多维微传动平台设计及基于RPY角的运动特性分析

为了满足精密制造领域对于传动平台多自由度及大行程的要求,基于空间机构学,设计了由压电陶瓷驱动柔性铰链导向的六自由度微传动平台.针对压电陶瓷输出位移小的缺点,设计桥式机构对其输出位移进行放大,并利用线切割对传动平台进行一次性加工,得到具有大行程的一体式传动平台.通过齐次坐标变换得到了补充修正后的RPY(滚动-俯仰-偏转)角姿态描述方法,利用此方法分析传动平台的运动特性,通过虚功原理和坐标变换理论,建立了微传动平台的运动学模型,得到了压电陶瓷驱动位移与传动平台运动位移之间的映射关系,以及微传动平台6个方向的静态刚度及其变化规律.利用ANSYS12.0对传动平台进行有限元仿真,并搭建实验平台进行实验测试,实验结果与理论模型和仿真结果的对比分析验证了理论模型的正确性及平台结构的合理性.     

冲击加载对爆电换能器电输出特性的影响

为阐明自供能装置中以压电陶瓷为核心装置的动态响应特征,通过模拟自供能技术中爆电换能器冲击压电陶瓷的真实工况,揭示了冲击应力对压电陶瓷电输出特性的影响.利用霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)作为冲击装置,通过改变子弹的冲击速度进行冲击PZT-5压电陶瓷实验.同时利用有限元分析软件进行冲击压电陶瓷的有限元分析,将实验结果与仿真结果进行对比.结果表明:实验结果与仿真结果基本吻合,冲击速度在7～31.3 m/s时,通过改变爆电换能器的冲击速度可以改变爆电换能器的输出电压峰值,并且爆电换能器中的压电陶瓷受到的冲击应力峰值与压电陶瓷产生的电压峰值呈正相关.     

基于积分器的压电陶瓷自感知执行器研究

拟用压电陶瓷执行器自感知位移,省去外部传感器．从基本压电方程出发,推导出压电陶瓷执行器晶片上自由电荷中包含的执行器位移信息,进而提出了一种基于积分器电路的压电陶瓷执行器位移自感知方法．对压电陶瓷叠堆执行器设计了电压驱动电路,同时设计了获取自由电荷的积分器电路．基于此复合电路,执行器在执行的同时,可以感知其自身的位移．该方法使得自感知电路的调节和感知信号的获取变得容易,克服了电桥法自感知电路阻抗不易匹配的不足．实验结果表明,在不同的驱动电压波形、不同的驱动电压频率下,基于积分器的压电陶瓷自感知执行器均能够很好地获取执行器的位移信号．     

基于坐标变换的压电陶瓷执行器迟滞非线性模型研究

在实验测量的基础上,基于压电陶瓷执行器位移-电压曲线各升程之间、各回程之间的近似相似性,采用坐标变换方法,建立了压电陶瓷执行器位移-电压之间的迟滞非线性模型。该模型只用第1个升回程的实测值,便可实现对以后任意升回程各点的跟踪;其不仅适用于驱动电压为周期信号的情形,也适用于非周期信号的情形。实验研究了不同的电压驱动过程、驱动电压频率、驱动循环次数、晶片厚度对模型精度的影响。结果表明,当驱动次教不是很高时,模型相对于实测值的误差很小,为2．8％;当驱动次教很高时,模型相对于实测值的误差变大。     

偏正无关光纤干涉仪及其微位移测量应用

提出了一种与偏振无关的新型光纤干涉仪,采用端面镀膜的光纤自聚焦准直器,结合球凸透镜构成共光路光纤干涉仪,其探测光与参考光在同一根普通单模光纤中共光路传输,有效消除了偏振衰落影响。通过理论建模分析,并采用高精度的压电陶瓷作为稳定信号源,搭建了微位移测量平台,实测了三角波驱动电压信号与对应的干涉信号。研究了不同扫描电压下,压电陶瓷位移和驱动电压的关系。实验结果表明,该光纤干涉仪可实现微小位移的精密测量,在超精密机床振动、微型机械、传感等方面具有应用价值。     

压电陶瓷动态驱动电源研究

采用分立元件设计了一种基于电压控制型的可动态应用压电陶瓷驱动电源.该驱动电源由高压放大电路、功率放大电路、过流保护电路和负反馈环节构成,克服了目前常用的压电陶瓷驱动电源所存在的成本高、驱动能力不足、静态纹波大等缺点.最后对实际电路的各项性能进行了测试和分析.结果表明:该电路具有良好的动态和静态性能,能够很好的满足驱动压电微位移平台的要求.     

1mm压电陶瓷管式微型超声马达研究

利用微型PZT压电陶瓷管研制微型超声马达．微型压电陶瓷管外径1mm，内径0.6mm，管长5mm．微型马达工作在压电陶瓷管的第一阶弯曲振动模式下，其谐振频率约为58.5kHz．在一定的驱动电压范围内，马达的转速与电压成线性关系，当驱动电压峰峰值为90V时，转速达3500r/min． 启动力矩为7.8μNm.利用压电陶瓷管研制的微型马达与相似尺寸的其他类型的微型超声马达相比，具有更大的力矩和更高的转速．     

压电陶瓷驱动器的力输出特性

目的研究压电陶瓷驱动器在不同条件下的力输出特性,为压电陶瓷驱动器力输出方面应用提供理论依据.方法首先,设计一种压电陶瓷力输出性能测试装置;然后,对预压力施加速度、施加预压力与电压的间隔时间、装置设计等外界因素对力输出特性影响进行分析;最后,使用最大输出力、平均迟滞度、最大曲线偏差值、曲线漂移量和曲线周期延迟量等多个评价指标,对PSt/150/4/7VS9型压电陶瓷驱动器在不同预压力、电压频率、循环工作、电压步长等条件下的力输出特性进行实验分析.结果压电陶瓷驱动器在150 N预压力和1 Hz的电压频率条件下输出效果最好,最大输出力可达到116.56 N,平均迟滞度为10.74%,曲线最大偏差为3.89%,曲线漂移量为-0.47 N;过多次循环工作会造成迟滞曲线的重复性变差和延迟累计增大现象;相同电压步长下,力输出增量随着起始电压的增大而增大.结论实验结果符合电畴翻转理论,且压电陶瓷驱动器具有力输出最佳工作条件.     

新型压电行走机构的行走特性

压电行走机构是利用压电陶瓷逆压电效应和谐振特性,将电能转化为机械能的一种新型驱动装置。为避免惯性、摆动、两足移动式压电行走机构运动形式单一问题,研制了一种新型的压电行走机构振动测试系统。通过实验获得了驱动电压、谐振频率、负载载荷、振动角等诸多因素对机构行走速度和在沿行走方向上的驱动力的影响规律。分析显示,行走机构在滑移状态下,行走速度出现最大值,运行平稳;行走装置的后足设置行走轮时,行走状态最好。实验结果为压电行走机构驱动控制系统的设计提供了必要的数据依据。     

压电陶瓷片与多种电路机电耦合的阻尼特性

为研究压电陶瓷片与不同外界电路并联耦合时的阻尼特性,建立了2种不同情况下并联压电陶瓷的阻尼特性模型。将并联压电陶瓷应用于悬臂梁振动系统,建立了4种不同条件下的传递函数模型,采用数值仿真方法研究了不同外界电路条件下,并联压电陶瓷对系统振动的影响,从一定角度验证了理论模型的正确性。仿真结果表明,压电陶瓷片与电阻负电容串连电路耦合时,具有较大的带宽,并能产生最大的阻尼。这种耦合方式可成为用于结构振动抑制的被动控制方法。     

夹层式压电换能器开路电压影响因素

为探明压电换能器开路电压随各影响因素的变化规律,从而为提高压电路面能量收集效果提供理论依据,采用压电陶瓷晶片PZT-5H及聚氨酯基板制备了夹层式压电换能器。通过室内振动加载试验,研究压电换能器开路电压在不同荷载水平、荷载频率、压电陶瓷晶片并联数量下的变化规律。在此基础上,制备了小尺寸压电路面结构模型,并通过移动加载试验分析面层类型和面层温度对埋置在结构内部的压电换能器开路电压的影响。结果表明:开路电压与荷载水平和荷载频率正相关,但开路电压增长速度随荷载水平和荷载频率的提高逐渐变缓,荷载水平直接影响压电陶瓷晶片应力大小,当施加荷载为5kN,加载频率为4Hz时,压电换能器开路电压稳定在9.44V;开路电压随压电换能器中压电陶瓷晶片并联个数增加而减小,压电陶瓷晶片个数增加,单个压电陶瓷晶片承受荷载变小,当并联个数由1个增加到3个时,开路电压下降了26.6%;不同类型的沥青混合料力学性能不同,AC-13面层下开路电压较AC-10和OGFC-13大,AC-13面层与压电换能器匹配效果较好;温度不仅影响沥青混合料的结构性能还影响压电陶瓷晶片工作性能,温度升高,沥青混合料结构性能变差,压电陶瓷晶片工作性能降低,开路电压降低。     

低温烧结独石压电陶瓷变压器研制成功

清华大学化学工程系研制成功的“低温烧结独石压电陶瓷变压器”是一种体积小、质量轻、升压比高、驱动电压低的新型电源变换器件。该产品的特点是工艺上一次烧成整体极化,独石压电陶瓷的烧结温度大幅度的降低,比一般低200～300℃;且使这种压电陶瓷变压器的性能大为改善,升压比达8000以上,比一般压电变压器高20多倍;驱动电压可低于1V;已用于需用高压电源的静电超微量农药喷雾器、医用骨科治疗仪、静电吸附、静电复印激光器、夜视仪以及其他便携式电子设备等工农军医广泛领域。用作静电超微量农药喷雾器电源,经北京、江苏等地实际应用表明,耗…     

压电陶瓷压力与应电压曲线测试分析

给出了一种新型测量压电陶瓷所受压力与应电压曲线的方法，即用小球冲击压电元件，测出动量与电压的关系曲线，该曲线可类比于压力与应电压曲线．实验结果表明，压电陶瓷的压力与应电压的关系不总是线性的，这与理论推算结果一致，证明了实验方法的正确性与实用性．     

电控液晶透镜的偏振转换和聚焦研究

【目的】针对径向偏振光束的产生和聚焦问题,提出了一种具有孔图案化电极的电控液晶偏振转换透镜。【方法】首先,装置采用扭曲径向液晶结构将线性偏振光旋转产生径向偏振光;然后,通过施加固定频率的驱动电压,使孔图案化电极和公共电极之间产生梯度电场,从而诱导液晶分子发生重定向;最后,在液晶层中形成具有梯度折射率的偏振转换透镜,将产生的径向偏振光进行聚焦。【结果】液晶偏振转换器产生了具有高度对称特性的径向偏振光,通过电控可以得到焦距约为116 mm,焦斑直径约为65.7μm的聚焦效果,实现了偏振转换和聚焦功能的集成化。【结论】本电控液晶偏振转换透镜结构简单,便于制作,光学性能稳定,为同时实现径向偏振光束的产生与聚焦提供了可靠的研究方案。     

分数阶RLαCβ串联谐振及电路仿真实验

【目的】分析和总结分数阶RLαCβ串联电路在谐振态及邻近态的特性。【方法】首先推导出谐振频率、品质因数、谐振态阻抗及电感和电容两端电压表达式,并进行了简要分析;其次,对阻抗模幅频特性、相频特性、电流及电压幅频特性进行了理论分析及数值仿真分析,得到一些基本结论;最后,用分抗链设计的等效分数阶电容模型及模拟电感方法设计的分数阶电感模型实现了该系统的仿真电路。【结果】Multisim 仿真结果与数值仿真分析基本一致,验证了相关结论的正确性。【结论】分数阶谐振更具普遍意义,谐振特性依赖于元件参数及分数阶次数,在奇数阶次附近特别敏感,随阶次变化,会出现电路感性和容性调换等现象。
     

压电陶瓷非线性特性研究

将迈克尔逊干涉仪的可移动平面镜改装为带有压电陶瓷的平面镜,改变压电陶瓷的驱动电压,压电陶瓷就会发生微小形变,迈克尔逊干涉仪两臂的光程差发生改变,导致干涉图样变化。运用MATLAB软件对实验数据进行模拟,验证了电陶瓷的非线性特性。本实验操作简单,可实用性强。     

宏微驱动双连杆柔性臂系统建模与最优控制

以宏微双重驱动的双连杆柔性臂机器人为背景,提出了对刚性部分和柔性部分分别建模的方法,通过两部分的叠加实现对柔性臂的描述,其优点是系统总的模型简单且易于同时考虑多个振动模态;提出了以柔性臂末端二次型跟踪误差为性能指标,通过极大值原理同时求解伺服电机驱动力矩和压电陶瓷驱动电压的方法;最后给出了柔性臂在双重驱动控制下的计算机仿真结果.     

基于PZT-Si的MEMS微驱动器的设计与仿真分析

设计了一种基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驱动器,该具有结构简单,响应速度快,输出位移大的特点。为了进一步优化结构、提高使用性能寿命,本文根据微驱动器的结构特征,建立了直流电压下PZT蟹爪梁的的力-电耦合数学模型,得到了驱动电压与变形量的关系曲线。采用数值模拟方法开展了压电层材料、厚度等等参数对微驱动器驱动性能的影响研究,研究表明：相对于压电层厚度和输入电压的影响,压电材料性能是系统稳定性的主要影响因素。以弹性柔顺系数相对较低的“硬陶瓷”PZT-4作为压电层时,微驱动器的稳定性增强但驱动响应有所降低;而当选用弹性柔顺系数相对较大的“软陶瓷”PZT-5和PZT-5H作为压电层时,微驱动器的驱动效应增强而稳定性降低。在此基础上,对微驱动器的结构参数进行了优化分析,确定了蟹爪梁结构参数的最优组合, 为微驱动器的设计和改进提供了理论指导。     

基于LabVIEW的压电陶瓷相移器控制系统

压电陶瓷(PZT)作为微位移的执行装置,在光学测量方面得到广泛的应用.运用虚拟仪器软件设计的压电陶瓷相移器驱动、校正与位移精度控制系统,准确方便地实现了对压电陶瓷相移器的控制.通过LabVIEW编写的程序采集数据对PZT的位移量进行分析和计算,提出一种测量PZT驱动电压与位移曲线的新方法.通过Lab-VIEW控制数据采集卡的输出电压来控制PZT的驱动,位移精度可以达到纳米(nm)量级.     

基于PZT-Si的微机电系统微驱动器的设计与仿真分析

设计了一种基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驱动器,具有结构简单、响应速度快、输出位移大的特点。为了进一步优化结构、提高使用寿命,根据微驱动器的结构特征,建立了直流电压下PZT蟹爪梁的的力-电耦合数学模型,得到了驱动电压与变形量的关系曲线。采用数值模拟方法开展了压电层材料、厚度等参数对微驱动器驱动性能的影响研究,研究表明:相对于压电层厚度和输入电压的影响,压电材料性能是系统稳定性的主要影响因素。以弹性柔顺系数相对较低的"硬陶瓷"PZT-4作为压电层时,微驱动器的稳定性增强但驱动响应有所降低;而当选用弹性柔顺系数相对较大的"软陶瓷"PZT-5和PZT-5H作为压电层时,微驱动器的驱动效应增强而稳定性降低。在此基础上,对微驱动器的结构参数进行了优化分析,确定了蟹爪梁结构参数的最优组合,为微驱动器的设计和改进提供了理论指导。