表面部分電極含金屬芯壓電纖維仿生氣流與振動(dòng)傳感特性研究.pdf

1、含金屬芯壓電纖維具有直接的機(jī)電轉(zhuǎn)換性能，可以模仿自然界的生物毛發(fā)感受器，感知周圍環(huán)境的氣流變化或振動(dòng)情況。把含金屬芯壓電纖維用作仿生氣流與低頻振動(dòng)傳感器時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)纖維表面電極的分布形式，制備新型的含金屬芯壓電纖維器件。本文設(shè)計(jì)了兩種新的表面電極分布形式，即表面部分電極含金屬芯壓電纖維(PMPF，Partial electrode of metal core piezoelectric fiber)和表面對(duì)稱電極含金屬芯壓電纖維(S

2、MPF，Symmetricelectrodes ofmetal core piezoelectric fiber)，并對(duì)PMPF和SMPF的氣流、振動(dòng)傳感特性進(jìn)行了初步的研究，取得了一定的成果，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)設(shè)計(jì)并制備了表面部分電極含金屬芯壓電纖維(PMPF)，基于能量法和平均電荷法，分別建立了懸臂梁結(jié)構(gòu)PMPF靜態(tài)氣流傳感模型和動(dòng)態(tài)氣流傳感模型。通過理論與數(shù)值仿真，給出了PMPF產(chǎn)生的電荷值與表面電極分布角度、纖

3、維長(zhǎng)度的關(guān)系。搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試了PMPF對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)氣流和動(dòng)態(tài)氣流的響應(yīng)，驗(yàn)證了PMPF對(duì)氣流的速度和方向的傳感性能。
　　(2)根據(jù)第四類壓電方程和機(jī)械振動(dòng)理論，建立了懸臂梁結(jié)構(gòu)PMPF電壓型振動(dòng)傳感模型?；诶碚撃Ｐ?，分析了PMPF表面金屬層電極分布角度和長(zhǎng)度對(duì)產(chǎn)生電壓值的影響，以及PMPF的結(jié)構(gòu)尺寸與其彎曲共振頻率的關(guān)系。搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)量了PMPF的振動(dòng)沖擊響應(yīng)和簡(jiǎn)諧激勵(lì)響應(yīng)，驗(yàn)證了懸臂梁結(jié)構(gòu)PMPF電壓型振動(dòng)傳感理論模

4、型。
　　(3)設(shè)計(jì)并制備了表面對(duì)稱電極含金屬芯壓電纖維(SMPF)，基于第一類壓電方程，建立了懸臂梁結(jié)構(gòu)SMPF的氣流傳感理論模型，推導(dǎo)了SMPF產(chǎn)生電荷與氣流速度、方向之間的關(guān)系，分析了中間金屬芯對(duì)SMPF表面兩電極電荷值以及對(duì)纖維機(jī)械性能的影響。并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了懸臂梁結(jié)構(gòu)SMPF對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)氣流的速度和方向傳感性能。
　　(4)根據(jù)第一類壓電方程和機(jī)械振動(dòng)理論，建立了懸臂梁結(jié)構(gòu)SMPF的振動(dòng)傳感理論模型，分析了