一种基于率相关回滞的压电带载驱动建模方法

以压电驱动器为代表的智能材料驱动器,以其能实现微纳米级精密驱动的优势逐步在精密装备中得以应用,但其内部的回滞非线性在微纳米级驱动性能要求下成为限制精度提升的瓶颈.文中以压电驱动器为研究对象,在不同输入信号频率的条件下研究其带载输出特性,结合压电驱动器的机电特性,提出了一种压电驱动系统带载环境下的建模方法.该方法基于率相关Prandtl-Ishlinskii(RDPI)回滞模型,同时考虑工作频率增加时载荷对系统输出所造成的影响,以克服常规RDPI回滞模型无法表征带载条件下输出特性的局限.结合压电驱动系统带载2. 94 N工作条件,完成1～80 Hz驱动频率范围的实验验证.结果表明,文中提出的建模方法能有效地反映压电驱动器在带载环境下的输入-输出特性.     

压电驱动型电液伺服阀前置级驱动器实验研究

针对电液伺服阀电磁式前置级驱动器频响低的问题，提出了一种压电驱动型电液伺服阀前置级驱动器，该驱动器以压电叠堆(积层式压电微位移器)为驱动元件，通过基于三角形放大原理的柔性铰链放大机构，放大压电叠堆的输出位移．同时，设计、研制了实验装置，并在试制样机上对其静、动态特性进行了实验．研究表明，该驱动器具有线性良好、高分辨率、高频响等特点，由有限元分析得到的固有频率达到了1．201kHz，实际测量的固有频率为1kHz。     

压电陶瓷驱动梁的变形分析及试验研究

利用逆压电效应可以研制各种驱动器．将片状的压电陶瓷(PZT)作为驱动器，对称地粘贴到梁的上下表面，在极性相反的外部电场的作用下，使驱动构件发生弯曲变形．在推导了粘贴有PZT压电驱动片梁的弯曲应变分布表达式的基础上，通过分析驱动片的纵横应变分布，提出了用横向定向加固的方法使压电陶瓷驱动元件表现出明显的正交异性，从而提高了压电驱动的效率，最后通过实验进行了对比验证．     

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。     

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。     

溶胶-凝胶法制作PZT薄膜微驱动器的工艺研究

使用溶胶-凝胶法(sol-gel)制备了PZT压电薄膜,利用PZT的压电效应制作以PZT薄膜为驱动的无阀型微驱动器.针对微驱动器的关键结构驱动膜,探索了多层驱动膜的制备方法及PZT薄膜的刻蚀工艺.采用Si/SiO2/Ti/Pt/PZT/Cr/Au多层驱动膜结构,解决了PZT薄膜制备中存在附着力、抗疲劳等问题,利用BHF/HNO3溶液实现了PZT薄膜刻蚀技术的半导体工艺化.同时详细探讨了微机械加工(MEMS)中温度及溶液浓度对腐蚀工艺的重要影响,给出了硅各向异性腐蚀的最佳化工艺条件.通过以上方法成功地解决了集成制作的无阀型微驱动器的关键工艺问题,降低了器件的复杂性.采用以上工艺得到的驱动器硅杯面积大、均匀、平坦,而且在无阀型微驱动器整体设计中没有可以移动的机械部分,所以微驱动器的寿命也得到了提高.     

一种新型的数字化微粉体混合器

利用压电陶瓷驱动器产生的脉冲惯性力来驱动和扰动微流体,实现了粉体流的均匀离散和微喷射,具有数字可控性.设计了一种粉体微混合器,该微混合器将玻璃微管道拉制仪拉制的三根微管道组合起来,形成含有两个进口与一个出口的微流道,无需复杂的玻璃微加工技术及键合、芯片钻孔等工艺.工作时通过数字化控制每一根进料微管道内的粉体喷射至混合腔内,实现粉体的微混合,最终生成的混合物由微混合器出口喷射而出.进行了300目银粉和280目刚玉粉的混合实验,证明该混合器可以用于粉体的微混合.     

超磁致伸缩-压电直线式蠕动机构的设计

为研制大行程高精度进给机构,基于蠕动运动原理,以超磁致伸缩微驱动器为驱动元件、嵌入柔性铰链中的压电陶瓷驱动器与V形导轨配合为箝位方式,研制了超磁致伸缩压电直线式蠕动机构样机,并利用计算机对其运动进行了闭环反馈控制。运行测试结果表明,该机构能够稳定地蠕动步进和后退,位移重复定位精度可以达到±15nm。     

微驱动器及其驱动原理

微机电系统(MEMS)是20世纪80年代在微电子技术的基础上兴起的一门应用技术。其中,微驱动器是微机电系统的重要组成部分。主要介绍了电磁驱动、静电驱动、压电驱动、形状记忆合金(SMA)驱动及热驱动等,介绍了它们各自的优缺点及其应用,对其应用前景进行了简要分析。     

基于刚架的压电驱动器驱动力试验研究

压电材料是一种新型智能材料,利用压电材料制成的压电驱动器具有良好的主动驱动效果.据此开展了基于刚架的压电驱动器驱动性能的试验研究.研究表明,压电驱动器的驱动力与输入电压大致呈线性关系,增加预紧力能在一定程度上提高驱动器的驱动力.在试验的基础上,应用数据分析软件,对压电驱动器的驱动力与输入电压之间的理论关系进行了数据拟合,建立了"驱动力一电压"控制方程.研究成果可为实现基于压电驱动器的智能结构主动控制提供基础数据.     

用压电陶瓷实现精密工件台的微定位控制

以压电陶瓷微位移原理为基础，对精密驱动技术在精密定位工件台上的应用作了实验研究。设计了一个包括高压精密可调电源、压电微位移驱动器、作为反馈元件的光栅干涉仪、以及由ＩＢＭＰＣ机和单片机组成的控制系统。     

电压和压力载荷下圆形薄膜压电驱动器形变分析

薄膜压电驱动器驱动均匀气体压力载荷时具有不同的形变特征.根据基尔霍夫薄板原理,采用最小能量法和里兹法建立了圆形薄膜压电驱动器耦合均匀压力载荷条件下的静态形变模型.分别在电压驱动、压力驱动以及电压与压力共同驱动条件下,实验测试了驱动器的形变特征,并与计算模型对比,发现最大相对误差在9.3%以内,验证了模型的可靠性.基于建立的形变模型,分别讨论了驱动器压电层与弹性基层的半径比和厚度比对驱动器形变的影响,分析了均匀压力载荷条件下驱动器的形变特性.结果表明,薄膜压电驱动器存在最佳的半径比和最佳的厚度比,并且在均匀压力载荷下,驱动器半径比低于0.71时会明显导致驱动器的边缘处出现反向形变,不利于驱动.     

压电悬臂梁式微型电场传感器的设计与制备

提出并研制一种新型压电悬臂梁式微型电场传感器,该传感器是基于压电(PZT)薄膜驱动的悬臂梁式微型电场传感器;同时介绍了传感器的工作原理、结构设计、制作工艺以及初步测试结果。该微型电场传感器由多根压电悬臂梁构成,每根悬臂梁能同时具有屏蔽电场和感应电荷功能。对传感器感应电荷的能力进行了计算;并根据计算结果和工艺要求设计了传感器的参数。该微型电场传感器采用微加工技术制作,每根悬臂梁为多层复合结构(Al/Si3N4/Pt/PZT/Pt/Ti/Si O2/Si),其中PZT薄膜采用溶胶-凝胶法制备。测试结果证明,传感器具有良好的响应特性。     

江苏“333工程”人物介绍

潘铁政。男，1958年1月出生，中共党员、本科学历、高级工程师，昆山晶丰电子有限公司总经理。国内知名的压电专家，享受省级特殊津贴，江苏省“333”学科带头人培养对象。自1982年至今，在压电陶瓷技术领域取得了丰硕的成果，由他研制或主持研制的压电陶瓷材料及元器件有数十项，如激光制导用微位移补偿器、压电微位移致动器材料及器件、提花针织机选针器压     

压电式微驱动器的应用研究

在分析常用微驱动器的基础上,设计了一种压电式微驱动器,采用柔性铰链机构实现无机械摩擦、无间隙的高灵敏度微驱动,利用柔性铰链杠杆放大原理增加了叠层式压电陶瓷位移输出．满足了在激光测量系统中作为移相器的工作要求．文章对柔性铰链机构进行了理论分析,建立了数学模型,采用有限元分析方法优化了机构的结构参数．     

一种基于电磁驱动的非圆异形孔加工方法

为了对镗杆施加径向可控随动作用力,在镗床主轴与镗杆之间设置一个柔性铰链变形机构(转子),而在其外围设置一个多磁极加力机构(定子),两者形成一个回转式电磁微位移驱动机构.定子与转子之间的作用力取决于定子线圈中的控制电流,改变控制电流可以改变转子与定子之间的作用力,实现转子相对于定子的径向微位移.通过对电磁驱动力的数值建模,提出了实现电磁驱动机构同步驱动的控制方法;通过对电磁驱动力线性化误差进行分析,给出了电磁驱动器关键参数的设计方法.在正常工作范围内,电磁驱动器微位移与控制电流之间具有较好的线性关系.模拟试验表明,通过改变控制电流的大小,转子(镗杆)中心的回转半径随之变化,从而带动镗杆在径向上做精密微位移.     

压电微滴喷射装置的设计

基于微滴喷射的快速制造技术是快速成形发展的重要方向之一,压电微滴喷射装置是其核心技术。该文建立了典型的压电微滴喷射装置模型,通过对腔体内部流体运动的简化,推导出形成微滴喷射的两个数学判据。在此基础上,提出了压电驱动器和腔体结构的设计方法,包括压电驱动器形式和材料的选择,压电驱动器变形量和工作频率的计算,研究了电源参数对喷射效果的影响。根据此方法设计的压电微滴喷射装置能实现黏度范围在0～100mPa.s内流体的可控离散喷射,喷射频率为0.4～1kHz,喷孔直径最小为0.08mm。     

新型活塞异形销孔加工方法

提出一种新型活塞异形销孔数控加工方法,采用一个基于压电陶瓷驱动的柔性铰链放大机构来实现镗刀的径向微位移.分析了放大机构的工作原理,提出了一种查表与实时检测相结合的控制方法.建立了消除压电陶瓷驱动器磁滞特性的数学模型,分析了柔性铰链刚度参数的设计方法及柔性铰链机构的动态特性.     

微纳米压电陶瓷驱动器的迟滞特性建模

为了高精度地测量微纳米压电陶瓷的驱动特性,研究了一种基于最优模板尺寸的改进图像块匹配位移测量算法;结合Preisach模型,建立了压电陶瓷驱动器迟滞特性模型.首先,研究了不同模板尺寸对位移测量精度的影响,得到了基于标准模板的最优模板尺寸;然后,介绍了Preisach模型用于压电陶瓷驱动器迟滞建模的原理;最后,使用纳米平台系统验证了改进的亚像素模板匹配算法和迟滞特性建模方法的有效性和准确性.     

微纳米压电陶瓷驱动器的迟滞特性建模

为了高精度地测量微纳米压电陶瓷的驱动特性,研究了一种基于最优模板尺寸的改进图像块匹配位移测量算法;结合Preisach模型,建立了压电陶瓷驱动器迟滞特性模型.首先,研究了不同模板尺寸对位移测量精度的影响,得到了基于标准模板的最优模板尺寸;然后,介绍了Preisach模型用于压电陶瓷驱动器迟滞建模的原理;最后,使用纳米平台系统验证了改进的亚像素模板匹配算法和迟滞特性建模方法的有效性和准确性.