压电材料传感器国内外研究现状综述

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能产生正、负压电效应的材料被称之为压电材料。所谓正压电效应，通俗地说就是物体在外力作用下发生形变是，某些对应的表面上产生一号电荷的现象，在这个过程中没有外加电场的作用，仅仅是由于形变使材料的点计划状态发生改变而产生电荷，实现了机械能到电能的转换，由于压电材料的正压电效应，压电材料可以作为传感器，这为新兴传感器的设计开辟了新的方向。所谓逆压电效应，就是指如果在压电元件两表面施以电压，由于电场的作用，造成压电元件内部正负电荷中心产生相对位移，导致压电元件变形。逆压电效应反映了压电材料具有将电能转变为机械能的能力，利用逆压电效应，可以将压电材料制成驱动元件。正是由于压电材料的正、负压电效应，使得诸如压电陶瓷、PZT5金属材料APC850压电材料在传感器和智能驱动器的设计上逐渐得到广泛应用。65590

目前通常采用有限元方法分析压电结构的动力学特性。Tzou[1]将一般三维等参有限元应用于含分布压电层的柔性结构，提出带内部自由度的三位压电单元模型；HwangW.S, Park H C[2]和STWang[3]将含压电层的结构看成一个层合板，用一般的薄板弯曲有限元理论离散整个结构，每个单元仅有一个电压自由度[4]。较全面地综述了10年来压电结构的有限元建模方法，提出了压电单元的机电耦合模型。但是，这些模型仅仅散见于各种文献中，目前还没有开发出相应的软件系统，离工程应用还有相当的距离，当应用这些模型分析复杂压电主动结构时更是无能为力。论文网

为优化致动器和传感器位置，准确分析复杂压电主动结构的动力学特性，Freed[5]整合压电单元和常规结构的有限元模型，利用逆压电效应和热弹性效应的相似性，将电场诱导的应变比拟为热应变。董兴建、孟光[6]在Freed[5]的基础上，将压电致动器的驱动电压比拟为热弹性力学中的温度载荷，建立了长度伸缩型和厚度剪切型压电致动器的比拟关系，给出了同时考虑热弹性和逆压电效应的平面应变问题的热弹性比拟求解方法，用温度载荷作用下的二维单元和三维单元建立复杂压电主动结构的有限元模型，用MSC/NASRAN完成长度伸缩型结构瞬态响应的计算，结果与实验相近，并完成了厚度剪切型压电致动器的建模和角位移响应，其固有频率与模态分析结果较接近。但是热比拟方法能模拟电压致动想想，但不能模拟电荷致动现象；能模拟压电致动器，但不能模拟压电传感器。尹小春和沈煜年教授[7]采用动态子结构法研究微纳米压电惯性冲击式驱动器在高频驱动电压作用下的瞬态撞击动力学行为，分析系统的驱动定位过程，刻画压电激发和撞击激发瞬态波在柔性体内的传播过程，建立了微纳米压电驱动系统的力学模型以及动态子结构撞击模型，并运用该模型仿真了低频和高频脉冲电压驱动下的系统运动全过程和动力学响应，得到了定位目标体步进运动、多次撞击力的数值解，并将数值结果与实验数据以及弹簧-阵子模型的数值结果进行了比较。Chen[8]针对实验中观察到金属板在超强声激励下出现超谐波和次谐波振动现象，为研究其非线性振动机制，建立超强声激励下板非线性振动的有限元模型，通过压电-热弹性类比方法，很好地解决了在显式有限元分析中仿真压电超生换能器的瞬态动力学特性的问题。陈淑江[9]运用有限元方法研究了金属板在强超声激励下的振动问题。然而国内外只对压电材料的机电耦合效应和逆压电效应进行了科学和工程上的研究与应用，在压电智能驱动问题上缺乏系统的理论分析和实际的开发应用。

本文首先介绍本文的研究对象，然后对本文的研究对象的有限元模型进行理论背景介绍，并采用显式有限元分析软件LS-DYNS对模型建立过程进行详细剖析。并对有限元模型进行有限元仿真计算。