强激光与粒子束
2024, 36(4): 043007
南京邮电大学 集成电路科学与工程学院， 南京 210023
为了降低谐振频率，实现多方向收集和提高输出性能，提出了一种4π圆弧螺旋压电能量收集器。通过分析器件尺寸与输出性能之间的关系来提高器件性能，将优化后的模型进行COMSOL仿真，分析振动位移、应力以及谐振频率。相对于2π圆弧螺旋压电能量收集器，4π圆弧螺旋压电能量收集器具有更低的谐振频率和更高的输出电压。4π圆弧螺旋压电能量收集器的谐振频率为48 Hz，输出电压达到12.3 V，输出功率达到400 μW。
4π圆弧螺旋 压电能量收集器 输出电压 谐振频率 4π circular arc spiral piezoelectric energy harvester output voltage resonant frequency
该文研究了1-3-2压电复合材料的厚度振动谐振频率与尺寸的关系。应用压电学和弹性动力学理论建立了机电等效图, 对1-3-2压电复合材料的厚度振动模态进行了机电理论分析, 并对其谐振频率进行了计算。利用有限元仿真软件分析了在厚度振动模态下, 1-3-2压电复合材料谐振频率、反谐振频率与尺寸变化的关系。结果表明, 纵向尺寸比变大时, 频率曲线呈下降趋势; 横向尺寸比变大时, 频率曲线呈上升趋势; 横纵尺寸比变大时, 频率曲线呈缓慢下降趋势; 基底厚度变大时, 频率曲线呈先减小后增大趋势。4种情况中, 纵向尺寸比对于整体的谐振和反谐振频率影响最显著。
1-3-2压电复合材料 厚度振动 机电等效图 有限元仿真 谐振频率 1-3-2 piezoelectric composites thickness vibration electromechanical equivalent diagram finite element simulation resonant frequency
1 安徽师范大学物理与电子信息学院, 安徽 芜湖 241002
2 中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海 201899
陶瓷材料作为在微波系统开发中的重要材料, 通常被加工成多种形状, 例如以厘米级别为尺寸的圆柱形和立方体。因此, 对此类样品进行介电常数的测量是一项具有挑战性的工作。针对该难点, 研制了1种基于互补开口环谐振器的双波段介电传感器, 并提出了一种表征不同形状和尺寸样品的介电测量方法。该传感器有2个工作频段, 2个频段均为无线通信频带。在每个频段范围内, 进行了数值模拟并建立了每个样本的拟合模型, 对传感器进行加工并实际测量以验证数值模型和测量精度, 对比参考值, 测量精度高达3.5%。结果表明: 提出的传感器及测量方法能够针对不同形状和尺寸的合成陶瓷进行精确的介电测量, 表明该传感器具有良好的样品自适应性。该传感器的新颖之处在于它能够在不改变传感器和被测物结构的情况下测量厘米级别的各种样品的介电常数。此外, 双频测量也是该传感器的优势, 2个频段之间的差异小于5%。
微波陶瓷 介电常数 双频带 谐振频率 互补开口环谐振器 microwave ceramics dielectric constant dual band resonate frequency complementary split ring resonator
南京邮电大学 电子与光学工程学院, 南京 210023
提出了一种2π弧度的直角螺旋悬臂梁结构的压电能量收集器。该设计一方面可以降低谐振频率,另一方面可以提高单位体积的能量收集效率。悬臂梁整体结构厚度为2 mm,宽度为6 mm,整体尺寸大小为22 mm×26 mm。当施加的激励为0.1g加速度时,仿真输出电压为1.95 V,测量输出电压为1.8 V,相对电压误差为7.7%;仿真谐振频率为269 Hz,测量谐振频率为265 Hz,相对频率误差为1.5%;理论输出功率为7.04 μW,测试输出功率最大为5.79 μW,相对功率误差为17.8%。该压电能量收集器适用于便携式微电子系统。
直角螺旋 悬臂梁 压电能量收集器 谐振频率 right angle spiral cantilever piezoelectric energy harvester resonant frequency
南京邮电大学 集成电路科学与工程学院, 南京 210023
传统矩形悬臂梁上的应力呈非均匀分布,在梁固定端存在一个应力集中区,且沿轴向方向衰减,从而影响压电层的极化效果。同时,矩形悬臂梁结构能量收集器的谐振频率较高。为解决这一问题,文章提出了一种“倒”梯形结构的能量收集器结构。该梯形结构可以有效扩展极化区域,从而捕获到更低频的振动能量。实验发现,在1g振动加速度下,该能量收集器在124 Hz下输出电压为404 mV,输出功率达到41.3 μW。
压电悬臂梁 能量收集器 梯形结构 谐振频率 piezoelectric cantilever energy harvester trapezoidal frame resonant frequency
1 福建师范大学 物理与能源学院 福建省量子调控与新能源材料重点实验室，福建 福州 350117
2 福建省半导体光电材料及其高效转换器件协同创新中心，福建 厦门 361005
3 福建省太阳能转换与储能工程技术研究中心，福建 福州 350117
针对现有安防传感系统高能耗、易受电磁干扰、成本高和铺设困难等缺陷，提出了一种低能耗、高灵敏度、不受电磁干扰的智能光纤传感安防报警系统。系统传感器采用微弯型阶跃光纤结构，在分析微弯光纤传感器光能损耗与谐振频率相对折射率差函数关系的基础上，优化了传感单元的结构参数。实验首先对干扰抑制算法进行测试，从波形分布看出，采用本算法后噪声得到了大幅抑制。在此基础上，又采用系统对不同伪目标干扰进行了测试。选用功率为2.5 mW的650.0 nm激光器、光纤功率计、微弯光纤架和纤芯9 μm的微弯光纤传感器搭建了光纤微弯传感实验，对4种不同安防状态的光电响应特征进行了分析。结果表明，针对不同干扰类型只要采用相应的信号分析手段就能有效降低系统误识别的概率。由此可见，光纤微弯传感系统具有高灵敏、低能耗、抗干扰等优势，满足设计要求，在智能安防领域具有很好的应用前景。
光纤传感 谐振频率 光能损耗 干扰抑制 optical fiber sensing resonance frequency optical energy loss interference suppression 红外与激光工程
2022, 51(8): 20220028
光学 精密工程
2022, 30(22): 2876
沈阳辽海装备有限责任公司, 辽宁 沈阳 110000
水声换能器设计时需考虑结构尺寸及电声特性等因素限制, 快速找到最优设计方案对设计人员非常重要。该文介绍了一种水声换能器参数化优化的设计方法。首先利用ANSYS软件APDL参数化设计语言建立换能器参数化模型, 然后将换能器参数化模型导入ANSYS Workbench平台, 通过设置输入变量和输出变量给出优化约束条件和优化目标, 选择合适优化算法后程序自动进行优化计算, 并给出最优设计结果。结果表明, 该方法可在换能器参数范围内求解最优方案, 同时也能大幅提高设计人员的优化效率。
水声换能器 APDL参数语言 谐振频率 优化 underwater transducer ANSYS Parametric Design Language resonance frequency optimization
1 中国科学院声学研究所, 北京 100190
2 北京新兴东方航空装备股份有限公司, 北京 100195
悬臂梁水听器可在谐振频段接收低频水声信号, 相比传统水听器, 其不仅能提升灵敏度, 还可获得更优越的探测性能, 在海洋工程领域具有广阔的应用前景。该文基于声学超材料设计了一种新的悬臂梁水听器, 研究了声学超材料的负等效原理及材料参数对谐振频率的影响, 获得了降低悬臂梁水听器谐振频率的方法。在此基础上分析了单纯铜梁、三层铜-橡胶梁、五层铜-橡胶梁的一阶固有频率, 并结合实际使用需求选用三层复合结构完成超材料悬臂梁水听器的设计。仿真分析结果表明, 在相同尺寸情况下, 该文设计的水听器比传统悬臂梁水听器具有更低的谐振频率。
声学超材料 悬臂梁 水听器 谐振频率 acoustic metamaterials cantilever beam hydrophone resonant frequency
