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目录
第一章绪论 2
1.1压电智能材料的发展及应用 4
1.2压电材料应用于振动控制的研究 8
第二章本课题国内外研究的现状,目的,意义及本设计工作 9
2.1本课题国内外研究现状 11
2.2本课题提出的意义和目的 14
2.3本设计研究工作 16
第三章系统硬件电路设计 17
3.1传感器的设计 17
3.2滤波器模块电路的设计 18
3.3光电隔离模块电路的设计 19
3.4数据输入通道的设计 22
3.5单片机的介绍 30
3.6存储器的扩展 37
3.7数据键盘显示的设计 43
第四章流程图 55
第五章程序 58
第六章参考文献 67
第一章 绪论
1.1 压电智能材料的发展及应用
近年来,智能材料作为一种新兴的材料,引起了科学界和工程界的广泛重视,被视为21世纪工程技术发展的先导和驱动力。
从材料科学的发展史来看,它被认为是继石器材料、钢铁材料、合成材料、合成高分子材料、人工设计材料之后形成的一门新的分支学科,从此,材料科学的发展进入第五代材料时期,甚至有人把21世纪称为智能材料世纪。
所谓智能材料,是指一种能通过系统协调材料内部各种功能并对环境作出反应而发挥主动功能作用的材料。
也就是说,智能材料具有感知环境变化并对外部环境作出反应的能力。
智能材料和结构的应用十分广泛,不仅应用在国防尖端武器和航空、航天等高新技术领域,而且已经渗透到国民经济发展的各个领域。
目前,智能材料的主要种类有形状记忆合金、压电材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、光纤和电流变体、磁流变体等。
其中压电材料作为智能材料结构应用中的一种主要形式,在所有智能材料的研究中受到特别的重视。
1.1.1压电材料的特性及种类
压电效应是PierreCurie和JacquesCurie于是1880年水晶(SiO2石英)上发现的,当时仅限于压电单晶体材料。
在二十世纪四十年代中期,美国、前苏联和日本等国各自独立地发现了钦酸钡(BaTi03)陶瓷的压电效应,并发展了形成压电陶瓷的极化处理方法。
压电陶瓷与压电单晶体相比具有很多的优点,更容易制备且可做成任意形状和极化方向的产品;
它耐热、耐湿,且可通过改变其化学成分来得到适用于不同目的的应用材料。
五十年代中期,美国的B.Jafe发现了错钦酸铅(PZT)固溶体,它的出现使其在压电应用领域中逐步取代了钦酸钡陶瓷,并促进了新型压电材料和相应器件的发展。
1965年,日本的大内宏在PZT陶瓷中掺和妮镁酸铅,制成三元系压电陶瓷(PCM),其性能更为优越且易于烧结。
1969年,日本的H.Kawai报道了聚偏二氟乙烯(PVDF)聚合物具有压电性。
该类物质具有柔软、可弯曲、重量轻、机械强度高、耐冲击、频响宽(1护-500MHz),压电常数高及可剪裁成任意形状等优点,因此深受重视并发展迅速。
1970年,GH.Heartling等研制出掺润后的错钦酸铅(PLZT)透明压电陶瓷,从而使压电陶瓷的应用扩展到光电领域。
随后又出现了利用材料复合技术研制出来的多种压电复合材料,如压电杆状复合材料、压电纤维复合材料、压电堆、压电薄膜等,扩大了压电材料的应用范围。
压电材料具有价廉、小巧、质轻、易于与基体相结合、响应速度快、对结构的动力学特性的影响较小等优点。
另外,它的制造技术成熟、商品化程度高。
压电效应指的是对某些电介质元件施加机械力或机械变形时,引起元件内部电荷
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中心相对位移而发生极化,从而导致元件两个表面上出现符号相反的等量束缚电荷,而且电荷密度与外力成正比,这种现象称为正压电效应。
正压电效应反映了压电材料具有将机械能转化为电能的能力。
反之,如果将具有压电效应的介质元件置于外电场中,由于电场的作用会引起介质元件内部正负电荷中心的位移,而此位移又将导致介质元件发生形变,这种效应称为逆压电效应。
逆压电效应反映了压电材料还具有将电能转化为机械能的能力。
压电材料的种类主要包括压电陶瓷、压电单晶、压电半导体、压电高聚物、压电复合材料和(压电)液晶等。
一.压电单晶
由原子、分子和离子有规则地周期性排列构成的物体称为晶体。
原子在整个晶体内的排列取向单一者称为单晶,否则称为多晶。
具有压电效应的单晶称为压电单晶(压电晶体)。
晶体是否有压电效应,是由晶体结构对称性这个内因所制约的,结构上有对称中心的晶体无压电效应,只有无对称中心的晶体才可能有压电效应。
因此,压电单晶属于天然的压电材料,不需采用人工极化,没有热释电效应,具有优秀的动态品质和良好的频率稳定性。
二.压电陶瓷
具有压电效应的陶瓷属于多晶体,是压电体的一种主要形式,通常由具有自发电极化的铁电材料烧成(人工制造)。
由于自发极化方向完全是随机取向,在无外电场情况下,极化效应在总体上互相抵消,趋于平衡,因此不具有压电性能。
当对压电陶瓷施加强直流电场(如30-40KV/cm),经过2-3小时后,极化方向就会趋于电场的方向。
经过以上过程的极化处理,外电场撤掉后,陶瓷中仍保持着一定的剩余极化强度,当压电陶瓷在外力或外电场作用下,剩余极化强度就会发生相应的变化而呈现压电效应。
常用的压电陶瓷主要有一元系压电陶瓷、二元系压电陶瓷和多元系压电陶瓷三种。
一元系压电陶瓷主要有钦酸钡(BaTi03).钦酸铅(PbTi03)和妮酸钾(Knb伪)等。
一元系压电陶瓷(如钦酸钡)是最早的压电陶瓷材料,是发展其它压电陶瓷材料的基础。
二元系压电陶瓷是由两种化学通式为AB03(钙钦矿)型结构的化合物所组成的固溶体。
通常调节两种ABO:
型结构的摩尔比,以及采用取代元素和添加物的改性方法,可获得各种不同性能和不同用途的材料。
二元系压电陶瓷主要有PZT[(PbZr,Ti)03],这是一种典型的压电陶瓷,具有比较高的机电祸合系数,是制造压电传感器和作动器的常用材料。
此外,还有妮酸钾钠和偏妮酸铅钡等。
多元系压电陶瓷是在具有钙钦矿型结构的PZT二元系中再加一种或多种化学通式为
AB氏型的化合物而形成的多元系固溶体。
多元系压电陶瓷主要有泥镁铅钦酸铅和锑锰错钦酸铅等。
三.压电高聚物
高聚物又称高分子化合物,分子量高达几千到几百万,几乎所有的高聚物都多少有些压电性质。
压电高聚物一般分为压电塑料、其中聚偏二氟乙烯(PVDF)是一种常见的压电聚合物,式结构振动控制中。
压电橡胶和压电树脂等。
PVDF薄膜常用于分布
四.压电复合材料
压电复合材料是将压电陶瓷相和聚合物相按一定连通方式,一定体积或重量比例和一定的空间几何分布复合制成的。
它不但可以成倍地提高材料的压电性能,而且可以克服压电陶瓷自身的脆性和聚合物压电材料的温度限制,是未来制造智能材料结构中新型传感元件和作动元件的材料,很有发展前途。
五.压电液晶
液晶是液体晶体的简称,是一种介于液态和固态之间的物质。
具有压电性能的液晶在微小的电压下就有灵敏的压电效应、超声效应和应力效应,在很小的外界能量的影响下就能使其自身的结构发生变化,从而使其相应的功能发生变化。
利用液晶制作精密声电转换器件的研究工作也己经开展。
1.1.2压电材料的工程应用
压电材料既有正压电效应,可作为传感元件,又有逆压电效应,可作为作动元件,因此在电子、航空航天、机械制造、生物工程和机器人等技术领域有着广阔的应用前景。
这里仅对压电材料在工程结构领域的应用作一介绍。
压电材料在工程结构方面的应用是其在所有应用中内容最广,最有生机和活力的一个领域。
近年来,国内外文献中涉及压电材料和结构的研究大量出现,压电结构一时成为研究的热点,这些研究主要分为如下三类。
一.压电材料在结构变形和振动控制中的应用
将压电材料集成于结构中,压电传感元件可感知结构的动态变化,控制器根据已设计好的控制律对传感器采集的信号进行处理来确定输入到压电作动元件上的信号,从而由压电作动器实现对结构的变形或振动状态的控制。
这也正是本文研究的主要内容,所以在此不作过多介绍。
二.压电材料在噪声控制中的应用
1991年,VirginiaTech研制成功了压电陶瓷声学主动控制系统(ASAC)a在这个系统中,压电陶瓷根据应用的目的被做成各种类型的作动器。
McDonnellDouglas公司利用ASAC装置和声误差传感技术,通过一块1.75X1.14X1.27m的隔板,把110dB声源的声压级水平降低了29dB,声功率降低了7-8.5dBPennsylvania州立大学利用含有
压电层的主动噪声控制系统,使5-11KHz的回声降低了35dB。
对于航空飞行器结构来说,振动频率大都在10-2000Hz之间,因此ASAC有着广泛的用途。
美国NASA在直径为
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1.68m,长度为3.66m的铝质圆筒四周布置了5-9个PZT压电陶瓷作动器,根据传感器得到的振动信号,合理地控制各个压电陶瓷的作动力,得到了非常好的降噪效果[91
三.压电材料在结构反问题中的应用
人们通常习惯的是结构正问题,即根据结构系统的输入和系统特性来判断系统的输出和响应。
与之相反,反问题是根据系统的输出和响应来判断系统的输入和系统特性。
压电材料在结构反问题的研究中具有独特的优越性[10]。
在对一个含有压电材料单元的结构进行反问题研究时,压电单元可同时作为传感器和作动器,不需要附加探测器,压电传感器直接可以得到系统状态的电信号。
通过对这些电信号进行分析,可以判断出系统的输入和系统特性。
因此,将压电材料应用于反问题研究中是近年来兴起的又一研究热点,其研究领域主要有系统参数辨识、结构损伤监测、变形监测和外载荷检测等。
1.2压电材料应用于振动控制的研究
1.2.1被动控制
压电被动振动控制主要是采用压电分流阻尼系统(piezoelectricshuntdamping
system)。
压电分流阻尼系统用于机械结构振动控制,从理论上讲,就是利用压电材料的正压电效应,将机械振动的机械能(mechanicalenergy)转变成电介能(dielectric
energy),通过一个与之并联的电阻或电阻一电感电路,形成RC或RLC分流电路(RCorRLCshuntcircuit),这个电路里的电容和电源就是压电材料提供的,电介能通过电路中的电阻发热而转化为热能消耗掉,或者通过RLC谐振电路消耗,从而对机械振动系统提供抑制振动的阻尼作用。
因此,压电分流阻尼系统抑制机械振动的实质是通过压电分流电路将机械系统振动产生的机械能转化为电能,从而提供抑制振动的阻尼,由于这里的热能与机械能之间的不可逆转化,使得这种振动控制方法不仅简单而且具有很好的鲁棒性。
通过对电路参数的调整,可以使分流电路的谐振频率与机械结构的振动频率之比等于某个最优值,从而产生类似调谐质量阻尼器的效果。
如果采用一个并联的
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