压电矢量传感器的低噪声设计

针对压电矢量传感器的低噪声设计问题,建立了基于压电敏感器件、悬挂结构、前置放大电路及电缆的同振式矢量传感器等效自噪声分析模型;结合敏感器件的低噪声设计、悬挂结构对自噪声的影响以及前置放大电路低噪声匹配等内容提出了一种低噪声设计方法。设计了低噪声矢量传感器样机,研制了自噪声测量平台并对样机进行了测试。结果表明:样机的等效噪声声压谱级达到了55.5 dB/√Hz2@200 Hz,低于同频率Knudsen零级海况下海洋环境噪声;测试结果与设计结果相符,验证了低噪声设计方法的有效性,也为压电矢量传感器的低噪声设计提供了理论依据。      

基于泽尼克多项式的单压电变形镜PID控制

为了提高变形镜的控制精度及简化控制, 提出采用基于泽尼克(Zernike)多项式的PID控制算法, 实现对单压电变形镜的闭环反馈控制. 首先, 建立基于Zernike多项式的PID闭环控制模型. 其次, 搭建基于哈特曼波前传感器的自适应光学测试平台, 使用62单元单压电变形镜进行闭环控制实验. 最后, 通过相位片模拟扰动像差, 并对扰动像差进行实时PID闭环校正. 实验结果表明: 在相位片旋转速度和外界扰动像差相同的条件下, 采用基于Zernike多项式的PID控制算法对波前像差进行校正, 比采用直接反馈方法校正精度提高了50%左右. 证明采用基于Zernike多项式的PID控制算法能提高单压电变形镜动态像差的校正精度以及简化控制系统.     

多匹配层空气耦合压电超声换能器*

该文针对超声无损检测与成像功能空气耦合换能器开展了分析计算和研制。为解决压电材料与空气间巨大的阻抗失配问题,进行了多匹配层设计,并基于有限元技术仿真设计了1-3压电复合材料参数。借助复数压电方程,导出考虑损耗的多匹配层压电复合材料换能器厚度振动等效电路,获得其等效导纳,以此计算电导谱,同时基于有限元技术数值计算相应电导谱,二者有较好的一致性。在此基础上分别设计制作复合压电材料,多匹配层材料以及由此构成的空气耦合超声换能器。换能器的实测电导谱与数值仿真结果一致。进一步的换能器回波信号测试及其谱分析结果表明,所研制的160 k Hz中心频率空气耦合换能器样品有较好灵敏度和带宽。这些结果说明,该文研制的空气耦合超声换能器的初样是成功的。     

反应诱导聚合物双层结构弯曲行为的建模与分析

聚合物软材料兼具柔软性和大变形能力,作为一种智能材料在软体机器人等领域应用广泛．化学活性聚合物分子内包含具有较高反应活性的官能团,如环氧、酯键、羟基、羧基等,可以在一定条件下发生化学反应引起材料体积和性质变化．因此研究化学反应如何调控聚合物变形对开发新的功能型聚合物材料有重要指导意义．本文建立化学活性聚合物-弹性基底双层结构的理论模型并分析其在化学反应诱导下的有限弯曲行为．引入化学反应进度作为Helmholtz自由能独立的状态变量,考虑化学反应对聚合物体积变化和模量的影响,以及反应过程独立的能量耗散机制,并基于Neo-Hookean模型建立起各层内的超弹性本构关系．最后利用Newton-Raphson方法对反应完全时的平面应变稳态问题进行数值求解,得到不同几何和反应影响参数下各层内的弯曲变形和应力分布．     

PLASTIC ZONE OF SEMI-INFINITE CRACK IN PLANAR KAGOME AND TRIANGULAR LATTICES

The fracture investigations of the planar lattices made of ductile cell walls are currently limited to bending-dominated hexagonal honeycomb. In this paper, the plastic zones of stretching-dominated lattices, including Kagome and triangular lattices, are estimated by analyzing their effective yield loci. The normalized in-plane yield loci of these two lattices are almost identical convex curves enclosed by 4 straight lines, which is almost independent of the relative density but is highly sensitive to the principal stress directions. Therefore, the plastic zones around the crack tip of Kagome and triangular are estimated to be quite different to those of the continuum solid and also hexagonal lattice. The plastic zones predictions by convex yield surfaces of both lattices are validated by FE calculations, although the shear lag region caused by non-local bending effect in the Kagome lattice enlarges the plastic zone in cases of small ratio of rp/l.     

基于导波技术的螺柱轴力无损检测

根据弹性动力学理论,采用纵向导波与弯曲导波相结合的方法对螺柱所受轴向应力进行无损检测。计算了M22螺柱中纵向导波和弯曲导波的群速度频散曲线。根据频散曲线,确定了采用导波对螺柱轴向应力进行无损检测的最优检测信号频率范围(50~80 kHz),此频率范围的纵向导波与弯曲导波模态单一,并且频散性较低。分别计算了不同轴向应力σ作用下,多种频率的纵向导波和和弯曲导波在螺柱中传播的群速度值cgσrL和cgσrF。结果表明,随着轴向应力的增大,同频率纵向导波和弯曲导波的群速度皆呈线性递减趋势。利用纵向导波和弯曲导波群速度与轴向应力的线性关系及纵向导波和弯曲导波在轴向应力作用螺柱端面的反射时间tLσ和tσF,可以迅速确定螺柱所受轴向应力值。     

基于PZT的非球面能动抛光盘设计优化

基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面形,用于中小口径非球面镜加工。为优化设计基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,利用有限元分析方法,计算各驱动器的影响函数,计算非球面能动抛光盘的输出面形,与理论面形比较得到剩余残差。以优化设计驱动器排布方式和极头直径为例,当非球面能动抛光盘中心到非球面工件中心的距离L为120mm,分别计算比较,极头直径为Φ10mm时,19单元PZT圆形排布与21单元PZT方形排布的剩余残差;以及19单元PZT圆形排布时,极头直径为Φ10mm与Φ14mm的剩余残差。结果表明,非球面能动抛光盘产生变形后的剩余残差RMS相应分别为0.303μm、0.367μm、0.328μm。因此,基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘确定选用19单元PZT圆形排布且极头直径Φ10mm。     

采用SPCE061A控制的白光干涉微纳扫描系统设计

针对小推力压电陶瓷迟滞特性,提出一种用SPCE061A单片机控制的新型白光干涉微纳扫描系统的设计。该扫描系统采用低压误差放大器OP07和高压功率放大器PA78双级放大器件为核心元件,使系统的整体带宽与放大倍数可调节,并对扫描系统中压电陶瓷微位移器的迟滞曲线采用最小二乘曲线拟合法进行数学建模。实验结果表明：输出电压在（0～200）V连续可调,纹波电压的最大值为1.06mV;应用于微纳扫描控制,能获得20μm扫描范围,控制精度达10nm,线性度为0.9,阶越响应时间1.5μs,可实现对微纳扫描系统精确、快速开环控制。     

基于动态全息光栅转换技术的压电陶瓷特性测量

观察了光折变LiNbO3晶体中二波耦合动态全息光栅的衍射现象,并利用光栅转换技术实现压电陶瓷的振动频率及快变相位的非接触测量. 实验结果表明,输出光强的变化频率与压电陶瓷的振动频率相等,驱动电压与快变相位幅值呈线性关系.     

欧拉-伯努利直梁弯曲振动内力解的一种新形式

针对欧拉-伯努利直梁受简谐载荷作用下的弯曲振动问题,在得到响应后再次采用达朗贝尔原理,给出了一种新形式的弯曲振动内力解,该解直观显示了简谐力和惯性力对弯曲振动内力的贡献。基于傅里叶级数严格证明了其与教材中利用梁挠曲线近似微分方程和弯曲内力微分关系求出的内力完全等价,为加深理解及应用傅里叶级数、静力学理论、达朗贝尔原理和梁弯曲理论提供了一个综合性较高的案例,期望能助力提升基础力学教学效果。