一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器及其在睡眠监测中的应用

针对日常睡眠监测的需求,提出一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/锆钛酸铅(PZT)压电传感器并对其性能进行了研究。首先,介绍了P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器的制作及封装流程。其次对其灵敏度,频率响应特性,瞬时响应和稳定性等进行了测试。结果表明,该传感器不仅具有良好的微观外貌形态,且相比于纯P(VDF-TrFE)压电传感器0.73 V/N的灵敏度,制备的含30%PZT的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器灵敏度是纯P(VDF-TrFE)压电传感器的2.5倍,达到了1.78 V/N。此外在低频下能够保持稳定压电输出且具备2 ms较快的响应时间。最后采用自制的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器测量人体心冲击信号,并通过支持向量机(SVM)训练睡眠分期模型实现了对睡眠质量的监测,四分类模型平均准确率达到72.5%,为可穿戴睡眠监测传感器的选择提供了参考。

PSN-PZT系统收发兼用换能器压电陶瓷材料的性能研究

通过对PSN-PZT系统PSN的含量和Zr/Ti比值的调整,使系统点处于准同型相界附近时性能可以得到优化,这一点从微观结构分析得到验证。通过引入Sr^(2+)、Nb^(5+)和Mn^(2+)等离子,对系统进行A位和B位掺杂取代来提高其性能,获得了性能优异的压电陶瓷材料,其d_(33)·g_(33)最大值可达16030×10^(-15)CVm/N^2,适于用作收发兼用的换能器材料。

B位空位补偿型钐掺杂PZT(54/46)陶瓷中的缺陷分析及其对压电性能的影响

-用固相反应法制备了B位空位补偿型钐掺杂非准同型相界组分PZT(54/46)陶瓷.通过正电子湮没寿命谱(PALS)和符合多普勒展宽能谱(CDBS)对陶瓷中的缺陷结构进行综合表征,结合常规表征手段如X射线衍射(XRD),电子扫描显微镜(SEM),介电、铁电和压电性能测量,研究缺陷对陶瓷压电性能的影响.XRD结果显示所有陶瓷均为纯钙钛矿相,掺杂诱导了菱方-四方(R-T)相变,准同型相界位于Sm掺杂量x=0.010.02.电学测量结果反映:介电、铁电和压电性能均先增强后减弱,MPB附近两个样品都有优异的介电和铁电性能,但其压电性能差别很大.x=0.01给出最优压电性能d_(33)=572 p C/N,较未掺杂样品增强了一倍.PALS结果表明掺杂使陶瓷中缺陷类型发生变化,x≤0.01,样品中同时含有A位空位与B位空位;x≥0.02,样品中以A位相关缺陷为主,B位空位浓度很低.CDBS结果进一步证实x=0.01和0.02中B位空位浓度分别是该体系中最高和最低的.由以上结果推断出:x=0.01获得的最优压电性能与其中较高浓度的B位空位有关,B位空位可稀释A位空位浓度,降低氧空位浓度,从而降低A位空位与氧空位形成缺陷偶极子的几率,促进畴壁运动,使压电性能增强.

高于居里温度极化的硬性PZT压电陶瓷的制备及叠层驱动器性能研究

压电叠层驱动器具有低驱动电压、大位移的特点,被广泛应用于诸多领域。作为目前压电叠层驱动器中最常使用的材料,软性锆钛酸铅(PZT)陶瓷较大的介电常数和损耗往往会导致较高的功耗和发热量,进而影响驱动器的疲劳特性和稳定性。为了制备出低发热量、适用于压电叠层驱动器的压电陶瓷,本工作选取Mn掺杂(摩尔分数)的Pb(Sb_(1/2)Nb_(1/2))_(0.02)Zr_(0.51)Ti_(0.47)O_(3)-0.6%MnCO_(3)(PSN-PZT)硬性压电陶瓷作为基体材料,通过掺入一定含量的Li_(2)CO_(3)烧结助剂来降低陶瓷的烧结温度,并采用高于居里温度极化工艺进一步提升陶瓷的电学性能。最后采用该材料,利用流延工艺制备出压电叠层驱动器,并与相同工艺制备的Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))_(0.25)(Ti_(0.48)Zr_(0.52))_(0.75)O_(3)(PMN-PZT)驱动器进行比较。结果显示,Li_(2)CO_(3)通过引入液相烧结的方式将PSN-PZT陶瓷烧结温度降低至1050℃。当Li_(2)CO_(3)含量为0.1%(质量分数)时,高于居里温度极化的PSN-PZT陶瓷电学性能最优,其压电系数(d33)和2 kV/mm电场下的单极应变分别为388 pC/N和0.13%。在200 Hz下,PSN-PZT驱动器温升比PMN-PZT驱动器低大约20℃,且经过5×10^(6)次循环后应变仅降低6%。这表明Li_(2)CO_(3)低温烧结的PSN-PZT陶瓷不仅具备不错的压电性能,而且在发热和疲劳特性方面有较大优势,在大功率、高频等苛刻工况中有潜在的应用前景。

一种压电换能器热释电防护电路设计

该文探讨了压电材料热释电效应产生的机理,得出压电换能器中压电陶瓷材料受温度变化会产生极化电荷,引起的热释电压会使压电换能器输出信号幅值增大,导致输出失效。因此针对热释电问题提出了两点解决方案。经过对比分析设计了一种ESD保护电路来解决热释电问题。该ESD保护电路通过设计一种改进型二极管钳位电路,针对压电换能器存在的极化电荷构建热释电释放环路,消除了热释电压对有用信号收发的影响。最后,通过对比实验验证了设计方案的可行性。

检测超声换能器用1-3型压电PZT/环氧复合材料及换能器的研究

本文介绍了一种制做1—3型压电 PZT/环氧复合材料的新方法.此方法采用了PZT小柱非周期性均匀分布,有效地消除了由于PZT小柱周期性分布而产生的有害横向结构共振模式,获得了振动模式较单纯的1—3型压电复合材料晶片,研制出宽带(低Q)换能器及高斯型换能器.

用于非接触超声洁牙的压电换能器设计

设计了一种非接触式的超声洁牙装置。通过12个超声变幅单元并联组合成牙套式阵列结构,突破了口腔有限空间内对换能器声发射能力的限制。采用声-结构耦合有限元模拟和回归分析,在300~400 kHz工作频段优选PZT-5H为压电相,优化了透声层内空心圆锥形变幅杆设计。其辐射到牙列表面的平均声功率为2.32 W,正、负相最小声压幅值分别为794.668 kPa、-800.854 kPa。声场分布分析表明,在300~400 kHz频段内扫频激励产生的混响声场可以覆盖整个牙列,实现全方位的超空化非接触式洁牙。

基于PMNT陶瓷的1-3型压电复合材料软模板法制备及其超声换能器研究

医用高频超声换能器广泛应用于人体及生物组织的精细结构成像。1-3型压电复合材料因具有较高的机电耦合系数和较低的声阻抗而成为高频超声换能器的核心材料。基于有限元计算和软模板法设计制备了高性能Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-PbTiO_(3)陶瓷/环氧树脂压电复合材料,并对材料进行了系统的电学性能测试。结果显示该1-3型压电复合材料具有优异的声学综合性能,其厚度伸缩模式机电耦合系数k t达到70.1%,其声阻抗Z a达19.05 MRayl。利用该材料制备了高频超声换能器,其-6 dB带宽达85%,插入损耗为17.7 dB。结果表明使用软模板法制备的压电复合材料具有适合于超声成像的优异的综合性能,有望促进高频超声换能器的商业化应用。

PZT基多层剪切型压电陶瓷致动器驱动性能

随着驱动技术向微型化与高精度化方向发展,压电致动器因其在精确位移控制和快速响应方面的优势而受到广泛关注。提出了一种基于锆钛酸铅(PZT)陶瓷的多层剪切型压电致动器,并采用有限元分析方法及自主开发的新型实验平台对其驱动性能进行深入研究。结果表明,致动器的驱动性能主要受输入电压频率和幅值的影响,在适当的频率与低电压条件下可实现更高的调控分辨率。此外,当结构施加的预紧力超过最大负载时,致动器的驱动性能下降约50%,即通过预紧力可有效调控致动器的驱动性能,该结果为压电致动器的工作模式分析以及多层压电陶瓷的电学结构优化提供了重要的依据。

基于PZT薄膜的高频压电式微机械超声换能器的仿真与制备

压电式微机械超声换能器(PMUT)是当前生物医学超声成像领域的研究热点.锆钛酸铅(PbZrO_(3)-PbTiO_(3),PZT)压电薄膜是近年来微机械超声换能器使用的核心压电材料.基于PZT压电薄膜,使用有限元软件COMSOL Multiphysics创建了三维有限元仿真模型,并在(0,1)模态下研究了压电薄膜结构的几何参数,其谐振频率达到222.12 MHz,有效机电耦合系数(keff)为5.13%.采用光刻和刻蚀方法制备了PZT压电薄膜的PMUT单元原型器件.该器件的空腔结构完整,谐振频率在(0,1)模态下为25.87 MHz,仿真与测试结果相似,振动模态较纯,振动位移性能较好.研究结果表明:采用PZT压电薄膜的PMUT在高分辨率、高频医学超声成像中具有较好的应用前景.

雪花形二维耦合振动夹心式压电超声换能器的设计

为了实现单个换能器的多方向超声辐射,提出了一种新型的雪花形二维耦合振动夹心式压电超声换能器,它由正六棱柱形金属块、6组压电陶瓷晶堆和6个金属盖板组成。基于耦合振动理论和力电类比原理建立了换能器等效电路模型,推导了其共振与反共振频率方程。通过等效电路法、有限元法和试验研究了换能器的二维耦合振动特性。结果表明:当压电陶瓷晶堆越靠近正六棱柱形金属块时,换能器的有效机电偶合系数越高;随着换能器轴向尺寸的增加纵向耦合共振频率降低;在纵向耦合共振模式下,换能器的6个输出端均可输出一致的纵向位移振幅;等效电路法、有限元仿真和试验测试取得了较为一致的结果。该研究结果为该类换能器的工程应用提供了简明设计理论,研究成果有望应用于多维超声加工、多向超声辐射等领域。

基于压电单晶的宽频带复合棒换能器研究

声场为当前水声探测中最重要的、可用的物理场。水声换能器作为声波产生、发射和接收的基本装置,是水声技术发展关注的重点。其中,尺寸小、重量轻、低频、宽带、大功率、抗振动为水声换能器研究和发展的重要方向。为提高复合棒换能器的声学性能,以锆钛酸铅(PZT-4)压电陶瓷和铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)压电单晶材料分别作为换能器的驱动元件,通过有限元仿真计算、设计加工及试验验证,进行了宽频带复合棒压电单晶换能器的研究,最后对2种换能器进行对比分析,进一步研究宽频带压电单晶换能器在低频、宽带、收发、加速度灵敏度等特性上的优势。研究结果表明,宽频带PMN-PT压电单晶换能器与相似规格的PZT-4压电陶瓷换能器相比,最大发送电压响应高3.4 dB,发送电压响应-6 dB带宽向两端拓展了5.5 kHz;最大接收灵敏度高4 dB,自由场接收灵敏度-6 dB带宽向两端拓展了8.1 kHz;加速度灵敏度更低,抗振动性能更好。

1-3型压电复合材料和普通PZT换能器性能对比分析

通过切割-填充法制备了1-3型压电复合材料,并选取相同尺寸的1-3型压电复合材料和普通PZT圆片制成活塞型换能器,经测量得到了两种换能器在空气中和水中的导纳曲线,水中发送电压响应、接收灵敏度和指向性曲线。通过对比分析,得出1-3型压电复合材料换能器比普通PZT压电换能器的收发性能有明显改善。

压电换能器对沥青路面水环境的适应性研究

针对道路压电能源收集技术在稳定性和效率方面的挑战,本文分析了沥青路面中压电能量收集器(Piezoelectric Energy Harvesting,PEH)的响应特性,特别是布设位置与环境条件对其性能的联合效应。通过车辙模型试验,研究发现在非浸水条件下,靠近轮迹中心线的PEH开路电压和输出功率(PRMS)显著增长,分别增长2.86倍和7倍,而浸水条件下增幅降低。沉降深度的增加与PEH发电性能正相关,但水分的增加导致沥青塑性变形,影响PEH的发电效率。

雾化夹心式压电超声换能器的理论设计

为了提高煤尘污染治理效果,设计了一种基于朗之万结构形式的夹心式压电超声换能器。主要对各部件的材料以及结构进行了设计,并利用SolidWorks软件对模型进行装配。结果显示:所设计的朗之万结构形式的压电超声换能器理论上是合理的,可为煤矿雾化降尘提供借鉴。

压电超声换能器高温绝缘稳定性分析及改进

信号线缆作为压电超声换能器的关键组成部分,对电信号传输、数据质量等具有重要的影响。针对某型压电超声换能器信号线缆高温绝缘电阻过低的问题,文章分别从故障规律、线缆绝缘特性、排潮工艺等方面开展实验分析,完成了问题的根源定位。以此为基础,进行了系列验证实验,以优化信号线缆高温绝缘电阻稳定性,进而优化压电超声换能器高温绝缘稳定性。结果显示,存在于信号线缆内部的氧化镁粉末是影响高温绝缘稳定性的关键,而高温排潮处理工艺可大幅度优化高温绝缘电阻稳定性。

压电超声换能器的应用与发展

压电换能器是超声技术的主要部件,其种类多,用途及发展前景广。该文回顾了超声换能器的发展历程,概括总结了压电超声换能器的分类和应用,分析了压电超声换能器的发展趋势。大功率、低压驱动、高频、薄膜化、微型化、集成化是当前的发展方向。

径向极化压电陶瓷长圆管复合超声换能器的径向振动

提出了一种圆管式径向复合压电陶瓷换能器,并对其径向振动特性进行了分析。该换能器由径向极化的压电陶瓷圆管以及金属外圆管组成。利用解析法得出了金属圆管以及具有任意壁厚的径向极化压电陶瓷圆管径向振动的机电等效电路。基于金属圆管与压电圆管的机械边界条件,得出了换能器的六端机电等效电路。在此基础上得出了换能器共振及反共振频率方程的解析表达式,给出了换能器的共振及反共振频率与其几何尺寸之间的依赖关系。利用数值方法对换能器的径向振动特性进行了模拟及仿真,并与解析结果进行了比较。最后,设计并加工了一些径向复合管式压电陶瓷换能器,利用精密阻抗分析仪对其共振及反共振频率进行了实验测试。研究结果表明,利用解析理论得出的换能器共振及反共振频率与数值模拟结果以及实验测试结果符合很好。

关于PZT压电陶瓷低温活化烧结的研究进展

从原料制备、烧结助剂、烧结工艺等方面详细介绍了促进PZT压电陶瓷低温活化烧结的方法,分析了晶体缺陷促进活化烧结的原理,并简要说明了烧结技术的发展方向。指出,在材料制备与应用的过程中,缺陷的生成对研究活化烧结工艺、降低制造成本以及制备性能优良的PZT压电陶瓷都具有重要的意义。

磁致伸缩-压电联合激励凹简型发射换能器

设计制作了一种新型磁致伸缩-压电联合激励凹简型发射换能器,采用稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D与PZT压电陶瓷作为联合激励元件,模拟计算与实测结果均表明,与采用单一振子激励的凹筒型发射换能器相比,此种新型换能器在保持尺寸小、频率低等优点的同时,显著拓宽了工作频带并提高了辐射声功率。换能器外型尺寸为φ88 mm×316 mm,水中谐振频率1．30 kHz,-3 dB带通Q值1．43,谐振频率下发射电压响应级135．1 dB。