一种金属基聚合物电热微驱动器的设计与仿真

提出了一种用于双稳态MEMS继电器的面外运动金属基聚合物电热微驱动器,下层结构使用了环氧树脂型SU-8胶作为驱动层,中间层为蛇形镍电阻丝发热层,上层结构为金属偏置层,构成的多层膜结构在常温下保持悬空部分平直,通电时产生的焦耳热使微驱动器件发生面外运动。先对设计的微驱动器进行了概念分析,再利用ANSYSTM有限元分析软件的多物理场(电-热-机械耦合)对热驱动器的性能进行了仿真与优化。当SU-8驱动层厚度、热电阻丝厚度、偏置层厚度比分别为12:4:4μm时,所设计器件的驱动性能最佳,即在0.4V驱动电压下,响应时间10ms时微驱动器产生驱动位移28μm,输出力为1mN,功耗为10mW。

压电双晶片的能量传输特性分析

基于压电双晶片的准静态本构方程 ,详细地分析了准静态情况下悬臂梁式双晶片执行器在常见的三种不同载荷 (力、力矩、压力 )情况下的机电转换特性 ,即有效机电耦合系数、最大能量传输系统、最大输出机械能量时效率。分析结果表明 :这些特性主要由压电双晶片材料的横向机电耦合系数 k31 决定 ;三种载荷中 ,以力矩形式输出机械能时压电双晶片执行器的效率最高 ,以力的形式输出时稍低 ,以压力形式 (如用于推动气体或液体 )输出时效率最低。这些结论对于设计压电双晶片执行器的结构具有指导意义。

双压电片变形镜像差校正能力

利用实测影响函数,通过数值仿真分析了有效孔径、光束入射角度对于20单元双压电片变形镜像差校正能力的影响。仿真结果表明:有效孔径为16mm时,变形镜对于各阶像差的校正能力较好;而随着光束入射到变形镜角度的增大,变形镜对于像差的校正精度与校正幅度都会出现下降,但是如果能够将入射角控制在25°以内,入射角度对变形镜的像差校正能力影响不大。

压电薄膜型精密运动平台研究

提出了一种利用双压电晶片驱动小型平台的研究方案，该平台可实现水平面内的两自由度精密运动。在对粘滑型运动机构的工作原理进行分析的基础上，建立了压电式粘滑机构的动力学模型并进行了仿真分析，设计研制了试验样机，并从运动性能和承载能力两个方面对样机进行了实验研究。实验结果表明，设计的压电薄膜型精密运动平台结构简单、体积小、质量轻、步距稳定且行程大．电压低于30V驱动时，步距误差不超过0．5μm，承载能力约为自身质量的7～8倍。

压电电机的设计与实验研究

基于对压电陶瓷材料的特性研究,利用压电陶瓷的逆压电效应,压电陶瓷双晶片通过组合设计得到压电驱动元件,分析了在电激励条件下,压电陶瓷双晶片悬臂端振动通过摩擦力和惯性力驱动转子转动并输出转距的原理,研制了一种基于摩擦式的压电电机。研究了压电电机输出转速、转矩特性与激励电压频率之间的关系,试验表明:压电电机具有良好的输出特性,响应快、发热很少、转动平稳且可实现双向回转,结构简单,容易实现闭环控制。此设计为进一步研究实用的小型化、低成本、高效率的压电电机提供了一种新的设计方法。

双迭片弯曲换能器的频率与尺寸的关系

为了寻求最佳性能的Unimorph换能器,本文根据简支边界下薄圆片弯曲换能器的共振频率方程,计算和分析了这种换能器的共振频率、有效机电耦合系数与换能器尺寸之间的关系,得出了设计换能器的最佳几何参数。结论对实际设计有一定指导意义。

圆形复合压电振子弯曲振动的分析

为了寻求固定边界条件下最佳性能的双迭片压电振子的Unimorph弯振换能器,计算和分析了这种压电振子的共振频率、有效机电耦合系数与振子尺寸之间的关系,得出了设计弯曲换能器的最佳几何参数.结果表明,几何参数的变化对换能器的谐振频率和机电耦合系数影响很大,当参数α=0.49,β=0.71时有效机电耦合系数最高,可以达到0.31.

压电式空气补气阀技术研究及应用

介绍了一种基于压电双晶片的空气补气阀(ACV)。该压电阀安装于摩托车化油器怠速补气通道,通过现场传感器信号的采集,根据控制策略,利用压电阀的流量特性,实施脉冲宽度调制(PWM)驱动控制,达到国Ⅲ排放要求。该文通过对逆向压电效应、压电方程的理论分析,依据实际的双晶片尺寸,得出空气补气阀的实际位移和力矩,并通过实际的测试,发现在100V、15Hz的PWM控制波形驱动下,该压电补气阀呈现出了良好的稳定性和一致性,满足了电控化油器中对怠速智能补气的需求。

电子提花机的压电陶瓷传动原理与测试

利用压电陶瓷片的压电效应设计了一种新的电子提花机选针装置,并对该装置的提针原理作了介绍。压电陶瓷片对冲击电流的抗干扰性很强,并且发热小,在电流瞬变的过渡过程中不存在有害振动,更不受电磁场干扰,特别是在高速运转织机中动作稳定,差错率低,因而有利于进一步提高提花织机的速度和减小功率消耗。利用高速影像仪拍摄竖针的运动过程,选取其中1个运动周期的图片进行分析,发现竖针动作准确,试验结果表明该选针装置在试验台中运行状态良好。

圆盘式压电双晶片发电性能和耦合电路的仿真分析与研究

以有限元分析法为理论基础并搭配ANSYS软件,建立圆盘式压电双晶片振子的模型,研究压电振子半径、压电层厚度和支撑层厚度对其发电能力的影响。并在此基础上探讨压电-电路的导纳阻抗及输出功率特性。着重研究压电双晶片在串联和并联两种连接方式之间的差异。研究结果表明,在保证可靠度和固有频率的前提下,应尽量增加压电振子半径,减小振子的基板厚度,以获得最大的输出电压。串联方式的输出电压大,内部阻抗高,适用于后续负载阻抗较高的能量采集系统;并联方式的内部阻抗较串联式低,适用于后续负载阻抗适中的能量采集系统。而当在两种电路连接方式下的外部电阻达到最佳电阻值时,两者最佳输出功率相同。

磁铁/压电双晶片复合材料磁电耦合性能的优化设计

本文采用弹性力学的方法,基于压电方程,给出了磁铁/压电双晶片(Bimorph)复合材料磁电耦合系数的理论表达式,并选取不同的结构参数和材料参数对其磁电耦合系数进行了数值计算.研究表明:Bimorph存在最佳的压电层厚度,使得磁铁/Bimorph复合材料的磁电耦合系数达到最大;金属层材料和压电相材料也均会影响磁铁/Bimorph复合材料的磁电耦合系数.该研究结果为磁铁/Bimorph复合材料的优化设计、实际应用提供了有益的理论指导.

压电效应演示实验的新设计

本文设计了实验装置与实验方案,用于演示正压电效应与逆压电效应,并研究了机械能与电能的相互转化关系.在正压电效应演示实验中,利用电磁铁激励压电双晶片振动,利用示波器观察激励信号与产生的电信号;电信号频率与激励信号频率保持相同,电信号幅值与激励信号幅值成正相关,电信号幅值随激励信号频率先增大后减小.在逆压电效应演示实验中,利用直流电压源激励压电双晶片产生形变,利用光杠杆放大微小形变;压电双晶片的形变量与激励电压值成线性关系.相比于现有演示实验,新设计的实验中研究了机械能与电能的相互转化关系,有助于加深实验者对压电效应原理的理解.

考虑表面效应纳米压电双晶中波的频散分析

基于非局部应变梯度理论探究了考虑表面弹性和表面残余应力的纳米压电双晶中波的频散特性,压电双晶的上下压电层暴露在电场之中并且整体沉积在粘弹性基底之上。利用哈密顿原理和正弦剪切理论推导了控制方程,利用含非局部参数和长度尺度参数的尺度依赖本构关系得到了运动方程,带入谐波解求解相应的特征方程。数值揭示了表面弹性和表面残余应力、尺度参数和波数以及粘弹性基底对压电双晶的作用规律。研究表明,表面效应的存在对压电纳米双晶频率特性的研究至关重要,尺度参数和波数对频散特性具有耦合作用,弹性系数、阻尼系数和压电层厚度对频率的作用表现出区域性。

大位移压电陶瓷驱动器的设计与试验

针对大位移压电陶瓷驱动器,研究了压电陶瓷双晶片的驱动效能。基于压电陶瓷材料的逆压电效应,应用压电陶瓷双晶片在机械自由、电学短路状态下,一片加正向电压缩短另一片加反向电压伸长共同作用产生弯曲变形,通过组合设计将压电陶瓷双晶片的弯曲变形位移叠加起来,实现了压电陶瓷驱动器的大位移输出。在相同电压的条件下,此压电陶瓷驱动器的输出位移量比叠层驱动器有较大的增加,达200μm,结构尺寸也大大减小。该驱动器不需要位移放大机构,可直接应用于有大位移要求的机构驱动。