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PZT在双极电疲劳过程中微观结构损伤演化及其相关有效机电特性的原位观测
摘要： 我们研究了体块多晶锆钛酸铅（PZT）在双极电场循环过程中的疲劳行为。通过宽带机电谱（BES）技术，我们表征了有效机电性能（特别是电滞回线和宏观粘弹性刚度与阻尼）以及微观结构损伤演化（通过扫描电子显微镜量化）在频率和循环次数依赖性方面的退化情况。BES装置能够在电场循环过程中同步进行力学特性测试，从而无需重新安装样品即可测量粘弹性的动态变化；特别是通过测量粘弹性阻尼，我们可以深入分析铁电畴壁活动在整个电滞回线范围及全部循环次数内的演变规律。研究发现所有测试性能参数的退化速率均与电场循环频率存在显著关联，包括动态柔量最高增加10%，电位移幅值最大降低70%。我们量化了宽范围循环次数下微裂纹密度的演变过程，并与有效柔量的变化进行对比。值得注意的是，虽然观测到铁电滞回线出现强烈退化，但有效粘弹性模量的变化相对轻微，而样品明显显示出微损伤程度的持续加剧。
关键词： 疲劳，多晶体，机电耦合，铁电性
更新于2025-09-23 15:21:01
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波导阵列量子阱二极管激光器中800纳米处的频率梳生成
摘要： 一种电容-压电复合换能器结合了电容与压电两种机制，在实现机电耦合的同时获得了单一机制无法达到的更高品质因数Q值。该技术成功研制出工作频率1.2GHz、Q值>3000的氮化铝(AlN)环形轮廓模谐振器（其性能与迄今报道的1GHz以上d31模式纯压电AlN谐振器最高水平相当），以及Q值高达12000的50MHz圆盘阵列谐振器。其核心创新在于：通过微小间隙将压电谐振器与金属电极隔离，既消除了被认为会限制薄膜压电谐振器Q值的金属材料及金属-压电界面损耗，又保持了足够强的电场强度以维持显著压电效应。虽然Q值提升会导致机电耦合系数降低，但k2·Q乘积仍可实现整体增长。更重要的是，该电容-压电换能器允许设计者通过牺牲部分机电耦合来换取更高Q值，这为窄带射频(RF)信道选择滤波器（此类应用中Q值优先于耦合系数）的参数定制提供了有效手段。该方案无需直流偏置电压，且可采用更厚的电极来降低串联电阻而不增加谐振结构质量负载——随着谐振器及其支撑结构向更高频段发展，这一特性尤为重要。
关键词： 机电耦合、振荡器、微机械谐振器、自对准、小间隙、氮化铝、等效电路、品质因数、滤波器
更新于2025-09-19 17:13:59
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[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 德国慕尼黑(2019.6.23-2019.6.27)] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 长环形激光器中的暗脉冲
摘要： 一种电容-压电复合换能器结合了电容与压电两种机制，在实现机电耦合的同时获得了单一机制无法达到的更高Q值。该技术成功研制出工作频率1.2GHz、Q值>3000的氮化铝(AlN)环形轮廓模谐振器（其性能与迄今报道的1GHz以上d31模式纯压电AlN谐振器最高值相当），以及Q值高达12000的50MHz圆盘阵列谐振器。其核心创新在于通过微小间隙将压电谐振器与金属电极隔离，既消除了被认为会限制薄膜压电谐振器Q值的金属材料及金属-压电界面损耗，又保持了足够强的电场强度以维持显著压电效应。虽然Q值提升会导致机电耦合系数降低，但k2·Q乘积仍可实现整体增长。更重要的是，该电容-压电换能器允许设计者通过牺牲机电耦合来换取Q值提升，为窄带射频(RF)信道选择滤波器（此类应用中Q值优先于耦合系数）提供了定制Q值与耦合特性的有效方法。该方案无需直流偏置电压，且可采用更厚的电极来降低串联电阻而不增加谐振结构质量负载——随着谐振器及其支撑结构向更高频率发展，这一特性尤为重要。
关键词： 机电耦合、振荡器、微机械谐振器、自对准、小间隙、氮化铝、等效电路、品质因数、滤波器
更新于2025-09-19 17:13:59
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[2019年IEEE/ASME国际先进智能机电一体化会议(AIM) - 中国香港(2019.7.8-2019.7.12)] 2019 IEEE/ASME国际先进智能机电一体化会议(AIM) - 基于机电耦合模型的压电陶瓷驱动系统噪声指数确定
摘要： 压电陶瓷（PZT）驱动器是PZT微位移系统中的关键部件，其噪声指标决定了PTZ执行器输出位移的精度。在快速转向镜（FSM）系统中，机械系统内噪声的响应必然会影响系统的分辨率。本文从机电耦合的角度分析了PZT驱动器系统。通过建立机电耦合系统的数学模型，我们确定了驱动系统输出噪声在机械系统中的能量以及电噪声能量在机电系统执行器上的传递。进而确定PTZ执行器的功耗主要由两部分组成：用于驱动系统变形的能量和由于结构阻尼导致的热耗散。通过能量转换，当输出位移精度为1 nm时，PTZ驱动器系统的噪声指标为192.3 dB。该方法具有普适性，可应用于确定各种机电系统以及更复杂机械系统中的系统噪声指标。
关键词： 压电陶瓷驱动器，机电耦合，噪声指标
更新于2025-09-11 14:15:04
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智能梁的全面分析
摘要： 本文介绍了一种用于研究智能梁结构动力学与气动弹性行为的综合分析工具及框架，包含该工具各组成部分的理论基础及所提框架的验证。该工具用于分析智能梁的气动弹性行为，随后通过失效分析确保结构在运行中的完整性。该综合分析工具耦合了变分渐近梁截面理论、几何精确全本征梁方程以及智能材料电路方程，在截面分析和一维广义梁理论中均考虑了智能材料的机电耦合行为。
关键词： 智能梁、变分渐近梁截面、气动弹性行为、机电耦合、几何精确完全本征梁方程
更新于2025-09-10 09:29:36
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为谐振式质量传感器定制压电电路以实现超高阻抗灵敏度
摘要： 对于压电质量传感器而言，与扫频法相比，在固定频率下监测阻抗变化的方法在简化测量流程和提升鲁棒性方面展现出显著优势。然而由于机械、压电及电学参数间存在高度耦合效应，此类阻抗灵敏度的提升面临困难。本文基于压电传感器等效电路理论建立了分析型阻抗灵敏度模型，进而通过添加额外电路元件对压电电路进行定制化设计，提出了一种新型灵敏度提升方法。为验证实验效果，制备并测试了连接0.60H电感的21.0mm长悬臂梁压电传感器。为便于比较，引入两个同量纲的无量纲灵敏度指标评估灵敏度提升效率：阻抗比灵敏度可达188.3/g，较2.3/g的频率比灵敏度提升近81.9倍，同时也比未接入电感时获得的43.6/g灵敏度提高约4.3倍，充分验证了该灵敏度增强方法的有效性。
关键词： 灵敏度提升方法、机电耦合、质量传感器、谐振悬臂梁、压电电路定制
更新于2025-09-10 09:29:36
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[美国机械工程师学会 ASME 涡轮博览会 2018：透平机械技术会议与展览 - 挪威奥斯陆（2018年6月11日，星期一）] 第7C卷：结构与动力学 - 压电材料在多模态振动抑制中的优化布置与尺寸设计
摘要： 现代涡轮机械叶片的固有阻尼极低，可能导致高瞬态振动并通过高周疲劳引发失效。最新研究致力于寻求对叶片重量和气动效率影响最小的减振方法。智能材料为在满足涡轮机械环境严苛要求的同时增强叶片机械特性提供了有效途径。其中，基于压电材料的减振技术能半主动降低振动，同时收集足够能量维持系统运行。压电材料的布置位置与尺寸对系统减振效能至关重要。此外，该方案需针对多阶振动模态进行控制。本研究开发了一套优化流程，用于实现表面贴装压电片代表性涡轮叶片在多阶振动模态下的机电耦合优化。
关键词： 机电耦合、压电材料、涡轮机械叶片、优化、减振
更新于2025-09-09 09:28:46
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[2018年IEEE ISAF-FMA-AMF-AMEC-PFM联合会议（IFAAP） - 广岛（2018.5.27-2018.6.1）] 2018年IEEE ISAF-FMA-AMF-AMEC-PFM联合会议（IFAAP） - 二阶振动模式下的压电谐振力传感器
摘要： 研究了一种共振式力传感器，该传感器由涂覆压电薄膜的金属桥构成用于力检测。其工作原理是在桥梁中心具有一个节点的二阶弯曲振动模式下运行。通过解析模型研究了共振频率和压电耦合特性，并与期望力范围内的有限元分析（FEA）结果进行对比。解析模型推导的共振频率-力关系在所研究力范围内与FEA结果高度吻合。解析模型得出的耦合因子-力关系在小力区域与FEA结果一致，但在大力区域显示的耦合强度低于FEA结果。
关键词： 谐振传感器、机电耦合、压电传感器、力传感器、谐振频率、第二模态
更新于2025-09-04 15:30:14
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[固体力学及其应用] 压电壳体 第247卷（传感、能量收集与分布式控制——第二版）|| 线性/非线性压电壳体能量收集器
摘要： 近年来，能量收集技术（如将振动能转化为电能）的发展备受关注。在众多技术方案中，压电式能量收集器能通过压电效应的机电耦合，便捷地将振动能量转化为可用电能。目前大多数压电能量收集器基于悬臂梁、平板等非壳结构设计。而广泛应用于航空航天、土木及机械系统的壳结构，其机电耦合机制与分布式传感特性虽已引发学界数十年关注，但现有研究多仅考虑开路条件下的信号生成——当用于驱动阻抗不可忽略的电子设备时，该传感理论便失去实用性。因此，亟需开发闭路条件下壳式能量收集器在电阻负载上的输出能量利用方案。本研究聚焦于通用型压电壳能量收集机制的开发，该机制可简化并推广至多种线性/非线性壳结构及非壳结构的分布式能量收集器应用。
关键词： 壳体结构、能量收集、机电耦合、振动能量、压电
更新于2025-09-04 15:30:14