基于压电振动传感器的骨折愈合状态模拟实时检测系统

为解决传统影像检查无法实时检测骨折愈合状态,以及植入式检测方法手术难度大、可能引起排斥反应的问题,设计了一种基于压电振动传感器的骨折愈合状态模拟实时检测系统。该系统主要包括5个部分:骨折愈合状态模拟、振动模块、振动信号调理模块、单片机控制模块和上位机。通过模拟环境采集骨折愈合状态的振动信号,然后通过单片机控制模块传输至上位机进行处理并实时检测。同时,对比分析朴素贝叶斯、决策树和随机森林集成学习几种不同算法在检测分类效果上的差异。结果表明,使用随机森林集成学习算法进行骨折愈合状态模拟的检测分类,响应时间不超过0.2 s,准确率达98.2%,这不仅保证了系统的实时性,而且提高了系统检测分类的准确性。

基于响应面法的螺栓预紧力压电振动传感器结构多目标优化设计

为优化用于螺栓预紧力监测的压电式振动传感器结构参数,增大输出响应并优化其动态性能,提出以压电片最大等效应变、10 Hz传感器固有频率和传感器最小质量为优化目标,将响应面法(response surface methodology,RSM)与多目标遗传算法(multi-objective genetic algorithm,MOGA)相结合的设计方法。选取质量块厚度、悬臂梁和压电片的长度、宽度和厚度作为设计要素,采用最佳空间填充设计实验方案,构建标准响应面模型,并基于MOGA得到传感器的最佳结构参数组合,最后根据优化结果进行数值模拟验证。结果表明:优化后的悬臂梁和压电片结构尺寸分别为100.0 mm×45.0 mm×0.7 mm、45.0 mm×18.0 mm×0.7 mm,质量块厚度为15.0 mm,传感器结构谐振频率减小为9.49 Hz,输出响应增大了6.39%。该优化设计可用于螺栓预紧力的监测。

宽频压电振动微能量采集研究现状及对策

对宽频压电振动微能量采集研究现状进行了分析。针对现有研究存在的局限性,提出一种集成多模态和弹性绳牵引技术的新型压电悬臂梁式振动能量采集装置设计。其中,多模态技术可在两个相邻振动模态处输出较高的功率,而弹性绳牵引则引入刚度分段线性特性,可使采集器在跨越这两个模态频率范围内均实现较高功率的输出。该型压电俘能装置具有原理简单、结构易实现、有效俘能频带宽等特点,可以为压电自供电技术的工程化应用提供一种可行的设计思路。

悬臂梁式压电振动能采集器的建模及实验验证

为了根据环境振动和电学负载的特点对悬臂梁式微型压电振动能采集器进行优化,本文考虑质量块质心与悬臂梁末端的位置差异,建立了在基础激励作用下采集器的运动微分方程和边界条件。通过引入常数,建立了对单压电层、双压电层并联和双压电层串联的3个悬臂梁式微型压电振动能采集器均适用的耦合电路方程,得到了采集器固有频率和振型的表达式,推导了简谐基础激励和任意基础激励作用下的输出电压表达式。实验结果显示,对于3个振动能采集器样机而言,以上固有频率和输出电压表达式的相对误差分别小于10%和20%,表明该模型基本满足微型压电振动能采集器优化设计的要求。

气体耦合式宽带/低频压电振动俘能器

为实现低频/宽频带/高强度振动能量回收及基于能量回收的主动振动控制,提出了一种气体耦合式振动俘能器。介绍了俘能器的系统构成原理,对其能量回收特性进行了理论与试验研究。理论分析结果表明,俘能器的发电能力及特性是由环境振动强度、气缸/压电振子的结构与性能参数、系统质量/背压等多种要素共同决定的;其它条件确定时,存在使电压最大的最佳频率以及使俘能器工作与否的最低临界频率;增加背压/质量可不同程度地提高俘能器的输出电压和有效带宽、降低临界频率,但对最佳频率无明显影响。采用Ф60×0.9mm3双晶压电振子及Ф16×100mm3气缸制作了样机,测试了不同背压及质量时俘能器的电压-频率特性。结果表明,俘能器最佳/临界频率、最大输出电压及有效带宽等与背压/质量关系均与理论分析结果相吻合。不同条件下所测得的最佳频率均为55Hz左右;背压0.4 MPa、质量10kg时所获得临界频率/最大输出电压/对应25V输出电压有效带宽为9Hz/88V/72Hz,分别为质量2.5kg时的0.36倍、2倍和2.2倍。

自调谐宽频带压电振动发电机的改进

压电振动发电机使无线传感器网络实现能量自给。然而,压电振动发电机仅在与外界振源共振时才得到较高的能量转换效率。为此提出一种改进的自适应频率调谐的压电振动发电机,利用同步开关刚度控制电路改变结构固有频率,使之趋近于激励频率,是一种控制简单、控制效果好的半主动控制方法。在建立系统机电模型基础上,推导了开关控制电路相关公式,并根据系统特点运用基于梯度法的模型参考自适应控制方法。实验结果与理论分析结果一致,改变调频系数,结构固有频率相对变化率可以达到5.1%,且在一定频率调节范围内可以实现自供能。

压电振动能量收集装置研究现状及发展趋势

随着无线技术及微机电技术的日益发展,以化学电池为主的供能方式的弊端日渐显露,压电振动能量收集装置以其结构简单、清洁环保及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视。从振动能量收集常用的压电材料及其压电性入手,从压电振动能量收集装置的结构设计和能量收集电路设计两方面对其进行阐述。在结构设计方面,以压电振动能量收集结构的方向性和响应频带为主线,详细介绍国内外研究者在压电振动能量收集装置结构设计上的变化与创新;在能量收集电路设计方面,以能量收集效率的提高为主线,介绍了电路结构的优化改进。最后,总结了压电振动能量收集装置未来的研究趋势和方向,为从事压电振动能量收集研究的人员提供参考。

非线性宽频压电振动能量采集器的研究

为改善双稳态压电振动能量采集器在基础低幅值激励条件下的输出性能,提出了一种带有线性放大器的非线性宽频压电振动能量采集器,通过线性放大器对基础低幅值激励进行一级放大后,激发双稳态压电振动能量采集器进入高能轨道的大幅值周期振动,从而提高能量采集器的输出性能。根据力学和电学平衡方法建立了非线性宽频压电振动能量采集器的两自由度集总参数模型和运动微分方程,并对系统模型进行时域和频域求解,仿真分析了系统质量比、刚度比等参数对系统输出特性(振动位移、速度、相图和输出电压等)的影响。最后,通过与双稳态压电振动能量采集器输出性能的实验结果对比分析,表明非线性宽频压电振动能量采集器在较小的激励幅值作用下具有更高的输出特性和更宽的工作频带。

宽频压电振动能量采集器的实验研究

为改善线性单频谐振式压电振动能量采集器的输出性能,研制了双自由度宽频压电振动能量采集器样机模型,搭建了样机实验测试平台,研究了系统刚度比和负载电阻等参数对能量采集器输出性能的影响。通过调节系统刚度比,不仅可以拓宽压电振动能量采集器的工作率带,还提高了压电振动能量采集器的输出电压和输出功率。结果表明:在基础振动加速度为40m/s^2和负载电阻为471kΩ条件下,双自由度宽频压电能量采集器的工作频带是单频系统的7倍,最大输出功率是单频系统的4.5倍。

蒲公英状压电振动能量收集装置宽频带设计

研究了蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,以解决环境振源振动频率多变的问题。建立了蒲公英状压电振动能量收集装置谐振频率的理论模型并进行了数值模拟,结果表明,该能量收集装置的谐振频率并不是可以任意拓展的。为验证理论分析的正确性,进行了蒲公英状压电振动能量收集装置的频率响应实验,得到的实验结果与理论分析基本吻合,说明了本文理论分析的可靠性。最后对宽频带的蒲公英状压电振动能量收集装置进行了发电性能测试实验,结果表明,通过对蒲公英状压电振动能量收集装置的宽频带设计,其在20～34Hz有较大的功率输出,且最大输出功率达到了约2.3mW。本文的设计有效地拓宽了该装置的谐振频率范围,易于实现与环境振源的匹配而获得较高的能量收集能力。

带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器

针对带弹性放大器的双稳态压电振动能量采集器,利用Hamilton原理和Raleigh-Ritz方法建立了压电振动能量采集器的机电耦合分布参数模型。重点分析了激励频率Ω≥1时系统质量比、刚度比、磁铁对间距等参数对系统输出性能的影响。研制了压电振动能量采集器原理样机,搭建了实验测试平台,实验测试了压电振动能量采集器的输出性能。研究结果表明带弹性放大器的压电振动能量采集器是一个非线性双自由度系统,具有两个双稳态运动区域;在激励频率Ω≥1时压电振动能量采集器需要较大的激励能量才能进入大幅值周期振动状态。

非线性压电振动能量俘获行为建模及其不同参数影响机理研究

如何利用非线性特性来改善压电振动能量捕获性能是工程实际中需要解决的一个问题,为此建立了非线性压电振动能量捕获行为的数学模型,利用定积分法推导了该模型的数值计算方法,并针对不同参数对非线性压电振子输出电能的影响特性进行了数值仿真,结果表明:减小非线性阻尼、增大非线性压电耦合系数均有利于提高非线性压电振动能量俘获的性能;减小非线性刚度能提高低频振动能量俘获的输出,但减小了共振带宽。

垂直驱动式压电振动送料器的设计

利用环形压电陶瓷微位移和大输出力的特点,设计了一种垂直驱动的新型结构送料器,分析了该结构送料器的工作原理并建立了整个振动系统的动力学模型.通过理论分析,确定了系统振动模态、振幅、固有频率和物料运动状态等决定送料器性能的重要参数.通过样机制作和实验测试得到了系统固有频率的分布曲线以及振幅与输送速度的关系曲线.实验结果表明,样机的最佳工作频率为195Hz;滑动输送振幅区间为17～27μm,输送速度可达到123.5mm/s;抛掷输送振幅区间为27～32μm,输送速度可达到140.5mm/s.与同型号悬臂梁式压电振动送料器相对比,该送料器性能有所提高、结构空间更紧凑,可以满足工业生产的使用要求.

双振子垂直驱动式压电振动送料器的设计

利用压电陶瓷的逆压电效应,采用上下两个环形压电振子垂直驱动的结构,设计了一种新型压电振动送料器。通过理论分析得出了送料器系统的固有频率以及影响料斗振幅的主要因素。利用Hypermesh软件对整个系统进行了动力学仿真,分析了系统的前三阶振型并得出了系统无阻尼固有频率的理论值为110.95Hz。采用M5螺母为输送物料对样机进行了试验,分析了输送速度以及料斗振幅与驱动电压和驱动频率的关系,并与现有同型号悬臂梁式压电振动送料器进行了性能对比。当驱动电压为240V、驱动频率为系统实际共振频率105Hz时,该新型结构压电振动送料器的输送速度为0.23kg/min,料斗振幅为110μm,可以满足工业生产的需求。

Z型压电振动能量收集装置

为解决压电振动能量收集结构难以同时满足宽频带、三维、高效采集等要求的问题,提出一种以Z型梁代替集中质量块的压电振动能量收集结构。通过Z型梁引入非线性质量,使收集器在低频范围内集中更多模态,拓宽采集频带。利用Z型梁结构的纵向和横向不稳定性实现收集器的三维度能量采集功能。分析了Z型梁在宽度增加后的动力学特性,探讨了压电片阵列排布的采集性能,并建立仿真模型和搭建实验平台,与螺旋形梁结构和经典悬臂梁质量块结构的动力学特性进行了对比。仿真及实验结果表明:当梁折叠层数为7层时,频率在50 Hz以内的模态数量达到了9个,在1~100 Hz间隔1 Hz的谐波激振下,Z型压电梁正向的采集电压-频率曲线峰值多达4个,且主要集中在0~40 Hz,最大开路电压达到16 V,大大拓宽了采集频带;横向和纵向的最大开路电压峰值均在10 V以上,横向和纵向的采集电压-频率曲线峰值数量均大于4个,实现了三维度能量采集,负载10 kΩ时最大输出功率达到了0.18 mW;在Z型梁宽度增加到100 mm时,在200 Hz范围内模态数大于30个,双贴片串联采集电压曲线峰值多达4个,最大电压达到了14 V,验证了Z型梁适用于压电片阵列排布。

磁力弹簧式压电振动送料器的设计与试验

针对压电送料器随外部载荷变化输送速度不稳定的问题,提出了一种利用磁力弹簧改变传振性能及系统共振原理的新型结构压电振动送料器装置。分析了磁力弹簧式压电振动送料器的工作原理,建立了振动送料器的动力学模型,计算分析得出了影响振动送料器输送性能的主要因素。制作了系统结构样机,利用阻抗分析仪测得系统的共振频率和阻抗特性。设计了振动送料器的试验装置。试验测试分析表明:系统在共振条件下,磁力弹簧轴向间距为2.8 mm时,振幅达到123μm,提高了系统的承受载荷,并且在一定的载荷范围内保证了物料稳定、均匀快速的输送。

激励环境下悬臂梁式压电振动发电机性能分析

为了提高有限体积内压电振动发电机的发电能力,针对外力和位移激励环境,通过数学模型及ANSYS仿真分析了单、双晶压电发电机结构参数与输出电压及谐振频率之间的关系并进行了实验验证。研究结果表明,在外力激励环境下,应尽量增加压电梁的长度,减小宽度;在位移激励环境下,应尽量降低压电梁的长度。同时,在两种激励环境中,均应优先选用小厚度比的双晶压电梁。

悬臂梁式压电振动发电机的建模及仿真

压电振动发电机是一种能量密度大、无污染、结构简单的新型供电装置。从悬臂梁式双压电片机械模型出发,运用压电学和材料力学的基本理论,建立起压电振动发电机的机电耦合模型。将数学模型用传递函数的形式表示,并利用Matlab/Simulink仿真工具直观地得到输入和输出随时间和负载变化的关系。分别分析了阻性负载和容性负载结构特性和输出特性,并与相关文献的实验结果进行对比。通过对仿真结果的分析和对比,验证了该模型建立的正确性,为优化设计提供了基础。

压电振动陀螺仪实时小波滤波方法研究

针对压电振动陀螺仪在工程中应用的需求,对压电振动陀螺仪输出信号中的噪声特点进行了分析,提出一种由无限冲击响应数字低通滤波(IIR)和实时小波滤波相结合的实时滤波方法。该小波算法的正逆变换算法的空间复杂度从384降到360,半软阈值算法时间复杂度从4 096降到4 032。应用MATLAB7.1对实验数据和完整算法程序的仿真表明,该方法能实时有效地抑制陀螺仪噪声,提高其输出稳定性,且其完整的滤波算法程序的运行时间明显减少。

压电振动发电机理论建模与发电性能研究

为了促进农业生产的现代化和智能化,研究环境信息采集设备—无线传感器网络新的供能方式。以压电方程为基础,结合比能特性,建立了悬臂压电梁发电能力数学模型,分析对比了单晶、双晶串联和双晶并联压电梁输出电压、电荷与电能,最后通过有限元仿真验证,分析结果表明:外力激励环境中,应尽量增加悬臂压电梁长度,减少宽度,同时为了获得较大的输出电压及电能,应优先选用双晶串联压电梁。