第三四章 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析(齊紅元)

1、中文摘要ABSTRATE第一章 緒論（開題報(bào)告）第二章第三章 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析對于壓電懸臂梁發(fā)電裝置，壓電雙晶片的尺寸發(fā)生變化時(shí)，懸臂梁壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的電壓和功率也隨之發(fā)生變化。當(dāng)期望得到一定的電壓和功率時(shí)，必須慎重選擇壓電雙晶片的尺寸，以確保懸臂梁壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生的電壓以及功率與期望值相吻合。為了設(shè)計(jì)符合實(shí)際需求的壓電懸臂梁發(fā)電裝置，必須明白壓電懸臂梁的各個(gè)參數(shù)對壓電懸臂梁產(chǎn)生的電壓的影響。本章將從理論計(jì)算方面對壓電懸臂梁的各個(gè)參數(shù)和產(chǎn)生的峰值電壓的關(guān)系進(jìn)行仿真分析，并對在一定的約束條件下的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，至于第二章中理論模型的正確性將在第四章進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。3.1 壓電材料概述不同的壓電材料，具

2、有各自獨(dú)特的壓電性能，即使相同的壓電材料由于尺寸等因素的差異，也表現(xiàn)出不同的壓電性能，故本節(jié)將主要對不同的壓電材料進(jìn)行簡單介紹。自1880年J.居里和P.居里發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)以來，壓電學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域，特別是最近幾十年來，由于物理學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展，壓電學(xué)無論在理論上還是在應(yīng)用上都取得了很大的進(jìn)展，同時(shí)新型壓電材料也不斷的涌現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。壓電材料的發(fā)展主要經(jīng)歷了以下的歷程。1917年P(guān). Langevin型諧振器石英晶體是最早出現(xiàn)的壓電材料。1921年，J. Valasek發(fā)現(xiàn)了具有鐵電性的水溶性壓電晶體酒石酸鉀鈉壓電材料。20世紀(jì)40年代初，BaTiO3的鐵電性幾

3、乎在美國、日本和蘇聯(lián)被同時(shí)發(fā)現(xiàn)，BaTiO3陶瓷的發(fā)現(xiàn)無論在理論上還是在實(shí)際應(yīng)用上都具有重要的意義，其鐵電性引起了當(dāng)時(shí)科學(xué)界的重大關(guān)注，為了解釋這種材料的鐵電性，科學(xué)家們提出了粒子位移型鐵電性模型，從而促進(jìn)了一大類含氧八面體型壓電、鐵電晶體的出現(xiàn)，如LiNbO3、LiTaO3等。1947年，S. Robert發(fā)現(xiàn)了BaTiO3陶瓷上加直流偏壓，呈現(xiàn)強(qiáng)的壓電效應(yīng)，且撤除外力場后仍顯示這種效應(yīng)，從而為壓電材料的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)年代，復(fù)合鈣鈦結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷材料及其應(yīng)用研究非?；钴S。1954年B. Jaffe等發(fā)現(xiàn)鈣鈦酸鉛（PZT）系固溶體在多形相界附近具有良好的壓電、介電性能，其機(jī)電耦合

4、系數(shù)接近BaTiO3陶瓷的一倍，其他電學(xué)、力學(xué)、壓電性能及穩(wěn)定性也都有不同程度的改善，使壓電陶瓷的應(yīng)用更為廣泛，壓電器件也從傳統(tǒng)的濾波器及換能器擴(kuò)展到壓電變壓器、引燃引爆裝置、超聲延遲線及壓電發(fā)電裝置等。1956年B. T. Mattias發(fā)現(xiàn)了三硫酸甘胺算晶體的鐵電性，開辟了壓電材料在激光和紅外技術(shù)中的應(yīng)用。G. A. Smolenky等人在20世紀(jì)50年代末60年代初對復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)不同原子價(jià)的元素可復(fù)合代替鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的A,B位離子，從而使調(diào)整壓電陶瓷材料組成的自由度大大增加，1965年，H. Ouchi在PZT中摻入PMN成功研制出三元系壓電陶瓷材料（PCM

5、）。PCM是透明的壓電陶瓷，其性能可以和PZT相媲美，它的出現(xiàn)使新型壓電陶瓷材料的研究更加活躍。我國對壓電陶瓷材料的研究起步于60年代初期，具有自己的特色。我國壓電與聲學(xué)研究所張福學(xué)在PZT中加入PMS，研制了三元系壓電陶瓷材料。PMS壓電陶瓷材料改變了PZT壓電陶瓷Qm高但Kp低的特性，是Qm、Kp都比較高的壓電材料。PMS壓電陶瓷材料曾獲得了國家發(fā)明獎。上述PZT、PCM和PMS等壓電陶瓷都含有大量的鉛，在制造過程中會對環(huán)境產(chǎn)生污染，因此國外科研人員展開了對K1-xNaxNbO3、SiBi4Ti4O16等無鉛壓電陶瓷的研制。與含鉛壓電陶瓷材料相比，無鉛壓電陶瓷材料與含鉛壓電材料明顯不同，如

6、無鉛壓電材料的居里點(diǎn)比較高，約高出200300oC，介電常數(shù)僅在140150之間，機(jī)械品質(zhì)因素高達(dá)40007000，而且無鉛壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)遠(yuǎn)不如含鉛壓電陶瓷，加之制造工藝難于控制，故無鉛壓電陶瓷材料僅在一些特定的領(lǐng)域應(yīng)用，其研究工作仍漫長而修遠(yuǎn)。1970年前后，G. H. Haertling和C. E. Land將摻有La的PZT（PLZT）經(jīng)過通氧熱壓工藝制成透明陶瓷，并發(fā)現(xiàn)其雙折射和光散射可由外電場控制，使壓電陶瓷進(jìn)入了過去單晶獨(dú)占的電光領(lǐng)域。1971年，A. H. Meitzler等將這種材料制成圖像存儲顯示器，利用壓電雙折射和電控光散射效應(yīng)，使壓電材料可以制成各種電光器件，如光

7、閥、光存儲、映像存儲顯示器、光調(diào)制器件等。壓電聚合物的壓電性早在40年代就開始研究了，1969年H. Kawai發(fā)現(xiàn)極化后的聚偏二氟乙烯（PVDF）具有強(qiáng)的壓電性后，壓電聚合物開始走向?qū)嵱没?。PVDF及其聚合物是一種化學(xué)性能穩(wěn)定的柔性壓電材料，可制造大面積薄膜，其聲抗易于與水及生物體的聲抗相匹配，可廣泛應(yīng)用于超聲換能器、水聲換能器、生物傳感器等24。弛豫型壓電材料的研究始于20世紀(jì)70年代初，其高的介電系數(shù)及電致伸縮效應(yīng)，引起了工程界廣泛的關(guān)注，廣泛應(yīng)用于小型片狀電容器和電致伸縮器。弛豫型壓電體呈現(xiàn)擴(kuò)散相變的確切原因仍不清楚。1977年國際上在弛豫壓電單晶體的研究上取得了重大進(jìn)展，成功生長出了

8、符合實(shí)際應(yīng)用要求的大尺寸PMN和PZN單晶體，其電致應(yīng)變可達(dá)到1.7%，機(jī)電耦合系數(shù)高達(dá)92%95%，壓電常數(shù)達(dá)1500250010-12C/N，儲能密度達(dá)到130J/kg，所有的指標(biāo)都超過了當(dāng)時(shí)的各種壓電材料。弛豫型壓電單晶體在制造技術(shù)上的突破，為醫(yī)學(xué)超聲、水聲以及高應(yīng)變致動器、高密度儲能器和機(jī)敏材料系統(tǒng)提供了一種前所未有的材料，引發(fā)了這一領(lǐng)域的變革。1998年，國內(nèi)的張啟民等人用300MeV高能電子束輻照PVDF聚合物，將這種材料轉(zhuǎn)變成了弛豫性壓電材料，觀察到了4%的電致應(yīng)變，儲能密度高達(dá)200400J/kg。氧化鋅壓電材料是在20世紀(jì)60年代，由索尼公司首先開發(fā)出來的，最早主要應(yīng)用于壓敏

9、電阻領(lǐng)域，直到最近十多年由于微加工制造技術(shù)的發(fā)展，該類壓電材料才開始在壓電領(lǐng)域嶄露頭角。氧化鋅壓電材料具有高電壓低電流的特性。以上只是簡單介紹了一些比較普遍的壓電材料，它們各自都有自己的缺點(diǎn)，在宏觀領(lǐng)域都不能很好地滿足壓電電源設(shè)計(jì)的要求，但是在微觀領(lǐng)域，只要合理的設(shè)計(jì)相應(yīng)壓電結(jié)構(gòu)的參數(shù)，就可以設(shè)計(jì)出能夠滿足實(shí)際使用需求的微型壓電懸臂梁陣列電源，具體設(shè)計(jì)流程將在第五章介紹。在本實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件的限制，故選取氧化鋅作為構(gòu)成壓電懸臂梁上下兩壓電層的壓電材料。3.2 仿真分析根據(jù)第二章中的式（2-46）,對壓電懸臂梁各參數(shù)在一定的頻率激振下產(chǎn)生的電壓的影響進(jìn)行了MATLAB仿真分析，具體程序見

10、附錄A，仿真曲線圖見下。1質(zhì)量塊質(zhì)量m改變時(shí)的曲線見圖3-1，由曲線可以看出：隨著m的增大，產(chǎn)生的峰值電壓隨著增大，而懸臂梁的固有頻率卻隨著m的增加而逐漸減小。圖3-1 m改變時(shí)電壓與頻率關(guān)系曲線Fig. 3-1 The relation between voltage and frequency when m changes2懸臂梁壓電層長度改變時(shí)電壓與頻率的關(guān)系曲線見圖3-2，由曲線可以看出：增加的值，會導(dǎo)致峰值電壓幅值的增加、懸臂梁固有頻率的減小。圖3-2 改變時(shí)電壓與頻率關(guān)系曲線Fig. 3-2 The relation between voltage and frequency wh

11、en lb changes3質(zhì)量塊沿懸臂梁長度方向的長度改變時(shí)電壓與頻率的關(guān)系曲線見圖3-3，由曲線可以看出：增加的值，會使產(chǎn)生的峰值電壓的幅值增大，但是卻導(dǎo)致了懸臂梁系統(tǒng)的固有頻率的減小。圖3-3 改變時(shí)電壓與頻率關(guān)系曲線Fig. 3-3 The relation between voltage and frequency when lm changes4懸臂梁壓電層的厚度改變時(shí)電壓與頻率的關(guān)系曲線見圖3-4，由圖可知：對產(chǎn)生的峰值電壓、系統(tǒng)固有頻率有明顯的影響，的增大，會使固有頻率增大、峰值電壓幅度值減小。圖3-4 改變時(shí)電壓與頻率關(guān)系曲線Fig. 3-4 The relation bet

12、ween voltage and frequency when tc changes5懸臂梁壓電層寬度w改變時(shí)電壓與頻率的關(guān)系曲線見圖3-5，由圖可知：伴隨著w的增加，系統(tǒng)固有頻率在增加，而峰值電壓幅值卻在減小。圖3-5 w改變時(shí)電壓與頻率關(guān)系曲線Fig. 3-5 The relation between voltage and frequency when w changes6壓電材料和中間層金屬材料彈性模量比改變時(shí)電壓與頻率的關(guān)系曲線見圖3-6，由圖可知：雖然在大步長變化，但是對懸臂梁的固有頻率影響比較小，對產(chǎn)生的峰值電壓值也幾乎沒有影響，只是在共振頻率區(qū)略有影響。圖3-6 改變時(shí)電壓與頻

13、率關(guān)系曲線Fig. 3-6 The relation between voltage and frequency when changes本章中得到的曲線及相應(yīng)的結(jié)論，為壓電懸臂梁的設(shè)計(jì)提供了一定的理論分析依據(jù)，希望能對壓電懸臂梁發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)與制造提供些許方便。第四章 發(fā)電實(shí)驗(yàn)在上述的第二章中已經(jīng)建立了關(guān)于懸臂梁壓電發(fā)電裝置的理論模型，并在第三章中對該理論模型進(jìn)行了MATLAB仿真分析，在本章中將在設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺上，對所建立的理論模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以檢查模型的正確性。4.1實(shí)驗(yàn)臺建立在實(shí)驗(yàn)臺建立的過程中，用到的主要儀器為：北戴河實(shí)用電子技術(shù)研究所開發(fā)的SD1482型激振器、SD1492功率放大

14、器，江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司開發(fā)的UA301型可編程數(shù)據(jù)采集卡、YE5858A電荷放大器、 壓電加速度傳感器，江蘇揚(yáng)中電子儀器廠開發(fā)的YB1613型功率函數(shù)發(fā)生器，HITACHI V-212型示波器等。4.1.1 實(shí)驗(yàn)臺功能需求分析為了在建立的試驗(yàn)臺上實(shí)現(xiàn)以下實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?實(shí)驗(yàn)平臺能夠模擬外界低頻振動環(huán)境，順利進(jìn)行發(fā)電實(shí)驗(yàn)；2發(fā)電實(shí)驗(yàn)過程中，能夠?qū)?shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的電壓信號、電荷放大器輸出信號和壓電懸臂梁系統(tǒng)衰減振動信號進(jìn)行精準(zhǔn)的測量；3發(fā)電實(shí)驗(yàn)過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對電壓、電荷放電器輸出信號及壓電懸臂梁系統(tǒng)衰減振動信號的采集和保存，以方便隨后進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析；4能夠測量并繪制出懸臂梁系統(tǒng)的衰減振動曲線；

15、5在實(shí)驗(yàn)室條件允許的情況下，能夠盡量減少測量儀器本身及測量儀器之間的連接誤差；6在誤差允許的情況下能夠驗(yàn)證第二章建立的壓電懸臂梁發(fā)電裝置數(shù)學(xué)模型的正確性。所建立的試驗(yàn)臺由以下幾個(gè)功能模塊組成：1激振信號源；2功率放大模塊；3驅(qū)動壓電懸臂梁產(chǎn)生振動模塊；4加速度信號測量模塊；5電荷放大器輸出信號及電壓信號采集模塊。4.1.1 振動試驗(yàn)臺的建立根據(jù)上述功能需求，建立的振動試驗(yàn)臺的示意圖見圖4-1，實(shí)物圖見圖4-2，其建立主要包含以下幾個(gè)步驟：圖4-1 振動試驗(yàn)臺示意圖Fig. 4-1 The sketch of the vibration experiment platform圖4-2 振動試驗(yàn)實(shí)

16、物圖Fig. 4-2 The picture of the vibration experiment platform1將試件即氧化鋅壓電雙晶片和激振器剛性連接（采用M5螺栓），并使激振器和上蓋的平面與軸向桿保持自然狀態(tài)，以確保彈簧片處于平衡狀態(tài)。2用數(shù)據(jù)線連接功率放大器和激振器，該數(shù)據(jù)線為四針接口；3連接信號發(fā)生器和功率放大器，并將信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號調(diào)為正弦信號，頻率調(diào)節(jié)為30Hz左右，用萬用表測量信號發(fā)生器的輸出電壓，使其處于2.5V左右；4將氧化鋅壓電雙晶片的輸出線連接到信號采集卡2通道，設(shè)置信號采集卡的參數(shù)；5連接電荷放大器和壓電加速度傳感器，并將電荷放大器的輸出端接到信號采集卡的1

17、通道；6接通電源，開始工作，對信號進(jìn)行采集。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，要注意以下幾個(gè)問題：激振器的振動幅度不能超過其本身設(shè)定的限定幅度，若超過該限定幅度，激振器內(nèi)部會發(fā)出撞擊聲；激振器額定電流為1.5A，使用時(shí)電流不能超過此值；開機(jī)前，須仔細(xì)檢查激振器的輸入端，確保沒有短路現(xiàn)象發(fā)生，以免使實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞；信號采集卡的采樣電壓的絕對值不能超過量程5V，若大于該絕對值，需要對輸入電壓進(jìn)行分壓。4.1.2 SD1248型激振器SD1482型激振器是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的變換器，在研究試件動態(tài)性能的設(shè)備中，它是一個(gè)振動源，可以對試件提供一個(gè)激振力，配合適當(dāng)?shù)男盘柊l(fā)生器及功率放大器，可對結(jié)構(gòu)直接激勵，實(shí)物圖見4

18、-3。圖4-3激振器實(shí)物圖Fig. 4-3 The picture of vibration actuator此激振器廣泛應(yīng)用于機(jī)床、橋梁、水利、航空、船舶等行業(yè)，尤其適用于各行業(yè)的中小結(jié)構(gòu)及模型，作為本實(shí)驗(yàn)中的激振臺設(shè)備，也很理想，可以完成預(yù)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｔ撔图ふ衿鳛橛来攀郊ふ衿?，由磁路部分、可動部分及彈簧支撐等部分組成。其中可動部分用圓形彈簧和外殼支撐，使動圈位于工作氣隙之中，工程示意圖見圖4-4。圖4-4 激振器示意圖Fig. 4-4 The sketch of vibration actuator圖中：1臺面2和8簧片3線圈 4導(dǎo)磁頭5磁極環(huán)6磁鋼7殼體當(dāng)線圈通有交變電流時(shí)，根據(jù)左手定

19、則，產(chǎn)生沿軸向方向運(yùn)動的電磁力作用于試件，電磁力的大小由下式計(jì)算： （4-1）其中：F為電磁力； B為工作氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度； L為線圈導(dǎo)線的有效長度； I為線圈通過的電流。若B的單位為高斯，L的單位為m，I的單位為A安培，則F的單位是公斤力。型激振器的主要技術(shù)指標(biāo)如表4-1所示：表4-1 SD1482型激振器主要技術(shù)指標(biāo)Tab. 4-1 The important technical parameters of SD1482技術(shù)指標(biāo)數(shù)值單位額定輸出力1kg額定輸入電路1.5A靜力常數(shù)0.5Kg/A動圈直流電阻約6最大位移2mm線圈可動部分質(zhì)量4010%g外形尺寸d75150mm重量3.5kg激

20、振器主要有兩種使用方法：懸掛激振將激振器用彈簧或剛度很低的軟繩吊在支架上，激振器和試件要保持剛性連接；固定激振將激振器與試件同時(shí)固定在一個(gè)基座上，試件與激振器同樣需保持剛性連接。實(shí)驗(yàn)中采用第二種方法，這樣可以保證激振器的簧片沒有被施加任何力。4.1.3 UA301可編程數(shù)據(jù)采集卡UA301型A/D數(shù)據(jù)采集卡采用USB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 可與帶USB接口的各種臺式計(jì)算機(jī)、筆記本機(jī)、工控機(jī)連接構(gòu)成高性能的數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)。采集卡采用美國新型 12位A/D轉(zhuǎn)換芯片, 測量精度較高, 速度較快, 編程比較簡便，連接方便，無需外接電源，可即插即用，良好的滿足了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的要求。采集卡的主要功能及特點(diǎn)見表4

21、-2，實(shí)物圖見圖4-5，技術(shù)指標(biāo)見表4-3。表4-2 UA301數(shù)據(jù)采集卡主要功能及特點(diǎn)Tab. 4-2 The primary features of UA301參數(shù)特點(diǎn)分辨率12bit通道16通道輸入，其中有四個(gè)帶有獨(dú)立的零階保持器采樣頻率最高采樣頻率100KHz續(xù)表4-2設(shè)定可任意設(shè)定采樣通道數(shù)FIFO16KB FIFO緩沖存儲器，可實(shí)現(xiàn)自動數(shù)據(jù)塊采集觸發(fā)軟件或定時(shí)器觸發(fā)采樣，可任意設(shè)定采樣頻率I/O3-16bit數(shù)字量I/O數(shù)據(jù)量可連續(xù)大數(shù)據(jù)量采集精度帶有DC/DC隔離電源，精度穩(wěn)定支持軟件豐富的軟件支持圖4-5 UA301采集卡實(shí)物圖Fig. 4-5 The picture of U

22、A301表4-3 UA301數(shù)據(jù)采集卡主要技術(shù)指標(biāo)Tab. 4-3 The primary technical parameters of UA301UA301技術(shù)指標(biāo)A/D部分分辨率：12bit程控范圍：1、2、4、8、16倍精度：優(yōu)于0.05%（滿量程）輸入阻抗：大于100M模入范圍：5V觸發(fā)方式：定時(shí)觸發(fā)，軟件觸發(fā)數(shù)字量I/O數(shù)字I/O：3路（可擴(kuò)至16路）TTL電平兼容可編程輸入輸出定時(shí)計(jì)數(shù)器3通道可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器卡上時(shí)鐘：6MHz字長：16bit4.1.4 YE5858A型電荷放大器YE5858A電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的多功能寬帶電荷放大器，可配接壓電式傳感器測量

23、由機(jī)械振動產(chǎn)生的加速度、速度及位移信號，也可測量沖擊加速度、動態(tài)壓力等。其主要特點(diǎn)見表4-4，實(shí)物如見圖4-6。表4-4 YE5858A型電荷放大器特點(diǎn)Tab. 4-4 The features of YE5858AYE5858A特點(diǎn)輸入輸出最大輸入電荷量：±105PC傳感器靈敏度調(diào)節(jié)：1109.9PC/ms-2精度誤差加速度速度位移固有誤差±1%工作誤差±2%固有誤差±3%工作誤差±5%固有誤差±3%工作誤差±5%最大輸出電壓±5V最小負(fù)載電阻1K過載指示輸出超過±5V時(shí)發(fā)光二極管亮低通濾波器上限頻率0

24、.3、1、3、10、30、100KHz偏差-3dB±1dB衰減頻率-12dB/Oct高通濾波器上限頻率0.3、1、10Hz偏差-3dB±1dB衰減頻率-6dB/Oct圖4-6 YE5858A型電荷放大器實(shí)物圖Fig. 4-6 The picture of YE585A由于其相對比較高的精度，因而適合整個(gè)實(shí)驗(yàn)中對激振加速度信號的放大。該放大器裝有三組十進(jìn)制的電阻網(wǎng)絡(luò)，用于對傳感器靈敏度適調(diào)，使被測機(jī)械量與輸出電壓形成歸一化輸出，以便測試系統(tǒng)的讀數(shù)和校正。4.1.5 壓電加速度傳感器實(shí)驗(yàn)中使用的壓電加速度傳感器的型號為CA-YD-127，具體參數(shù)見表4-5，實(shí)物圖見圖4-7。表

25、4-5 壓電加速度傳感器相關(guān)參數(shù)Tab. 4-5 The parameters of the piezoelectric accelerator censorCA-YD-127參數(shù)參考靈敏度15最大橫向靈敏度最大允許加速度6103m/s2絕緣電阻7109極性+工作溫度-40150安裝螺紋M5質(zhì)量38g頻率范圍0.35KHz圖4-7 壓電加速度傳感器實(shí)物圖Fig. 4-7 The picture of the piezoelectric accelerator sensor4.2 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)UA301型數(shù)據(jù)采集卡支持各種語言對其編程開發(fā)，包括Visual Basic、Delphy、Visu

26、al C+等。整個(gè)實(shí)驗(yàn)采用了VB語言對該數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行編程開發(fā)，完成對實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的目的。4.2.1 數(shù)據(jù)采集程序需求分析在壓電懸臂梁的發(fā)電實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)采集程序必須能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾個(gè)基本功能：1能夠雙通道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。在實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生的電壓值是和當(dāng)時(shí)的加速度值一一對應(yīng)的，當(dāng)加速度的值不同時(shí)，會導(dǎo)致產(chǎn)生的電壓值的不同，為了確保電壓和加速度信號在時(shí)間上的一致性，要求采集程序必須實(shí)現(xiàn)對電壓信號和電荷放大器的輸出信號雙通道采集。2能夠?qū)⒉杉降膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存到本地磁盤上，以方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、處理步驟的進(jìn)行。3必須能將采集到的數(shù)據(jù)以曲線的形式實(shí)時(shí)的顯示出來，以方便在實(shí)驗(yàn)的過程中對實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確性

27、的定性分析。4具有采樣頻率調(diào)節(jié)的功能，以實(shí)現(xiàn)對采樣時(shí)間間隔的調(diào)節(jié)、計(jì)算。根據(jù)以上的需求，可將采樣程序主要分為五個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能，分別為：曲線繪制模塊、坐標(biāo)軸繪制模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、數(shù)據(jù)回讀模塊和采集模塊，見圖4-8所示。圖4-8 程序模塊圖Fig. 4-8 The module chart of the program4.2.2 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)對壓電雙晶片產(chǎn)生的電壓信號以及電荷放大器輸出信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測，阻尼比的測量等目的，在實(shí)驗(yàn)中編制了相應(yīng)的信號采集程序，時(shí)域信號顯示記錄窗口見圖4-9，程序界面主窗口見下圖4-10。圖4-9 時(shí)域信號顯示記錄窗口Fig. 4-9 The dis

28、play widow for the input signal圖4-10 程序界面主窗口Fig. 4-10 The primary window of the program圖4-11 程序流程圖Fig. 4-11 The flow chart of the program整個(gè)數(shù)據(jù)采集程序的流程主要有時(shí)鐘設(shè)定、通道設(shè)定、采樣頻率設(shè)定、曲線繪制等，具體見圖4-11。程序化上圖，再結(jié)合其他的一些過程函數(shù)如DrawTime、DrawAmp（）等，適當(dāng)規(guī)劃各函數(shù)的接口，就完成了整個(gè)UA301數(shù)據(jù)采集卡采集程序的編制，具體程序見附錄C。4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證整個(gè)驗(yàn)證過程主要可分為兩個(gè)方面：壓電懸臂梁系統(tǒng)阻尼比

29、的測定；壓電懸臂梁在不同的振動頻率情況下，產(chǎn)生的電壓的采集。4.3.1 系統(tǒng)阻尼比的確定壓電懸臂梁系統(tǒng)阻尼比的確定主要包括兩個(gè)部分：阻尼比的理論計(jì)算和阻尼比的測定。一、阻尼比的理論計(jì)算實(shí)驗(yàn)中的壓電懸臂梁系統(tǒng)可以等效為單自由度振動系統(tǒng)來進(jìn)行研究。單自由度振動系統(tǒng)的微分方程表達(dá)式為26： （4-1）標(biāo)準(zhǔn)形式為 （4-2）其中c稱為系統(tǒng)的衰減指數(shù)； 稱為系統(tǒng)的固有頻率。由微分方程的基本知識可知式（4-2）的解為 （4-3）阻尼比，顯然有 （4-4）當(dāng)小阻尼時(shí)，即0<<1，此時(shí)式（4-3）解中的兩個(gè)根均為虛根，利用歐拉公式可求得 （4-5）式中決定于初始條件的積分常數(shù) (4-6) (4-7

30、)可見在小阻尼情況下，自由響應(yīng)是一個(gè)振幅隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減的振動，即衰減振動。衰減振動的頻率為阻尼固有角頻率或阻尼固有頻率，它們分別為 （4-8） （4-9）顯然它們低于無阻尼時(shí)的角頻率和頻率。阻尼固有周期 （4-10）對于通常的機(jī)械結(jié)構(gòu)，為數(shù)量級，阻尼對頻率和周期的影響很小，可忽略不計(jì)。衰減振動的振幅是按幾何級數(shù)衰減的，相鄰兩個(gè)振幅之比是一個(gè)常數(shù)，稱為減幅系數(shù)，計(jì)作， （4-11）越大，越大，振動衰減越快。的自然對數(shù)稱為對數(shù)減幅系數(shù)，記作 （4-12）或者 （4-13）將式（4-10）代入，得 （4-14）當(dāng)時(shí)，近視的可取 （4-15）結(jié)合式（4-15）、式（4-13）可得阻尼比的實(shí)驗(yàn)計(jì)算

31、公式 （4-16）二、阻尼比的測定按照4.1.1所示的步驟搭建起試驗(yàn)臺，并用小力錘輕輕敲擊一下壓電懸臂梁，使其產(chǎn)生衰減振動（由于敲擊瞬間，手指和壓電懸臂梁還沒與脫離接觸，故壓電懸臂梁在前一段時(shí)間內(nèi)的振動并不是理想的衰減振動，但這對阻尼比的計(jì)算幾乎沒有影響），并用數(shù)據(jù)采集卡采集相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4-12。圖4-12 壓電懸臂梁衰減振動曲線Fig. 4-12 The damped vibration curve of piezoelectric cantilever根據(jù)所測得的曲線，將上圖所示的相隔9個(gè)周期的峰值電壓xi、xi+1及n的值帶入式（4-16）得4.3.2 不同激振頻率下信號采集按照4

32、.1.1所述步驟搭建起試驗(yàn)臺，并采用雙通道采集方式對不同激振頻率下的電荷放大器輸出信號及壓電懸臂梁產(chǎn)生的相應(yīng)的電壓信號進(jìn)行采集，共采集了在35、40、45、50,105、110Hz一系列頻率下的加速動、電壓圖像各16幅，與圖像對應(yīng)的各數(shù)據(jù)分別保存在了對應(yīng)的txt文件中。在本節(jié)中，只附了在80Hz和110Hz激振頻率下的電壓和電荷放大器輸出信號曲線圖像，其他激振頻率下的圖像見附錄D。其中，110Hz激振頻率的電壓曲線圖像見圖4-13，電荷放大器輸出信號曲線圖像見圖4-14， 80Hz激振頻率下的電壓曲線圖像見圖4-15，電荷放大器輸出信號曲線圖像見圖4-16。由各幅圖像可以看出，峰值電壓產(chǎn)生時(shí)對

33、應(yīng)的時(shí)間軸上的位置與加速度處于峰值時(shí)對應(yīng)的時(shí)間軸上的位置基本一一對應(yīng)，即當(dāng)加速度處于最大值時(shí)電壓也處于峰值狀態(tài)，這就為下面對電壓與頻率的關(guān)系分析提供了方便。圖4-13 110Hz激振頻率下電壓曲線（增益：1/8）Fig. 4-13 The curve of voltage at the input frequency 110Hz（gain: 1/8）圖4-14 110Hz激振頻率下YE5858A輸出信號曲線Fig. 4-14 The curve of the output signal of YE5858A at the input frequency 110Hz圖4-15 80Hz激振頻率下電壓曲線（增益：1/12）Fig. 4-15 The curve of voltage at the input frequency 80Hz（gain: 1/12）圖4-16 80Hz激振頻率下YE5858A輸出信號曲線Fig. 4-16 The curve of