周期变异免疫克隆算法在压电悬臂梁振动控制中的应用研究

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压电微传感器悬臂梁结构的优化设计

压电微传感器悬臂梁结构的优化设计
摘要：压电微传感器是一种利用压电材料的特性进行物理量测量的微型传感器。

悬臂梁结构是压电微传感器中常用的结构形式之一。

本文通过对压电微传感器悬臂梁结构的优化设计研究，探讨了如何提高传感器的灵敏度和稳定性。

关键词：压电微传感器；悬臂梁；优化设计；灵敏度；稳定性
引言：压电微传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高等特点，广泛应用于机械振动、压力、温度等物理量的测量。

悬臂梁结构是压电微传感器中常用的结构形式，其通过压电材料的挠曲效应实现对外界物理量的测量。

然而，目前悬臂梁结构的设计存在灵敏度低和稳定性差的问题，需要进行优化设计。

方法：本文首先分析了悬臂梁结构的工作原理和设计参数，包括悬臂梁的长度、宽度、厚度等。

然后，通过有限元仿真软件对不同设计参数下的悬臂梁结构进行模拟分析，得出了不同参数对传感器灵敏度和稳定性的影响。

最后，根据仿真结果进行优化设计，得到了一种灵敏度和稳定性均较高的悬臂梁结构。

结果与讨论：通过优化设计，我们得到了一种长度为L、宽度为W、厚度为H的悬臂梁结构，其灵敏度和稳定性均较高。

在实验中，我们对该结构进行了振动测试和压力测试，结果表明该
结构能够准确且稳定地测量外界物理量。

同时，我们与传统的悬臂梁结构进行了对比，发现优化设计的悬臂梁结构在灵敏度和稳定性方面有明显的改善。

结论：本文通过对压电微传感器悬臂梁结构的优化设计研究，提出了一种灵敏度和稳定性较高的结构。

优化设计的悬臂梁结构可以提高传感器的测量精度和可靠性，具有较好的应用前景。

在今后的研究中，可以进一步优化设计参数，探索其他结构形式，提高压电微传感器的性能。

磁场中悬臂梁的非线性振动

结果的对比与讨论
对比不同参数下的结果
对比不同材料属性、不同外力作用、不同边界条件下的结果，分析各因素对悬臂梁非线性振动的影响。
结果的讨论
根据模拟结果，进行深入的讨论和分析，解释现象背后的物理机制，提出可能的优化方案或建议。
05
结论与展望
主要研究结论
磁场中悬臂梁非线性振动的现象存在
通过理论和实验研究，证实了在外加磁场的作用下，悬臂梁可以产生非线性振动现象。
非线性振动的数学模型建立
成功建立了描述磁场中悬臂梁非线性振动的数学模型，并利用数值模拟方法对模型进行了验证。
影响因素的分析
详细分析了外加磁场、悬臂梁的物理特性、约束条件等因素对非线性振动的影响，并得出了一些有意义的结论。
研究不足与展望
实验验证的局限性
目前的实验研究主要集中在特定条件下悬臂梁的非线性振动，对于更复杂的环境条件和加载条件下的研究尚不充分。
。
非线性振动的理论基础
非线性振动概述
介绍非线性振动的概念、特点及研究方法。
非线性振动的数学模型
建立描述非线性振动的数学方程，如Duffing方程、Van der Pol方程等。
非线性振动的分析方法
介绍常用的非线性振动分析方法，如相平面法、Floyd法、谐波平衡法等。
03
磁场中悬臂梁的非线性振动特性
研究现状与发展
现状
目前，关于磁场中悬臂梁的振动研究已取得一定成果，主要集中在振动的线性化分析和稳定性研究。
发展
随着科学技术的发展，对磁场中悬臂梁的非线性振动研究逐渐成为关注的焦点，涉及更复杂的行为如分岔、混沌等。
研究内容与方法
研究内容
本研究旨在探究磁场中悬臂梁的非线性振动特性，分析不同参数下的动力学行为，并探讨控制方法及其应用。

基于自校正PID控制的智能悬臂梁振动控制

基于自校正PID控制的智能悬臂梁振动控制胡晓琳;张婷【摘要】由于智能结构的工作环境变化多端,各种性能参数会随着环境变化而变化,先前建好的模型不再适应设计好的控制律.利用压电双晶片的驱动传感一体化特性,实现智能悬臂梁的自适应控制.基于极点配置理论,采用自校正PID控制方法在线实时设计控制参数,解决模型参数无法实时更新进而导致的控制精度低的问题.同时,将基于Neigler-Nicholes参数整定法的普通PID控制与基于自校正PID控制方法的控制效果进行对比.运用MATLAB的SIMULINK进行数值仿真并进行实验验证,对此两种控制方法的控制结果进行对比,得出采用自校正PID控制的效果更为显著和更为有效的结论.利用压电双晶片的驱动传感特性,使智能悬臂梁的自由振动得到有效控制.因此,基于自校正PID控制技术,采用压电双晶片的方法可为智能结构吸振减振提供理论研究与实验研究基础.【期刊名称】《噪声与振动控制》【年(卷),期】2019(039)002【总页数】7页(P21-26,69)【关键词】振动与波;系统辨识;压电双晶片;自校正PID控制;智能悬臂梁;振动控制【作者】胡晓琳;张婷【作者单位】上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海 201620;上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海 201620【正文语种】中文【中图分类】O32近年来，压电传感器和致动器结合的智能悬臂梁系统引起了许多研究者的关注[1]，同时基于智能系统振动控制的控制器设计也引起了学者们广泛的关注[2]；特别地出现了大量关于应用压电材料抑制智能悬臂梁系统振动的控制器设计[3–4]。

Zhu 等[5]提出了采用自适应前馈控制方法对压电智能悬臂梁进行主动振动抑制；Zhang等[6]将自适应极点配置控制理论应用到在热环境下的智能悬臂梁的振动控制中。

但将传感与致动一体化的压电材料应用于悬臂梁系统的研究不多。

而且，目前许多研究人员致力于通过各种控制方法控制智能悬臂梁的振动，Koofigar等[7]提出了采用自适应控制方法对模型不确定性和环境扰动的智能结构进行振动抑制；Zhang等[8]实现了时滞智能梁迟滞模型的构建，并且采用自适应振动抑制方法实现了其在控制系统中的应用；但应用压电双晶片进行系统参数辨识实现实时振动控制的设计并不多见。

基于结合鲍德温效应和周期变异的免疫克隆优化算法的研究

到或获得某些有用的特性，那么它的后代获得同样特
性的概率就会比较高，即使这些特性本身没有通过遗传性操作传给后代囝。近年来，仿生学算法在函数优化问题中得到了广泛应用，如遗传算法刚、粒子群算法陶差分进化算法网、、免疫算法等，取得了较好的求解效果。克隆选择是生物免疫系统理论的重要学说，据该原理，根有许多研究者提出了用于解决工程问题的克隆选择算法。对于采用免疫算法求解的函数优化问题，其效果显著好于传统
的优化算法，但是，还有很多生物机制并没有充分体现。基于此，本文设计了一种改进的免疫克隆优化算法，借鉴鲍德温学习机制增强学习能力；模拟生物进化的周期渐变性，计了周期性变异算子，真实验表明设仿了结果的有效性。
１算法关键技术
人工免疫系统（ｒｆｉｍｎｓｍ，Ｉ）ＡｔｃｌｍｕｅｙｔＡＳ是在ｉａＩｉＳｅ研究生物免疫系统信息处理机制的基础上构造的人工智能模型和方法。其中，基于人工免疫系统而开发的免疫优化算法作为一类启发式搜索算法，在近几年得到了极大的发展，在工程优化领域得到了广泛的应用【。－．习鲍德温效应（ａｗｎＥｅｔ是根据首先提出这种Ｂｌｉｆｃ）ｄ思想的Ｊ．ａｗｎ１９）．Ｂｄｉ（８６的作者名字命名的。它指的Ｍｌ
Ｖ０．ＯＮｏ２１．２
Ａｐ．０１ｒ２２
基于结合鲍德温效应和周期变异的免疫克隆优化算法的研究
张敏辉
（四川教育学院计算机科学系，成都摘６１３）１１０

基于微悬臂梁的传感技术研究(张奇)

基于微悬臂梁的传感技术研究（***中国科学院电工研究所北京100190）摘要：本文对微悬臂梁的传感技术从四方面展开讨论，分别介绍了其制造工艺，修饰技术，激励、检测和控制技术，以及与其它电路的工艺集成技术，认为基于微悬臂梁的传感技术是一项极具生命力的技术，它将给科技进步带来巨大动力。

关键词：制造;修饰;激励;检测;控制;集成Abstract:The sensing technology concerning microcantilever is discussed here from four aspects.They are fabricating process,modifying flow,methods of exciting,detecting and controlling,and its integration with other circuits.This is a promising field and will push technology and science forward greatly.Keyword:fabricating;modifying;exciting;detecting;controlling;integration.基于微悬臂梁的传感技术自问世以来，就由于它能够带来的高精度、高灵敏度、低成本、易阵列化、以及便于与其它电路模块高度集成为一体的特点而成为国内外相关领域争相研究的热点。

目前基于微悬臂梁的传感技术主要有以下四个方向。

一：对微悬臂梁本身的制造工艺研究微悬臂梁作为整个传感系统的最终执行元件，它的可靠性、加工结果的统一性、以及成本的高低，都直接关系到整个系统的稳定性、可控性、被市场化的可能性。

微悬臂梁是结合硅基体微加工技术和硅基表面微加工技术，通过腐蚀、键合、光刻、氧化、扩散、溅射等工艺方法的综合运用而制造出来的。

它的长度和宽度一般都远远大于厚度，以便获得其工作的高性能。

悬臂梁振动非接触式磁力主动控制研究

江苏省研究生创新计划（ＸＯＢ０２）Ｃ７６ｚ
收稿１：２００３期０９— ５—１修改稿收到日期：０９一６一ｌ１２０Ｏ０
通常采用修正的伽辽金近似法进行求解，即假设
应。Ｌｕ等，Ｓｉｈｈ等和Ｌｕ和Ｃａｇｌ研究了轴向ｉｈｎｌ。。
１理论模型
设图１示悬臂梁的弹性模量为Ｅ，面惯性矩为所截，单位长度质量为Ｐ长度为ｆ自由端附加质量为ｍ。，，，
ｗｘＯ（，
受时变磁场作用的简支梁的动力学问题，明了使用表
究了其稳定区域与频率响应曲线。Ｚｏａ— ｉ，ｈｕＨｏｍａｏＺｏｏ —ｅ数值模拟了植人大型的磁致伸缩材料ｈｕＹｕｈ
层的层叠梁的动力学和控制特性。Ｋ．Ｍｊｗｋ，ａｅｓａＡ．ＺｋＷ．Ｏｔｃｏｉ］论了利用磁存储器效应ａ，ｓｈｗｃ１讨ａｚ３
图１自由端带有集中质量的悬臂梁
Ｆｉ１ｇ．ＣａｔｌｖｒＢｅｍｔｄａｓｎｉｅａｗｉＥｎＭｓｅｈ
（ｔ为梁在处在ｔ刻的挠度，向控制力，）时横
．
的作动器对梁一类结构的受迫振动的控制。ＮｕＨｏｇｉｎ— ｐｎ等研究了通过电磁约束阻尼层梁的振动主动控ａ制。Ｃｅｈ等 ¨ 对在旋转系统中应用磁性阻尼会降ｈａ针低系统效率问题，明了新的涡流机械装置，其负效发使

悬臂梁各阶振动及抑制研究

悬臂梁各阶振动及抑制研究作者：朱宁来源：《中国科技博览》2018年第32期[摘要]悬臂梁的振动在工程上害处比较大，我们通过研究悬臂梁振动系统，采用压电陶瓷片的正逆压电效应，建立了一套悬臂梁振动控制系统。

通过有限元法和试验模态分析方法分别得到铝制悬臂梁的第一、二、三阶固有频率和振幅。

根据有限元模态分析和试验模态分析的结果，用反演的方法得到在每一阶固有频率下的振幅大小。

[关键词]悬臂梁；振动控制；有限元；振幅中图分类号：TS533 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）32-0288-011 基本原理悬臂梁的振动是有很多自由度和对应的固有频率的连续弹性振动，它的振动可以看作是由很多个主振型叠加而成。

通过悬臂梁是一端固定的特点，采用分离变量法，可求得悬臂梁的频率方程：我们采用矩形截面的悬臂梁作为实验对象。

当给梁施加可变的激扰力，当梁产生共振时，此时力的频率就是悬臂梁在这一阶的固有频率。

2 实验结果2.1 操作方法粘贴好压电陶瓷片的金属铝板，一端被夹持在精密台虎钳上，形成悬臂梁布置，放置于实验平台上，。

金属铝板本体接入负极，压电片外表面电极全部接入正极。

数字千分表由磁性表座固定，并将测量头与定位滑台接触，万用表一端接定位滑台，一端接金属铝板。

2.2 振动激发让信号发生器生成连续正弦变化的信号，将信号功率放大（加100V电压），交流电压加在2组bimorph压电陶瓷片上，根据压电材料的极化特性，通电后，相对的两个压电陶瓷片，正向伸长，负向缩短，从而使得悬臂梁产生弯曲振动。

示波器接在作传感器用的压电陶瓷片外表面引出的一极和金属铝板一极。

观察铝板振动时示波器的变化。

当外加信号的频率达到26.47Hz附近时，铝板产生共振，此时称为第一阶弯曲振动模态。

增加频率，当到达141Hz左右时，第二阶弯曲振动模态产生。

当到360Hz左右时，第三阶弯曲振动模态产生。

用有限元分析得出的金属板的各阶振动模态。

2.3 振动抑制器材固定好后，慢慢旋转定位滑台使其往下，在刚与金属铝板接触时停止，记下此刻数字千分表的数值1。

压电智能材料在悬臂梁结构振动控制中的应用

明，电材料对柔性结构的振动控制效果显著，压最大控制效率能达到４％左右．５
关键词：电智能材料；压结构振动控制；悬臂梁；地震响应中图分类号：Ｕ２．；Ｐ１．Ｔ３３３Ｔ２２６文献标识码：Ａ文章编号：００１８（０７０－６５０１０ —９０２０）６０９ — ４
河海大学学报（自然科学版）
第３卷５
『仃
Ｃｋ—ｅＥ＃ｔｋｋ￣
【＝Ｐ肼＋ＡＤ
式中： — 应力张量；肼 —应变张量； — — 电场强度；仃— ｓ— Ｄ—— 电位移； — — 弹性常数张量； — ｃＰ— 压电应力常数张量；Ａ —— 介电常数张量．
等等．
１２压电材料的本构方程．
压电材料力电耦合的本构方程反映了压电材料将电能与机械能进行互相转换时数学上量的关系．结在构振动控制中得到运用的智能型压电传感器、电驱动器和压电耗能阻尼器的机理即是运用了压电材料的压力电耦合特性，本构关系的表重威胁土木工程结构的安全．随着结构控制科学、息技术和材料科学的发展，信科
学家和工程师们从对自然界和生物进化的学习与思考中得到启示，出了力图从根本上提高工程结构整个提
寿命期间安全性及减小灾害影响的一条崭新的思路，即引入了智能结构系统的概念．电材料是众多智能材压料中运用得较为广泛的一种，用压电智能材料的正、压电效应，利逆即压电材料在外加电场作用下引起变形

压电悬臂梁振动发

置设计
机械081 阮加智机械
压电效应和压电材料
• 压电效应：不存在对称中心的异极晶体，受外力作用发生
机械应变时在晶体中诱发出介电极化或电场的现象(称为正压电效应)，或者在这种晶体加上电场使晶体极化，而同时出现应变或应力的现象(称为逆压电效应)。
• 压电材料：有机材料
压电发电的研究应用
• 我们每天跑步、跳跃、行走、活动，不断产生机械振动能。压电发电技术瞄准的正是这些不起眼的能量，将其收集起来有效利用。
• 传统化学电池：如体积大、质量大、供能寿命有限，需要定期
更换，以及由此所带来的材料浪费，环境污染等问题不容忽视。
压电悬臂梁振动发电装置设计
实验数据对比
—stand-alone piezoelectric device 独立压电器件 —stand-alone electromagnetic device 独立电磁器件
—stand-alone piezoelectric device 独立压电器件 —stand-alone electromagnetic device 独立电磁器件 —coupled energy harvesting device 耦合能量收集装置
—stand-alone,coupled device 独立的电荷耦合器件 —device impedance 设备阻抗 —piezoelectric damping 压电阻尼 —load resistance 负载电阻 —electromagnetic damping 电磁阻尼 —device coil resistance 设备线圈电阻
给质量块一个电磁场作用，给质量块一个电磁场作用，观察电磁力对悬臂梁末端振幅的影响，对悬臂梁末端振幅的影响，是否对悬臂梁发生共振起到帮助作用。发生共振起到帮助作用。

压电陶瓷用于柔性悬臂梁振动控制的试验研究

＝
（兀（１３）） √ ，，２… ＇
（７）
（８）
悬臂梁的振型函数表达式
贴位置，采用独立模态控制方法对柔性悬臂梁进行振动主动控制试验研究．为提高信噪比并保证后继控制的可靠性和有效性，对传感信号进行了滤波处理．试验结果表明，将压电陶瓷片布置在悬臂
粱的合理位置上并采用主动控制方法，可以有效地抑制悬臂梁的振动，使悬臂梁前３阶模态的加速
度及响应谱峰值均减小４％左右．ｏ
关键词：电陶瓷；压柔性悬臂梁；压电驱动器；振动控制中图分类号：３８０２文献标识码：Ａ文章编号：０一８（ｏ７Ｏ０５０１０ｌＯ２０）卜０５－４０９近年来，利用电／磁流变液体、压电材料、磁致伸缩材料和形状记忆材料等制成的智能传感器和驱动电／器来实现对结构振动进行控制的研究已取得不少成果［．其中多数属于理论公式推导和数值模拟计算方面的成果，而在实际柔性结构上成功地实现振动主动控制的研究成果还不多见．为此，笔者首先依据悬臂梁的振动控制方程确定了压电陶瓷片的粘贴位置，然后采用独立模态控制方法对柔性悬臂梁进行了简谐激励下的前３阶振动控制试验研究．
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求解式（）６可得梁的横向自由振动的解Ｙ，）＝（ｓＸ（ｔＡｉｘ＋ＢｏＸｎｃｓｘ＋Ｃｉｈｘ＋ＤｃｓＸ）ＡＣＳｎ＋Ｂｌｎ￣）ｓ２ｎｏｈｘ（ｌＯＯｔ￣ｓｏｔｉｎ代人柔性悬臂梁的边界条件，即固定端的位移和转角为０自由端的弯矩和剪力为Ｏ可得横大学学报（自然科学版）

悬臂梁式压电换能器能量获取特性研究

ｑｕｎｉｓａｅｇｉｅｎｏｅｃｅａｎｄａｄｃｍｐａｅ．ｒｒｄＫｅｒｓ：ｎｔｌｖｒｐｉｚｅｅｔｉｒｎｓｙｗｏｄＣａｉｅｅｅｏｌｃｒｃｔａｄｕｃｒ；ｎｔｌｍｅａｙｓｓ；ｅＦｉｉｅｅｅｎｔａｎｌｉＥｎｅｇｒｅｔｎｇｒｙｈａｖｓｉ
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中图分类号：Ｈ１，Ｐ１．文献标识码：Ｔ６Ｔ２２６Ａ
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【摘
要】研究了悬臂梁式金属一陶瓷压电复合换能器的工作机理，运用有限元理论，借助ＡＳＳＮＹ软
件建立了压电换能器的有限元分析模型，通过模态分析得到了其固有频率；并且在模型表面施加动载荷，通过瞬态分析，获得了一般环境周期载荷频率和固有频率载荷下换能器的电压输出情况，为今后研究此

基于特征模型的压电悬臂板振动控制

第４４卷第１０期
２０年１，０８Ｊ０
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工
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Ｖ１Ｎ．ｏ４。０．４１
Ｏｔｃ．２８００
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ＤｏＩ１．９１ＪＥ．００．０１７：０３０／Ｍ２８１．８
ＡｂｔａｔＴｅｖｂａｉｎｐｏｌｍｆｓａｅｒｆｓｌｘｂｅａｐｎａｅｈｐｄａａｔｌｖｒｐａｅｗｉｅｕａｏｄｂｅｗｈｎｅｔｒａｓｒｃ：ｈｉｒｔｒｂｅｏｐｃｃａｔ’ｆｉｌｐｅｄｇｓｓａｅｓｃｎｉｅｌｔｏｅｅｌｂｎｖｉａｌｌｅｘｅｎｌｄｓｒａｃｘｉｔｎｈｐｅｓｎｌｄｎｅｄｎｎｏｓｏａｄｉｒｔｎｎｉｈｗｉｆｃｈｔｂｌｙａｄｃｎｒｌｉｕｂｎｅｅｃｔｉａｐｎ，ｉｃｕｉｇｂｎｉｇａｄｔｒｉｎｌｍｏｅｖｂａｉａｄｗｈｃｌａｆｔｔｅｓａｉｔｎｏｔｔａｏｏｌｅｉｏａｃｒｃｆｈｙｔｍ．ｓｅｉｌｅｌｗｅｍｐｉｄｄｌｅｉｕｌｉｒｔｎｎａｈｑｉｂｉｍｏｎｓａｄｔｅｓｐｒｓｅ．ｃｕａｙｏｅｓｓｅＥｐｃａｌｔｏｒａｌｕｅｍｏａｓｄａｂａｉｅｒｔｅｅｕｌｒｔｙｈｔｒｖｏｉｕｐｉｔｒＯｂｕｐｅｓｄｉｈＴｏｖｈｓｐｏｌｍ，ｎｎｉｅｒｇｌｅｅｔｎａａｔｅｃｎｒｌｂｓｄｏｈｒｃｅｉｔｄｌａｄｃｍｂｎｄｗｉｏｌｅｒｏｓｌｅｔｉｒｂｅｏｌａｏｄｎｓｃｉｄｐｉｏｔａｅｎｃａａｔｒｉｍｏｅｎｏｉｅｔｎｎ— ｎａｎｏｖｏｓｃｈｉｓｔｈｄｌｇｃｉｔｇａａｉｇａｇｒｔｍｓａｏｔｄｔｕｐｅｓｈａｄｖｂａｉｎｏａｔｅｅｌｔｕｃｌ，ｉｔ，ｅｏｐｉｇｏｗｉｅｉｅｒｌｍｐｎｌｏｉｃｏｎｄｈｉｄｐｅＯｓｐｒｓｅｓｉｉｒｔｆｎｉｖｒｐａｅｑｉｋｙＦｒｌｄｃｕｌｆｔｏｃｌｓｙｎｂｎｉｇａｄｔｒｉｎｌｍｏｅｓｒａｉｅｙｏｔｌｌｃｍｅｔｏｉｚｅｅｔｉｅｓｒｎｃｕｔｒ．Ｓｃｎｌ，ｈｉｚｅｅｔｃｅｄｎｎｏｓｏａｄｓｉｅｌｄｂｐｉａｅｎｆｐｅｏｌｃｒｓｎｏｓａｄａｔａｏｓｅｏｄｙｔｅｐｅｏｌｃｒｚｍａｐｃｉｓｒｃｎｉｖｒｌｔｓｄｓｇｅｎｕｌｕ，ｎｈｄｌｅｕｎｉｓａｄｆｅｕｎｙｒｓｏｓｓｏｅｄｎｎｏｓｎｌｄｓｍａｔａｔｅｅａｅｉｅｉｎｄａｄｂｉｐａｄｔｅｍｏａｆｑｅｃｅｎｑｅｃｅｐｎｅｆｎｉｇａｄｔｒｉａｌｐｔｒｒｂｏｍｏｅａｅｏｔｉｅｙｅｐｒｍｅｔｌｉｅｔｃｔｎ．ｉａｌ，ｓｖｒｌｃｎｏｔｏｓａｅｕｅＯｄｖｌｐｔｅｅｐｒｎａｏａｉｏｎｒｂａｎｄｂｘｅｉｎａｄｎｉａｉｓＦｎｌｉｆｏｙｅｅａｏｔｌｍｅｈｄｒｓｄｔｅｅｏｈｘｅｉｒｍｅｔｌｃｍｐｒｓｒｓａｃｅｏｔｎａｉｇｔｅｂｎｉｇａｄｔｒｉｎｌｍｏｅｖｂａｉｎｏｈｌｔ．Ｔｈｘｅｉｎａｅｕｔｄｍｏｓｒｔｈｔｔｅｅｅｒｈｓｆｒａｔｕｔｈｅｄｎｎｏｓｏａｄｉｒｔｆｔｅｐａｅｅｎｏｅｅｐｒｍｅｔｌｒｓｌｅｎｔｅｔａｈｓａ

微悬臂梁

关键词：微悬臂梁，声波激励，电磁激励，品质因子，共振频率稳定度
I
Abstract
Abstract
The sensing technology based on microcantilever (MC) brings high resolution and low cost to many applications. Meanwhile, it’s easy to be fabricated into arrays and be integrated with other circuits. Therefore, it’s a hot research spot either abroad or at home. The biosensor based on MC is exactly a product of its application in bio-detection field. The detected target can be reflected by the frequency shift of MCs in dynamic mode, based on which a setup is devised. This system consists of three parts that are exciting and detecting of MC, Q factor enhancement and temperature control. The performance of the setup is tested. Two methods are adopted to excite the MC, which are acoustic and magnetic activating (AA and MA) mode respectively. They are compared in an identical environment using MLCT-O10 MC. In air environment, both modes have multiple peaks, but AA has higher Q factor and more stable resonant frequency. In water, more peaks emerge in AA mode while MA mode has only one peak, and AA still has higher Q factor and more stable resonant frequency. Enhancing Q factor is an effective method to get better system resolution. The Q enhancement circuit designed with analog parts brings great Q factor improvement which results in better resonant frequency stability.

压电耦合悬臂梁的时滞反馈控制及稳定性分析

振
第３Ｏ卷第６期
动
与
冲
击
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＶＩＢＲＡＴＯＮＡＮＤＳＩＨＯＣＫ
压电耦合悬臂梁的时滞反馈控制及稳定性分析
冯志宏，霍
（．山东大学机械：程学院，１［济南
睿＇
２０６）５０１
２０６；．山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室，５０１２济南
摘要：基于加速度～时滞闭环反馈控制策略，建立压电耦合柔性悬臂梁的动力学模型，通过运用模态分析和对
系统自由振动的平凡解的分析，建立了在考虑压电耦合作用和反馈时滞条件下的系统稳定性条件和分析方法，并给出了
具体算例；一步的算例分析表明，进时滞的不合理忽略有可能导致系统响应发散，而合理的时滞量也可用以提高振动控制
ｐｉｚｅｅｔｉ— ｏｐｌｇｆｅｉｌａｔｌｖｒｅｍｓｅｕｅｏｌｃｒｃｃｕｉｘｂｅｃｎｉｅｅｂａｗａｓｔｐ．Ｔｈｓａｉｉｃｎｉｏｓｎｄｎｍｉｃａａｔｒｓｉｓｆｔｅｎｌｅｔｂｌｙｏｄｔｎａｄｙａｃｈｒｃｅｉｔｃｏｈｔｉ
ｐｅｏｌｃｒｃｃｕｌｎｎｉｅｄｌｙｗｅｅｃｎｉｅｅｎｐｅｉｃｅａｌｓｐｅｅｔｄｔｒｏｈｒｖｏｓｒｓｌ．ｉｚｅｅｔｉｏｐｉｇａｄｔｅａｒｏｓｄｒｄａｄａｓｃｆｘｍｐｅｗａｒｓｎｅｏｐｏｆｔｅｐｅｉｕｅｕｔｍｉｓＴｈｘｍｐｅＳＯｈｔｉｎｒｎｉｅｄｌｙｕｒａｏｂｙｍａａｓｈｙｔｍｏｒｓｎｉｅｇｎｌｅｅａｌＨＷＳｔａｇｏｉｇｔｍ — ｅａｎｅｓｎａｌｙｃｕｅｔｅｓｓｅｔｅｐｏｄｄｖｒｅｔｙ，ｗｈｌｅｓｎｂｅｉａｒａｏａｌｅａｕｎｆｔｍｅｄｌｙｃｎｉｒｖｈｅｅｃｅｙｏｉａｉｎｃｎｒ１ｍｏｔｏｉ — ｅａａｍｐｏｅｔｆｉｎｃｆｖｂｒｔｏｏｔｏ．ｉＫｅｒｙｗｏｄｓ：ａｔｅｃｎｒｌｉ — ｅａｃｉｏｔｏ；ｔｍｅｄｌｙ；ｓａｉｔｖｔｂｌｙ；ｐｅｏｌｃｒｃｉｉｚｅｅｔｉ

基于压电扫描的微悬臂梁阵列生化传感装置及方法[发明专利]

专利名称：基于压电扫描的微悬臂梁阵列生化传感装置及方法专利类型：发明专利
发明人：张青川,邬林,程腾
申请号：CN201210550152.X
申请日：20121218
公开号：CN103869062A
公开日：
20140618
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种微悬臂梁阵列生化传感的装置，其包括反应池、微梁阵列、半导体激光器、压电偏转器、信号发生器、光电位置敏感探测器(PSD)、和数据处理设备。

本发明的装置利用压电陶瓷管驱动固定在其上的凸透镜偏转，实现了单一汇聚激光束对微梁阵列的扫描探测，可以实现对微梁阵列上生化反应信息的高灵敏度、快速、并行检测，可应用于食品安全、环境污染、生物医学、科学研究和生产制造等领域中的监控和检测。

本发明还公开了利用微悬臂梁阵列生化传感装置的生化检测方法。

申请人：中国科学技术大学
地址：230026 安徽省合肥市包河区金寨路96号
国籍：CN
代理机构：中科专利商标代理有限责任公司
代理人：纪晓峰
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悬臂梁压电弯曲效应研究与验证

悬臂梁压电弯曲效应研究与验证
高长银;吴晓铃
【期刊名称】《中国机械工程》
【年(卷),期】2013(024)014
【摘要】采用各向异性弹性理论和电磁理论计算压电石英悬臂梁的弯曲应力和弯曲束缚电荷密度,并利用有限元方法模拟出极化电场分布.理论分析表明,采用分割电极法在压电梁表面合理布置检测电极可测量弯曲效应.对该悬臂梁压电弯曲效应进行了实验验证,实验结果表明电极检测的电荷量与外力成线性关系,理论分析与实验结果基本一致.悬臂梁压电弯曲效应研究将为新型压电谐振器或执行器的开发奠定理论和实验基础.
【总页数】4页(P1858-1861)
【作者】高长银;吴晓铃
【作者单位】郑州航空工业管理学院,郑州,450015;郑州大学,郑州,450001
【正文语种】中文
【中图分类】TH701;O738
【相关文献】
1.弯曲型梯度压电悬臂梁受外加电场作用时的解析解 [J], 夏文婧;韩嵘
2.压电悬臂梁弯曲问题的哈密顿体系方法 [J], 刘敏;何文明
3.非线性压电效应下压电弯曲执行器的弯曲 [J], 姚林泉;丁睿
4.压电微悬臂梁气体传感器静态弯曲模型的研究 [J], 景大雷;王飞;赵学增;王晓明
5.自由端受集中力作用下压电悬臂梁弯曲问题解析解 [J], 杨德庆;刘正兴
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基于梯形压电悬臂梁的折线形结构振动能量采集装置

基于梯形压电悬臂梁的折线形结构振动能量采集装置
王志豪;王丽坤;廖擎玮
【期刊名称】《北京信息科技大学学报:自然科学版》
【年(卷),期】2022(37)1
【摘要】提出了一种用于环境振动能量收集的新型振动微能量采集装置。

该装置由一个梯形悬臂梁与折线形结构复合组成:折线形结构包含两个分离的质量块,可提供较大的转动惯量,并在梯形悬臂梁的自由端产生弯矩;悬臂梁部分由梯形不锈钢基板与自制PZT-5压电陶瓷组成,其中PZT-5采用固态法制备,它的压电常数d_(33)为512 pC/N,平面机电耦合系数k_(p)为0.69。

振动功率输出测量实验表明,通过选择两个质量块合适的质量比,可以使梯形悬臂梁的纵向应变分布趋向均匀,并且使得整体结构在不同振动模态下的输出表现更为优秀。

【总页数】6页(P1-5)
【关键词】微能量采集;压电陶瓷;振动;悬臂梁
【作者】王志豪;王丽坤;廖擎玮
【作者单位】北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院;北京信息科技大学传感器北京市重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】O321
【相关文献】
1.基于压电悬臂梁的振动能量获取装置的建模及数值仿真
2.基于八悬臂梁-中心质量块结构MEMS压电振动能量采集器
3.三向压电悬臂梁振动能量采集器的研究
4.基于涡致振动的内置压电悬臂梁柔性圆管能量收集结构的数值模拟
5.一种基于梯形压电悬臂梁的能量采集器研究
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基于电压的压电悬臂梁剩余寿命预测

基于电压的压电悬臂梁剩余寿命预测
吴兴意;刘文光;胡剑波;方孟翔;高铭阳
【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2022(41)7
【摘要】压电悬臂梁广泛应用于振动能量收集器的设计。

然而,长期经受振动激励很容易导致其产生疲劳损伤,致使压电体发生失效。

旨在研究一种基于电压的压电悬臂梁剩余寿命预测方法,实现压电悬臂梁的寿命预测。

首先,设计压电悬臂梁振动试验系统,测试压电悬臂梁的共振频率、发电电压和循环加载次数。

然后,基于试验测得的共振频率定义损伤,建立电压变化与损伤的关系。

最后,以电压变化率为损伤指针,建立压电悬臂梁的剩余寿命预测模型,利用试验结果证实寿命预测模型的准确性。

结果表明,共振频带激励下,该模型可预测压电悬臂梁的剩余寿命,损伤率D在0.4~0.8区间内,预测误差小于15%;当损伤率D在0.8~1.0区间内,误差小于5%;当D小于0.4时,误差较大。

【总页数】5页(P223-227)
【作者】吴兴意;刘文光;胡剑波;方孟翔;高铭阳
【作者单位】南昌航空大学航空制造工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN384
【相关文献】
1.基于故障机理和伪失效寿命的电子产品剩余寿命预测
2.基于临界寿命曲线的在役桥梁剩余寿命预测方法
3.基于凸优化-寿命参数退化机理模型的锂离子电池剩余使用寿命预测
4.基于放电电压降的锂电池剩余寿命预测方法研究
5.基于加速寿命试验的拆回智能电能表剩余寿命预测
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由振动理论可知，梁的第ｎ阶主振动可以写为ｔ（ｔ（）Ａｃｓ５ｔＢｓ（］，，）＝［ｏ（）＋ｎ＆ｔｉ）
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式中
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才能得到良好的控制效果，但在工程实际中，这些参数的精确值很难计算得到，一般都是进行估计和假设，因此难以得到令人满意的控制效果 …。人工免疫算法是智能算法中一个新兴的研究热点，该算法借鉴于生物免疫系统识别和消灭侵入其机体内抗原的原理来进行种群筛选Ｊ。本文针对压电智能梁的振动过程采用免疫算法进行自学习，不需要对振动方程中的各个参数进行精确计算就能
图悬梁前阶幅臂的３振图
２周期变异免疫克隆智能算法
在免疫系统的进化过程中，抗体识别抗原上蛋白质结构的变异是免疫系统进化的直接动力，人们般认为抗原变异概率是一个恒定的小概率值，但是如果我们考察地球上生物进化的历程就会发现生
一
物进化过程的变异概率似乎存在着周期性的规律，而非一个恒定的值。基于上述自然进化的规律，本文假定免疫抗体的进化过程中变异概率有周期性规律，提出一种基于周期变异概率的免疫克隆算法。
整控制参数，使用方便。
关键词：悬臂梁，电陶瓷，压周期性变异免疫克隆算法文献标识码：Ａ文章编号：００２５（０００－４３）１０－７８２１）３０５４５
中图分类号：Ｂ３Ｂ８Ｔ５，Ｔ３１
振动主动控制技术的研究始于上世纪５Ｏ年代末期，年代后已经进人蓬勃发展阶段，８Ｏ不仅取得了丰富的理论研究成果，而且成功应用于航空航天、土木结构的振动控制等领域。目前，已经有很多学者对压电智能梁振动控制进行了研究，但是现有的控制算法需要对振动系统的各个参数进行准确计算
作者简介：何钦象（９７）西北工业大学博士研究生，１５一，主要从事结构动力学分析与复合材料结构分析的研究。
西
北
工业
大
学学
报
第２卷８
式中，、和（）ｍ分别为第ｋ阶模态的模态质量、固有频率、阻尼比和固有振型，中其＝
２１算法定义．
图２悬臂梁的前３阶局部振幅图
不失一般性，虑免疫克隆算法优化函数为考（写（）Ｃ ∈Ａ，中有限长度字符串Ｃ＝Ｃ，Ｇ）式
压电陶瓷的压电效应方程为Ｅ￣ｎＶ（）ｄｒｔ．
２１００年６月
西北工业大学学报
ＪｕｎｌｆＮｏｔｗｓｅｏｙｅｈｉａｉｅｓｙｏｒａｒｅｔｒＰｌｔｃｎｅｌｏｈｎＵｎｖｒｉｔ
Ｊｎ２１ｕｅ００
Ｖ１２．ｏ．８Ｎｏ３
第２卷第３８期
周期变异免疫克隆算法在压电悬臂梁振动控制中的应用研究
Ｌ竺）ｉ｜】ｎｘｉ｜］【ｎ考ｓ（）ｓｋ一ｈ）兰ｎ｝Ｊ（）ｎｊ）二（＋ｈｎｓ（Ｊ＿Ｉ－［ｓｉ！ｊｉｉ一～｝
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∞／ｋｏ
一
般的控制算法，如最优控制等都需要对模态
质量、固有频率、阻尼比等参数做精确的计算才能够得到较好的控制效果，但是在实际中这些参数的计算往往非常困难，并且计算值与真实值之间存在较
大的偏差，因此本文考虑采用智能学习的方法实现智能梁的控制。
瓷片，悬臂梁的中间粘贴一压电陶瓷作动器，在在悬
１悬臂梁数学模型
１１振型分析．
本文研究柔性悬臂梁，标轴的原点在梁的固坐定端。
收稿日２０－－１期：９４２００
臂梁自由端底部粘贴一压电陶瓷传感器。
基金项目：国家自然科学基金（０７１５和高等学校学科创新引智计划（０００￣１６２３）Ｂ７５）
何钦象杨智春柯芬蓉，，
（．１西北工业大学航空学院，陕西西安７０７；．１０２２西安理工大学理学院，陕西西安７０５）１０４
摘要：文章首先建立了悬臂梁的振动数学模型和控制传递函数模型，在此基础上设计了基于周期性
变异概率免疫克隆优化的控制算法。该算法避免了精确计算系统参数的繁琐工作，改进了悬臂梁主动振动抑振的控制律设计方法，实现了悬臂梁主动抑振的自学习控制，并构建了压电智能悬臂梁的实验系统。通过对比实验表明：文中所提出的算法收敛速度高、控制效果好，并且能够通过学习自动调
１
【ｏ（）３一（）（＋１＋ｃｓｋ（Ｌ后 ’ｅ）一３勰）ｅＪ
Ｂ＝０，２＝０５Ｃ．
实压电梁的控制，仿真和实验表明文章所设计的周期变异免疫克隆智能算法能够在无需参数计算的
基础上，通过自学习获得较好的控制效果。
为在梁自由端施加扰动力的大小。其前３阶振幅图如图１和图２所示。从图中可知悬臂梁的第３阶振幅的位移已经很小，其更高阶振幅对梁的影响基本可以忽略不计。１２压电梁的控制方程．为了实现悬臂梁振动控制，本文利用压电陶瓷材料本身具有作动和传感特性的功能，采用压电陶