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。

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。

为了提升压电执行器输出位移的性能, 该文采用模糊神经元比例、积分、微分(PID)控制器对其输出位移进行控制。首先, 分析了压电悬臂梁执行器机电特性, 搭建其动力学模型; 其次, 将模糊算法、神经元、PID三者相结合, 设计出一种能快速、精确、抗干扰能力强的控制器; 最后, 对压电悬臂梁执行器控制系统进行了仿真, 并通过实验验证了该控制器的性能。结果表明, 压电执行器对5 μm阶跃目标位移的响应时间为0.3 s, 且无超调, 稳态误差中线由无控制时的0.57~0.66 μm减小为几乎为0; 在跟踪由正弦信号、常值信号、斜坡信号所组成的目标位移时, 跟踪误差几乎为0。该文所设计控制器可消除压电执行器的定位误差, 并使其具有抗干扰能力强, 响应迅速, 无超调量等优点。

为了进一步研究非线性材料基底对于压电能量采集器输出性能的影响, 该文对以FR-4绝缘板为基底的悬臂梁式压电能量采集器的结构参数进行优化研究。在正交实验和单因素实验方案的指导下, 通过仿真及实验验证得出各参数对采集器输出影响的一般规律。结果表明, 基底厚度对结构固有频率影响最大, 贡献率达到了91.98%。悬臂梁长L、厚S和宽H改变时, 输出响应曲线呈现出非线性特性; 而末端质量m与输出性能间则存在近似线性的关系。实验中, 当L=80 mm, S=13 mm, H=1 mm, m=1 g时, 输出功率可达37 μW。通过方差分析结果表明, 末端质量对输出性能的影响最大, 梁宽对输出性能的影响次之, 梁长对输出性能的影响最小。

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。

为了完善压电悬臂梁非耦合集**数模型, 进而优化设计压电振子, 本文根据机械振动理论以及阻尼理论, 建立了单晶压电振子等效阻尼系数的理论模型。理论分析并实验验证了基板材料性能, 结构尺寸以及截面形状等不同因素对等效机械阻尼及电阻尼的影响规律。最后, 制备了3组不同形状尺寸的压电振子样品, 并进行了冲击振动试验来验证理论分析结果。研究表明, 压电材料层对整体阻尼的影响主要取决于基板与压电材料的弹性模量比; 压电材料每个振动周期的电能损耗与悬臂梁长度的三次方成正比, 与宽度成反比; 而决定振幅放大因子的阻尼比并非随结构尺寸单调变化。实验结果与理论模型的误差为2.5%~14.7%, 证明了理论模型的可靠性。分析表明, 在可承受极限载荷相同的情况下, 静态特性最优的变曲面悬臂梁动态特性并非最佳, 得到的结果对于压电振子的优化设计具有现实意义。

建立了单、双晶压电梁发电能力的仿真分析模型,研究了结构尺寸、激励方式及材料性能等对其发电能力的影响规律.研究表明,在基板材料及激励条件相同时,存在不同的最佳厚度比使单、双晶压电梁发电能力最大,双晶梁的最大发电量约为单晶梁的2倍.基板材料不同时,最佳厚度比随杨氏模量比增加而减小,铝、钼基板构成的单、双晶压电梁的最佳厚度比分别为(0.7,0.35)和(0.45,0.2).在相同的厚度比及外界激励条件下,杨氏模量比对两种压电梁发电能力的影响不同,杨氏模量比低于3.3时,双晶梁的发电量均大于单晶梁.