 确定换能器类型及工作频率。基于夹心式纵振压电换能器一维设计理论对发射换能器进行优化设计, 在深入分析圆锥形前盖板延展系数对换能器振速比和等效机电耦合系数影响的基础上, 选取的延展系数能同时兼顾换能器振速比和等效机电耦合系数均为较优值, 并据此进一步确定换能器全部结构尺寸。实际测试结果表明, 试制的发射换能器实际谐振频率为38.552 kHz, 等效机电耦合系数为0.149, 满足实际需要。

声学多普勒流速剖面仪(ADCP)在海洋学中应用广泛, 是目前最主要的流速流量测量设备, 其关键部件是压电换能器, 用以发射和接收声学信号。该文结合ADCP仪器自身的发展, 梳理了ADCP压电换能器及其阵列的研究进展, 并对压电换能器及ADCP的校准方法进行简要概述。

目前通过导纳圆获取压电换能器等效参数的方法较复杂, 导致阻抗分析仪成本高,结构复杂,体积大及便携性差。为了更简单准确地测量压电换能器的等效参数, 该文从压电换能器等效电路出发, 提出了两种通过给定4个特定频率即可直接推导出换能器等效参数的方法。方法一的算法简单, 只需测量4个特定频率下换能器两端电压、电流有效值; 方法二需要在此基础上获得电压、电流的相位差。通过仿真分析结果表明, 方法一的测量误差较大; 方法二与阻抗分析仪PV520A测量结果相比其误差小于1.5%, 测量精度较高。

针对橡胶等难切割材料的加工问题, 该文设计了一种基于夹心式压电换能器的超声刀。根据振动及波动理论设计了夹心式压电换能器及其变幅杆。利用有限元分析软件ANSYS 14.0对超声刀进行了模态分析, 得到了超声刀工作模态的谐振频率。最后搭建实验测试平台, 通过实验测出了样刀的谐振频率, 并进行了功率和切割效果测试。实验结果表明, 随着负载的增加, 超声刀的功率呈线性变化, 且负载相同时, 输出功率随驱动电流的增大而增大, 参考电流分别为200 mA、250 mA、300 mA时, 对应切割7张纸的功率分别为3.7 W、4.1 W、5.9 W, 功率特性良好。与普通刀具相比, 超声刀切割时, 切口更光滑整齐, 切割效果良好。

为了解决电容管电调滤波器插入损耗大的问题, 该文设计了一款以压电换能器为电调元件、介质基片为微扰片的七阶平行耦合线电调滤波器。采用高频结构仿真器(HFSS)和先进的设计系统(ADS)对滤波器的结构参数进行联合仿真和优化, 分析了滤波器的耦合系数和外部品质因数随微扰片间距变化的关系。将氧化铝陶瓷基板、压电换能器(PET)和微带滤波器组装在一起构成压电换能器电调滤波器, 并用网络分析仪测量滤波器在不同直流电压下的S参数。测量结果表明, 中心频率调谐范围为4.38~4.78 GHz时, 通带的反射损耗大于10 dB, 插入损耗小于1.5 dB, 达到了设计要求。

木结构在受压荷载作用下, 会造成木材承载力不足及内部损伤,但对木结构进行无损监测的方法较少。该文基于压电传感器对木材在轴压和局压作用下进行了损伤监测可行性研究, 在木材表面贴装压电传感器, 利用应力波的主动传感方法, 以一个压电传感器作为信号发射器, 另一个压电传感器作为信号接收器, 在木材结构产生损伤时, 监测到的应力波相应减小。基于应力波的衰减, 可以采用小波包能量法将其转换为损伤指标, 以此来监测结构损伤。结果表明, 压电信号幅值与木材的损伤程度相关性较强, 该木材无损监测方法具有良好可行性。

基于压电传感器的板类结构兰姆(Lamb)波损伤检测, 提出了一种利用单一模态Lamb波的无基准损伤检测方法, 并在铝板上进行损伤检测实验。根据压电传感器的理论模型, 实验中选取单一模态Lamb波检测频率, 并从含损伤板的检测信号中准确识别出损伤反射回波信号, 根据损伤反射回波传播时间及对应的理论群速度, 计算了损伤与传感器的距离。针对理论群速度和实际群速度差异对距离计算造成的误差, 提出了一种改进的计算方法, 将误差降低到3%以下。结果表明, 利用单一模态Lamb波可识别结构中的损伤散射信号, 并可有效计算损伤与传感器的距离。

微位移装置是指在外力或者电场、磁场等作用下, 直接或间接由微结构杠杆放大产生精密微量移动, 实现精密定位的装置, 例如采用压电陶瓷的逆压电效应、由电压控制产生微位移蠕动。以干涉仪中移相器为典型微位移装置代表, 总结多年来科研工作中对微位移装置伸长量的测量与在线标定方法, 实现了干涉仪中步长为λ/8(λ=632. 8 nm)的准确移相; 通过研究基于电容器件的位移反馈, 实现了分辨率优于10 nm的精密定位。