针对压电悬臂梁的振动问题, 该文提出了一种模糊滑模主动控制策略, 以在抑制悬臂梁振动的基础上减小抖振。根据均质梁单元和压电梁单元运动方程引入状态向量,建立了压电悬臂梁的状态空间方程。通过平衡截断法对压电悬臂梁模型进行降阶,以提高计算效率, 并以降阶模型为对象设计了模糊滑模控制器。运用模糊规则调节切换增益,饱和函数替换符号函数, 有效地减小了滑模控制的抖振现象, 利用Lyapunov函数证明其稳定性。结果表明, 基于饱和函数的模糊滑模控制不仅能控制压电悬臂梁的振动, 还能降低抖振现象。

微颗粒操控技术以其控制精确,成本低及简洁高效的特点, 在生物医学工程和微纳米器件制造领域有广阔的应用前景。传统操控方法对无磁性、无导电性及大密度固体微颗粒的操控存在不足。因此, 该文提出一种基于压电悬臂梁低频振动的微颗粒操控系统, 利用流场底部流动实现微颗粒的聚集。聚集显微实验表明, 压电振子的低频振动激发流场底部流动, 使培养皿底部的球型氧化铝颗粒向目标区域移动和聚集, 并在122 s时达到稳定状态。对试验结果进行图像处理, 结果表明, 微颗粒稳定聚集后的聚集面积为79 405 μm2。该操控方法可实现大密度微颗粒的聚集, 且聚集范围大, 可为微纳器件制造提供参考。

该文提出了一种基于弹簧振动平台的上变频压电俘能器，解决了低频振动能量收集效率低的问题。分析了压电悬臂梁输出功率与激励频率的三次方正相关，解释了采用上变频收集低频振动能量的原因。应用赫兹接触理论分析了拨片与压电悬臂梁的接触力，建立了拨动式激励的压电俘能器机电耦合模型。在综合考虑重叠长度和拨片厚度等影响因素后，选取厚度0.1 mm矩形不锈钢拨片。实验表明，在1g(g=9.8 m/s2）、5.67 Hz的激励信号下,单拨动式上变频V25W型压电悬臂梁输出功率可达9.6 mW，具有很强的低频能量收集性能。

针对振动能量采集器对环境中振动能量响应频带较窄的问题, 该文提出了一种弹性支承外部磁铁的非线性切断式二自由度压电能量采集器。该弹性支承保证了能量采集器处于双稳态中, 实现了能量采集器的宽频带响应。建立了采集器的集中参数理论模型, 并研究了不同频率的正弦外界激励下该能量采集器弹性支承外部磁铁与内梁自由端磁铁的间距值变化对采集器电压输出和采集频带的影响。仿真和实验结果表明, 随着弹性支承的外部磁铁和内梁自由端磁铁的间距逐渐减小, 采集器的均方根电压输出逐渐增大, 其采集频带也相应被拓宽。当能量采集器的水平间距值从10 mm调整为5 mm时, 该能量采集器一阶谐振频率的均方根电压增长了1.5倍, 同时二阶谐振频带拓宽了2.25倍。

利用压电材料的环境振动能量收集技术具有能量密度大, 无电磁干扰, 较易收集的特点, 该文提出一种自供电式压电振动能量采集电路, 即基于耦合电感的同步电荷提取和电压翻转电路(SCET&VII), 利用电子仿真软件LTspice对标准能量采集(SEH)电路、同步电荷提取(SECE)电路和SCET&VII进行仿真分析和对比。结果表明, 在相同振动激励条件下, SCET&VII接口电路的负载取用功率是SEH的2.65倍、SECE的1.76倍, 且功率输出不受负载影响, 同时实现了能量收集中的开关动作能量自给。