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.     

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．     

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．     

光学干涉位相移动法评价压电陶瓷响应曲线

压电陶瓷是具有压电效应的一种功能陶瓷,其随电压的微位移形变精度很高,在微技术领域应用广泛,响应曲线是评价压电陶瓷性能的主要指标。利用光学干涉的手段获得形变干涉图样,采用位相移动的方法从图样中解析出形变大小,从而获得压电陶瓷的实际响应曲线。     

层合机敏结构的变形传递和层间应力分析

建立了一种承受弯矩及正应力加载下结构材料与压电陶瓷传感／执行器的应力应变传递关系模型，获得了位移、应力、应变等场量方程。模拟了压电陶瓷作为传感器时结构的变形传递及作为执行器时的应力分布和变形传递，并与实验和有限元分析结果进行了比较。结果显示：模型得出的理论值与试验和有限元结果较为接近；当本体材料两面贴压电陶瓷并加同向电压（即只受纵向载荷作用），本模型与已有的一些模型模拟结果近似，但此模型能同时分析承受弯曲加载的智能结构情况；压电陶瓷作为执行器时，层间正应力和层间剪应力在中间都比较平缓，到接近边缘处有一应力集中，实际制作时应加强此处粘接强度，以防在高应力加载或循环下压电陶瓷剥落。     

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。     

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.     

基于压电陶瓷的锡膏三维检测投影光栅移相设计

锡膏三维检测仪控制光栅移相的压电陶瓷存在的非线性、迟滞和蠕变效应,使传统方法测定的控制电压误差较大．采用基于图像灰度匹配的方法对压电陶瓷的控制电压值进行测定校正,提高了移相控制的精度和速度,仿真实例验证了方法的有效性．     

径向振动环状压电陶瓷复合变压器的研究

提出了一种新型的径向振动压电变压器,该变压器由两个径向极化的压电圆环与一个金属圆环在径向复合而成。基于径向极化压电圆环与金属圆环的机电等效电路,利用解析法得出此类压电变压器的机电等效电路,借助等效电路推出了压电变压器的共振、反共振频率方程及电压增益方程。利用数值法研究了压电变压器共振、反共振频率及有效机电耦合系数与金属圆环尺寸的关系,探讨了压电变压器共振频率及电压增益和负载阻抗的依赖关系。最后,用阻抗分析仪测试了压电陶瓷复合变压器的基频频率,实验测试结果与理论结果有很好的一致性。     

光纤光栅传感器的设计

基于压电陶瓷的光纤光栅传感器的设计。主要方法是利用改变压电陶瓷的相关封装的新结构,再结合光纤光栅而制成的电压传感器。由实验结果得出:在0～160V的电压范围内,中心波长的变化与该传感器两端的电压的改变有很好的线性关系,线性拟合度可达0.99,线性调谐的波长范围约为1.6nm。     

基于DC-DC升压和LC振荡的叠层压电陶瓷驱动电源研究

根据叠层压电陶瓷的大容性负载特性,在电路分析的基础上提出了基于DC-DC升压变换器和LC振荡的驱动控制电源,在驱动电路中加入偏置电压,使输出电压在-20 V到100 V之间,满足叠层压电陶瓷的驱动要求.将此驱动器用于压电直线电机,电机运转平稳,电路功耗小,通过匹配不同的电感实现了宽频率范围驱动.     

压电陶瓷驱动的谐综合运动电子凸轮的试验研究

利用双悬臂梁式压电陶瓷驱动器作为主动件,与混频信号发生器、压电陶瓷功率放大器、激光位移传感器组合成电子凸轮系统.由信号发生器产生设定的包含多个特定频率分量的混频电压信号,经功率放大器放大后作用于压电陶瓷驱动器上,使其发生设定的谐综合特性的运动输出.试验结果表明,压电陶瓷驱动器的运动输出很好地实现了谐综合的特性.     

压电陶瓷驱动的谐综合运动电子凸轮的试验研究

利用双悬臂梁式压电陶瓷驱动器作为主动件,与混频信号发生器、压电陶瓷功率放大器、激光位移传感器组合成电子凸轮系统.由信号发生器产生设定的包含多个特定频率分量的混频电压信号,经功率放大器放大后作用于压电陶瓷驱动器上,使其发生设定的谐综合特性的运动输出.试验结果表明,压电陶瓷驱动器的运动输出很好地实现了谐综合的特性.     

基于ANSYS的压电陶瓷材料有限元仿真分析

介绍了压电效应与压电陶瓷材料相关理论,利用压电材料的正压电效应,可以将机械能转换为电能,ANSYS大型有限元分析软件可进行力电耦合场分析,利ANSYS对压电陶瓷薄膜的力电转换进行有限元模拟与分析,对压电薄膜施加一定外力,分析产生的电压特性。     

基于单片机控制的压电陶瓷变压器驱动电源

以单片机及其控制电路为基础,设计了压电陶瓷变压器驱动电源,该电源为压电陶瓷变压器提供特定的振荡信号,根据压电陶瓷变压器的输出信号,适时调整输入频率,使其与压电陶瓷谐振频率一致,最大限度地保持了压电陶瓷的升压比,保证了压电陶瓷变压器的最大输出。实验数据表明,利用该驱动电源控制的压电陶瓷变压器,具有响应速度快,稳定性好,结构简单,调试方便,造价低廉,实用性强等特点,适用于压电陶瓷驱动器。     

压电陶瓷—明胶复合材料的功能效应与实验分析

分析了锆钛酸铝压电陶瓷－明胶复合材料中的功能效应,并对该功能效应的整个响应过程进行了研究,研究结果表明,在压电陶瓷－明胶复合材料中,明胶渗透压的改变是影响压电陶瓷电信号输出发生变化的主要因素,通过乘积效应原理的应用,对复合材料随外界条件的改变而产生的电信号的输出进行了实验研究和理论推导,分析结果与实验符合较好。     

复合型压电俘能器的力电特性研究

研究了由金属及压电陶瓷构成的复合型压电俘能器的动力学及力电转换特性。基于薄板小挠度理论,对复合型压电俘能器进行振动分析,确定了在周期性均布载荷作用下该结构所产生电压、功率与其几何参数之间的关系。同时结合实验,研究了不同负载电阻情况下压电俘能器的输出功率并讨论了能量转换效率问题,并分析了压电俘能器的几何参数、不同金属材料对力电转换特性的影响。     

陶瓷体积分数对水泥基压电复合材料性能的影响

采用切割-填充法，以硫铝酸盐水泥为基体，铌镁锆钛酸铅（简称PMN）为压电功能体制备了1—3型硫铝酸盐水泥基压电复合材料。研究了压电陶瓷体积分数对1—3型水泥基压电复合材料的压电性能和介电性能的影响。结果表明：随着PMN体积分数增大，压电应变常数d33呈非线性增大，压电电压常数g33呈非线性减小。平面和厚度机电耦合系数Kp和Kt及介电常数εγ，随PMN体积分数的增大而增大，在低频段和高频段，其介电常数随频率的变化较平稳，表现出良好的介电频率稳定性。