含金属芯压电纤维的驱动和传感特性研究

论文摘要

含金属芯压电纤维是一种新型的压电驱动器和传感器,根据表面电极形状可以分为全电极含金属芯压电纤维(MPF)和半电极含金属芯压电纤维(HMPF)。基于结构特点,单根MPF或HMPF既可以用作驱动器,也可以用作传感器。MPF和HMPF的尺寸很小,可以方便地埋入基体结构中用作驱动器和传感器,在智能材料和结构方面有着广泛的应用前景。为了优化设计,面向工程应用,本文对MPF和HMPF的驱动、传感特性进行了较系统的研究,取得了一些有创新意义的研究成果,主要有:(1)采用能量方法,建立了MPF和HMPF的静态本构方程。由此方程,可以得到悬臂杆结构MPF受到外加电压V、轴向力F时,产生的自由端轴向位移δ、电极上产生的电荷Q,也可以得到悬臂梁结构HMPF受到外加电压V、自由端弯矩M、自由端垂直力F和均布载荷p时,HMPF产生的自由端偏转角α、自由端横向位移δ、面积位移A、电极上产生的电荷Q。(2)基于振动理论,采用平均电荷方法,建立了MPF和HMPF的动态本构方程。由此方程,可以得到悬臂杆结构MPF受到外加动态电压V、动态轴向力F时,产生的自由端动态轴向位移δ、电极上产生的动态电荷Q,也可以得到悬臂梁结构HMPF受到外加动态电压V、自由端动态弯矩M、自由端动态垂直力F和动态均布载荷p时,HMPF产生的自由端动态偏转角α、自由端动态横向位移δ、动态面积位移A、电极上产生的动态电荷Q。(3)对悬臂杆结构MPF驱动器和悬臂梁结构HMPF驱动器进行了详细研究。基于MPF和HMPF的静态本构方程,建立了驱动器的的理论模型。研究了金属芯半径和弹性模量对MPF和HMPF驱动性能的影响,驱动性能包括位移、等效力、共振频率、机电耦合系数、最大能量转换常数和最大输出机械能。(4)设计了MPF和HMPF传感器,包括MPF静态电荷型应变传感器、HMPF电荷型(电压型)动态微力传感器。基于MPF的静态本构方程和HMPF的动态本构方程,建立了传感器的理论模型;研究金属芯半径和弹性模量对传感性能的影响;并对这些传感器的性能进行了理论和实验研究。(5)基于MPF和HMPF的静态和动态本构方程,建立了MPF和HMPF的静态和动态两种测试模型,设计了MPF和HMPF的参数测试方法,并实际测试了部分MPF和HMPF样品。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 智能材料结构的发展
• 1.2 智能材料结构中的驱动元件和传感元件
• 1.2.1 压电材料
• 1.2.2 1-3 型压电复合材料
• 1.2.3 压电陶瓷纤维
• 1.2.4 含金属芯压电纤维的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 MPF 的制备和性能表征
• 2.1 MPF 的制备
• 2.2 MPF 的微结构表征
• 2.3 MPF 的铁电性能表征
• 2.3.1 MPF 的电滞回线
• 2.3.2 MPF 的电场应变关系
• 2.4 本章小结
• 第三章 MPF 和HMPF 的静态本构方程
• 3.1 压电方程
• 3.2 MPF 的静态本构方程
• 3.2.1 理论基础
• 3.2.2 外加电压
• 3.2.3 外加电压和轴向力
• 3.3 HMPF 的静态本构方程
• 3.3.1 理论基础
• 3.3.2 外加电压和弯矩
• 3.3.3 外加电压和垂直力
• 3.3.4 外加电压和均布载荷
• 3.4 本章小结
• 第四章 MPF 和HMPF 的动态本构方程
• 4.1 MPF 的动态本构方程
• 4.1.1 外加纵向动态力
• 4.1.2 外加动态电压
• 4.2 HMPF 的动态本构方程
• 4.2.1 悬臂梁结构 HMPF 的弯曲振动模型
• 4.2.2 悬臂梁的自由端受到动态弯矩
• 4.2.3 悬臂梁的自由端受到动态垂直力
• 4.2.4 电极上外加动态电压
• 4.2.5 悬臂梁受到均布动态载荷
• 4.3 本章小结
• 第五章 MPF 和HMPF 的驱动特性研究
• 5.1 MPF 驱动器
• 5.1.1 MPF 的驱动位移
• 5.1.2 MPF 的等效力
• 5.1.3 MPF 的纵向共振频率
• 5.1.4 MPF 的机电耦合
• 5.1.5 MPF 的能量转换常数
• 5.1.6 MPF 最大输出机械能
• 5.2 HMPF 驱动器
• 5.2.1 HMPF 的驱动位移
• 5.2.2 HMPF 的等效力
• 5.2.3 HMPF 的弯曲共振频率
• 5.2.4 HMPF 的机电耦合
• 5.2.5 能量转化常数
• 5.2.6 最大输出机械能
• 5.3 本章小结
• 第六章 MPF 和HMPF 传感特性研究
• 6.1 MPF 传感器
• 6.1.1 MPF 静态纵向应变传感器设计
• 6.1.2 MPF 准静态纵向应变传感器性能测试
• 6.2 HMPF 传感器
• 6.2.1 电荷型HMPF 动态微力传感器设计
• 6.2.2 电压型HMPF 动态微力传感器设计
• 6.2.3 HMPF 动态微位移传感器性能测试
• 6.3 本章小结
• 第七章 MPF 和HMPF 的参数测量
• 7.1 MPF 的参数测试方法和结果分析
• 7.1.1 MPF 的静态参数测试
• 7.1.2 MPF 参数动态测试模型和方法
• 7.2 HMPF 的参数测试
• 7.2.1 HMPF 的静态测试方法
• 7.2.2 HMPF 参数动态测试方法
• 7.3 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间研究成果及发表的学术论文