由三个压电陶瓷堆组成的干涉仪移相器的校正与标定

根据傅里叶变换原理 ,提出了一种对由三个压电陶瓷堆 (PZT)组成的干涉仪移相器进行非线性及平行性校正与标定的方法。在对各个压电陶瓷堆进行非线性校正的基础上 ,利用干涉图像自动分析系统 ,综合分析各个压电陶瓷堆之间的牵制作用 ,从而得到对整体干涉仪移相器平行性校正的补偿依据。组建了一套卧式数字平面干涉仪 ,在干涉仪移相器承重 6kg的情况下进行实验 ,非线性误差由 12 %校正至 0 3 %。由于干涉仪相移器承重而引起的移相过程中的条纹旋转降至 2° ,条纹间距变化小于 2 %。

叉指电极环形叠堆压电陶瓷有限元分析

基于增加环形叠堆压电陶瓷的输出行程以满足主动减振需求的目的,采用了叉指电极的设计方式,通过ABAQUS软件对压电陶瓷的模型进行有限元分析试验,对不同电极参数分别分析其力学性能。研究结果表明,在驱动电压400 V下,叉指电极环形叠堆压电陶瓷作动器输出位移可以达到普通型作动器的2.4倍,其输出力降低为普通型的44%。叉指电极环形叠堆压电陶瓷的研究为大输出位移的叠堆压电陶瓷作动器的设计提供了一定的理论依据。

基于压电陶瓷叠堆的压电发电技术研究

利用压电陶瓷叠堆在外力作用下能产生电荷这一效应,对压电材料发电技术进行了理论和实验研究,并将所产生的电能经过电路调整,储存在锂电池组里,用于发电。经理论分析和实验研究发现,将0~60N的外力施加到压电叠堆上,最高可产生6.488V的电压。同时发现,稳压芯片LM2575HVT-12V输出电压为12V、电流为1A时,压电叠堆产生的电能,可通过1F超级电容器和LM2575HVT-12V组成的电路经过12h将12V-12Ah锂电池组充满。

叠堆型压电陶瓷FBG电流传感器

大电流的实时测量是电力系统稳定、安全、可靠和经济运行的重要保证。该文研制了电流互感器和叠堆型压电陶瓷等元件结合的光纤Bragg光栅电流传感器。传感器通过电流互感器将被测大电流转换成直流低电压信号加载到叠堆型压电陶瓷上,在逆压电效应下,叠堆型压电陶瓷发生伸缩变化,带动粘贴在其上面的测量用光纤Bragg光栅发生形变,检测出测量用光纤Bragg光栅和温度补偿光纤Bragg光栅的波长移位,计算出波长位移之差即可反算出被测一次大电流。测试结果表明,此电流传感器的非线性误差为7.27%FS(满量程),灵敏度为0.056 7pm/A,重复性为7.69%FS。

叠堆型压电陶瓷驱动器的耦合模态分析

为了研究压电陶瓷驱动器的驱动性能,分析了以PZT-5H为驱动元件的叠堆型驱动器,采用简化的等效器件建立了电学模型。基于压电陶瓷材料的机电耦合特性运用ANSYS有限元分析软件对叠堆型驱动器进行了计算分析,得出输入电压与输出位移呈近似线性关系,通过控制压电陶瓷两端电压来控制其位移。仿真结果验证了此方案的有效性和可行性。该驱动器在自适应弹药上具有潜在的应用价值,可为弹头的偏转驱动装置设计提供参考。

叠堆式压电陶瓷基本特性实验研究

本文针对应用于高速电主轴振动主动控制的叠堆式压电陶瓷(PZT)作动器进行实验测试和分析。主要测试了其基本特性,包括自由状态下的输出位移,不同压力下的输出位移,蠕变特性,PZT的迟滞特性;为主动控制系统提供基础数据。实验结果显示输出特性和外加负载的关系:合适压力下叠堆式压电陶瓷作动器输出位移最大,随着负载压力的增大位移输出迟滞度有一定程度的减小,但是过大的压力会导致输出位移的减小,其在恒定压力下的线性度优于弹性预压力下的线性度;其动态性能满足控制系统的要求。为后续研究提供了科学依据。

压电叠堆主动减振的神经网络PID实时控制

为实现对带有模型尾支杆支撑系统在吹风过程中振动特性的实时控制,以压电陶瓷叠堆为减振元件设计了尾支杆一体化结构;提出了神经网络PID(Proportion-integration-differentiation)实时控制方法,建立了该尾支杆一体化结构的运动方程,推导出神经网络进行系统识别的状态方程,以此为基础进行控制器的设计并基于Labview软件编写控制程序;最后在风洞中,对该控制方法的控制效果进行了试验验证。试验表明利用该控制系统可进行实时控制;对不同风速下激励的振动,控制后的均方根幅值(Root mean square,RMS)减小55%以上,且该控制方法具有良好的鲁棒性、可靠性和容错性。

精密直线压电驱动器的设计与研究

针对现有直线驱动器精度及输出位移受限等问题,该文基于改进的尺蠖原理,以压电陶瓷堆为动力源设计了一种新型精密直线驱动器。首先介绍该驱动器的结构原理、运行过程及实现方式,然后对该驱动器所用压电陶瓷的特性进行分析,并采用ANSYS对主要部件进行有限元分析。本驱动器采用特有柔性铰链结构和柔性箝位片设计结构,可实现双向移动和输出位移不受限,有效弥补了现有驱动器的一些不足,实用价值较高,有望在微驱动领域推广与应用。

压电式快速控制反射镜的迟滞特性及线性化

针对压电式快速控制反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)的迟滞问题,分析了压电式FSM的工作原理和迟滞特性,建立了基于Bouc-Wen算子的压电式FSM的数学模型及其参数辨识方法。通过Bouc-Wen算子模拟压电式FSM输出镜面偏转角度中的迟滞分量,并根据在两个相位相同的输入驱动电压信号下压电式FSM的输出镜面偏转角度曲线辨识Bouc-Wen算子的全部参数。在此基础上,提出了压电式FSM的前馈线性化方法。为了验证提出的数学模型和线性化方法的原理,建立了压电式FSM及其线性化控制器的快速原型系统和Bouc-Wen算子参数辨识实验装置。实验结果表明:本文提出的参数辨识方法能够准确辨识压电式FSM的Bouc-Wen算子参数,提出的前馈线性化方法能够将压电式FSM的输出镜面偏转角度与输入控制电压的线性度提高到2.3%,迟滞误差减小到±0.5%,满足实际应用对精确控制压电式FSM的要求。

新型压电精密步进旋转驱动器研究

提出了一种新型的压电精密步进旋转驱动器。该驱动器根据仿生运动原理,以压电陶瓷叠堆为动力源,采用定子内侧箝位的方式和薄壁柔性铰链微变形结构,提高了箝位的稳定性和步进旋转的稳定性。通过静力学有限元分析和动力学分析,较深入地研究了该驱动器的运动特性。研究结果表明,该驱动器具有高频率(40 Hz),较高速度(325μrad/s),大行程(>360°),高分辨率(1μrad/step),较大驱动力(30 N.cm)等特点,提高了压电精密步进旋转驱动器的驱动性能,在精密运动、微操作、光学工程、精密定位等精密工程领域有广阔的应用前景。

大角度压电式快速控制反射镜

针对现有的基于压电陶瓷叠堆执行器的快速控制反射镜偏转角度较小的问题,提出了一种大角度定轴偏转压电式快速控制反射镜。采用基于柔性铰链的桥式位移放大机构将压电陶瓷叠堆执行器的输出位移放大,并将其作用到反射镜面上实现大角度定轴偏转。在此基础上,建立了压电式快速控制反射镜的结构和偏转角度输出方程,并通过理论推导和仿真对其工作时的最大偏转角度、最大应力和自然频率特性进行了分析。最后,通过实验测试对建立的压电式快速控制反射镜的工作原理和特性分析结果进行了验证。结果表明,建立的偏转角度输出方程能够根据压电陶瓷叠堆执行器的输出位移准确估计压电式快速控制反射镜的机械偏转角度,从而大大提高设计的效率;建立的压电式快速控制反射镜可以实现大于3°的镜面机械偏转,其固有频率为180Hz,能够满足高速稳像系统的偏转角度大、响应速度快的要求。

主动驱动/被动箝位型压电精密步进驱动器研究

提出一种基于直线动子主动驱动和定子被动箝位的新型的压电精密步进驱动器。该驱动器以仿生运动的原理,以压电陶瓷叠堆为动力源,采用双薄壁柔性铰链微变形结构,提高了该驱动器箝位的稳定性和步进旋转的稳定性。通过理论分析和实验研究,深入的揭示了该驱动器的运动特性。

穴盘育苗精密播种装置压电振动台特性分析与试验

利用压电元件的逆压电效应设计了一种用于精密播种蔬菜、花卉、林木等微小种子的压电振动台,在外加电场的作用下使压电振动驱动系统产生机械微位移,经位移放大机构放大后驱动种子盘振动,使种子盘上的种子产生有利于吸种盘吸种的"沸腾"运动。建立了压电振动台数学模型,研究分析了压电振动台的动、静态特性并进行了试验。试验结果表明:当外加电压为90～110 V时,压电驱动系统具有较强的驱动能力,振幅达1.31 mm,机械系统振动响应频率在13～55 Hz之间,且频宽可调(共振频率为25 Hz);压电振动台具有良好的动态特性和较好的播种性能,满足精密播种的农艺要求。

内箝位型压电精密步进旋转驱动器

提出一种新型的压电精密步进旋转驱动器。该驱动器以仿生运动的原理,以压电陶瓷叠堆为动力源,采用定子内侧箝位的方式和薄壁柔性铰链微变形结构,提高该驱动器箝位的稳定性和步进旋转的稳定性。通过静力学有限元分析和动力学分析,较深入地研究了该驱动器的运动特性,并对驱动器旋转分辨率、旋转速度、驱动转矩等方面进行试验研究。研制的内箝位型压电精密步进旋转驱动器能够实现高频率(40 Hz),较高速度(325μrad/s),大行程(大于360°),高分辨率(1μrad),较大驱动力矩(30N·cm)等特点,有效提高了压电精密步进旋转驱动器的驱动性能。该驱动器在精密运动、微操作、光学工程以及精密定位等精密工程中具有广阔的应用前景。

内箝位/外驱动型压电精密步进旋转驱动电机研究

提出一种新型的压电精密步进旋转驱动电机。该驱动电机以仿生运动的原理,以压电陶瓷叠堆为动力源,采用定子内侧箝位及转子外驱动的方式和薄壁柔性铰链微变形结构,提高了该驱动电机箝位的稳定性和步进旋转的稳定性。通过静力学有限元分析和动力学分析,较深入的研究了该驱动电机的运动特性。研制的压电精密步进旋转驱动电机能够实现高频率(40Hz),较高速度(325μrad/s),大行程(>360°),高分辨率(1μrad/step),较大驱动力(30N?cm)等特点,提高了压电精密步进旋转驱动电机的驱动性能。该驱动电机在精密运动、微操作、光学工程、精密定位等精密工程中有广阔的应用前景。

基于自锁结构的尺蠖式压电直线驱动器设计

设计了一种具有大行程、大输出力的尺蠖式压电直线驱动器。驱动器包括左、右2组结构相同的箝位机构、主驱动压电陶瓷以及输出方轴。该驱动器结构相对简单紧凑,并可断电自锁。箝位机构采用自锁结构,具有足够大的箝位力,因此驱动器可以有效实现较大的输出力。最后采用有限元法对箝位机构的位移、应力、振动模态以及固有频率进行了仿真分析,对其进行结构优化。

尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究

针对空间环境下小型抓取操作机构对新型作动器的使用需求,考虑压电作动器具有耐温范围宽、无电磁干扰及断电自锁等特点,仿照昆虫尺蠖的行走方式设计一种新型压电线性作动器。首先,利用柔性铰链式位移放大机构放大压电陶瓷(Pb-Zr-Ti,简称PZT)叠堆的输出位移,以增大线性作动器的移动步长及对导轨的夹紧变形量,将多个压电陶瓷叠堆器件分为3组,分别作为尺蠖式压电线性作动器的2个夹持单元和1个推进单元的激励源,以获得较大的驱动力并进一步增大作动器的移动步长;其次,借助有限元仿真分析软件,研究压电陶瓷叠堆力电耦合行为的预测方法,并实验验证该方法的可行性;然后,简化柔性铰链式位移放大机构,提出放大倍数的数值分析方法,对位移放大机构在压电陶瓷叠堆作动方向上的刚度进行仿真分析,并验证放大倍数的数值分析方法的准确性;最后,基于设计的线性作动器开展实验研究。结果表明:位移放大机构对压电陶瓷叠堆输出位移的放大倍数为7.3,处于理论值与仿真值之间;在激励电压频率为5 Hz时,作动器的最大空载移动速度为413μm/s;作动器的最大推动力为16 N,对应的驱动速度为19μm/s。以上研究结果能为小型抓取操作机构的智能驱动提供技术支持。

基于压电陶瓷振动传感器转换系统研究与设计

为能够对悬架的振动特性进行基于工控机的实时动态监测、数据采集与分析,针对以堆叠式压电陶瓷为敏感元件的振动传感器进行集成化转换系统设计,并对其功能和性能进行仿真分析与实验验证。基于STM32F405RGT6单片机对该集成化系统进行软硬件设计,并对监测过程中存在的干扰信号进行有效处理。经过仿真分析与实验验证,该集成系统工作稳定,在达到毫伏级测量精度的同时可对干扰信号进行有效抑制。为汽车悬架主动振动控制系统振动信号采集、处理与通信的实现提供了有效的设计方法,并对其功能与性能的仿真分析与实验验证提供了理论依据和实际应用指导。

恒星光干涉仪中主动镜的研究

主动镜是恒星光干涉仪中的关键部件之一。介绍了主动镜在干涉仪主动镜系统中的作用和主动镜的结构。给出了用光电法设计的用来测试主动镜动程、分辨率和频率响应特性的两套系统。对所研制的主动镜的性能进行了实测并给出了测试结果。实测结果表明 ,主动镜两个轴上的转角行程和分辨率均方根值完全达到了设计指标。

Rogowski线圈的FBG电流传感器研究

电流是电力设备进行计量、监控和保护的重要参量,对其准确测量是电力系统安全、稳定、可靠和经济运行的保证。研制了一种Rogowski线圈、叠堆压电陶瓷和光纤Bragg光栅组合成的测量大电流的电流传感器。利用Rogowski线圈把高压侧大电流线性地转换为低电压,输出电压加在叠堆压电陶瓷上,由逆压电效应,叠堆压电陶瓷伸缩带动光纤Bragg光栅伸缩,将叠堆压电陶瓷的应变线性转换为光纤Bragg光栅的中心反射波长的移位,增加温补光栅消除环境温度的影响,通过测量光纤Bragg光栅中心反射波长的移位来测量电流的大小。测试结果表明,该电流传感器的灵敏度为0.071 8pm/A,非线性误差为3.47%FS,滞后误差为4.17%FS,重复性误差为4.17%FS。