基于平衡PZT法解调的FBG传感器

提出了一种基于压电陶瓷叠堆驱动参考光纤Bragg光栅(FBG)扫描滤波的FBG传感器波长解调机构,设计了对称结构U型金属支架结构,并采用两侧粘贴光纤光栅的方式,同时对光纤光栅施加相等的预应力,这种结构扩展了解调光栅的扫描范围,平衡了压电陶瓷叠堆所受的拉力,增强了其运行可靠性,提高了扫描线性度。实验结果显示:在0～200 V的电压范围内,电压和波长移动之间具有良好的线性关系,线性调谐的波长范围约为3.8 nm,解调灵敏度为0.0097 nm/V。利用本系统对温度和压力光纤光栅传感器进行解调测试,解调结果与其特性相符。

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。

新型压电步进式二维精密驱动器

设计了新型压电步进式精密二维驱动器。以压电叠堆为驱动元件,在单体柔性结构上实现直线和旋转驱动二维精密驱动。同时利用独特的双侧对称箝位结构,保证工作的稳定性和准确性。进行了二维驱动器的有限元分析,通过大量试验研究,证明二维驱动器达到基本设计功能。试验结果表明:二维驱动器的旋转驱动分辨率达到0.45μrad,行程360°,速度达到0.04 rad.s-1时,扭矩可达0.2 N.m;直线驱动分辨率40 nm,行程20 mm,速度19.2 mm.min-1时,驱动力可达近10 N,可实现2自由度精密驱动。

整体对称结构的压电步进型精密直线驱动器

介绍了近年国际上压电型精密驱动器的典型结构、工作原理和特点。在此基础上,提出一种新颖的以压电叠堆为驱动元件的整体对称结构的精密直线驱动器。这种整体对称结构采用双侧对箝、精调斜块对及整体加工等独特的结构和工艺手段,保证了驱动器工作的稳定性和准确性。对该步进型精密直线驱动器进行了大量试验,说明驱动器具有实用性。

外电场作用下压电晶体的多次压电效应(英文)

基于经典压电学理论,分析了外电场作用下多次压电效应的产生与压电体所处边界条件的关系,阐述了其产生过程,并推导出二次正、三次逆压电效应的输出结果与外加电场的输入、输出关系.利用有限元软件ANSYS的耦合场分析功能计算压电陶瓷在准静态场中一次逆、二次正、三次逆压电效应产生的位移或电压值.在外电场作用下对PZT-5叠堆进行了多次压电效应的实验研究,实验结果证明了二次正、三次逆压电效应的存在,且其产生与压电体所处边界条件密切相关.由仿真和实验数据可知,二次正、三次逆压电效应产生的电压和位移与外加电压也具有线性关系,进一步验证了理论分析的正确性.

新型压电步进旋转驱动器

在对驱动器机械结构进行设计分析的基础上,建立了以压电叠堆为驱动元件的精密旋转驱动的数学模型,并对所设计的驱动器样机从旋转运动分辨率、运动稳定性、旋转速度及承载等方面进行了实验测试。测试结果表明,所开发的驱动器样机旋转速度可达2990.6μrad/s、输出扭矩0.147 N.m、最小旋转步距(旋转分辨率)小于0.32μrad,运动行程为连续360°,驱动器性能稳定可靠。

新式压电精密旋转驱动器

提出一种新型将压电叠堆驱动元件应用到精密旋转驱动器上的研究方案。在对驱动器工作原理和机械结构进行分析研究的基础上,建立了以压电叠堆为驱动元件的旋转驱动数学模型。采用有限元分析软件对机械结构进行了分析,得到了机械结构工作方向的静力学变形图和频率响应特性曲线;对低频状态驱动器的旋转分辨率进行了试验测试,并对样机的频响特性进行了试验测试,结果表明仿真分析结果基本反映了机械结构的谐振频率分布状况,对结构优化设计具有一定的意义,此外对影响测试结果精度的因素进行了分析。设计的结构具有低频工作稳定、分辨率高(0.136 6μrad)等优点。

低温烧结压电陶瓷驱动器用材料特性研究

以Pb(Ni_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-Pb(Zr_(0.41)Ti_(0.59))O_(3)(PNN-PZT)为基础体系,通过对烧结助剂x%CuO(质量比)和y%LiBiO_(2)(质量比)的质量进行调节,对陶瓷样品的相结构、微观组织形貌及电学性能进行了分析,阐述了助烧剂对陶瓷样品性能的影响。结果发现,在温度940~960℃下陶瓷烧结成瓷,且晶粒长大较充分。当x=0.2,y=1时,陶瓷样品的电学性能最优,即此时压电常数d_(33)=608 pC/N,机电耦合系数k_(p)=0.65,介电损耗tanδ=2.19%,介电常数ε_(r)=3843。采用烧结助剂质量比x=0.2,y=1的粉体制备7 mm×7 mm×36 mm的叠层压电驱动器,然后进行微观组织形貌和位移特性研究。叠层压电驱动器断面微观结构表明,电极层与陶瓷层粘接紧密,无裂缝或间隙产生。位移的测试结果表明,随着电压的增加,位移也在逐渐增加,在驱动电压为150 V时,其最大位移为46.280μm,位移增大的同时,迟滞逐渐降低。

高压应力下压电叠堆静态特性研究

研究了PZT5软陶瓷压电叠堆在100 MPa高压应力下、PZT4硬陶瓷压电叠堆在300 MPa高压应力下的位移输出特性变化,分析了应力对它们压电性能的影响,并对软陶瓷压电叠堆的重新极化问题和硬陶瓷压电叠堆的做功能力进行了讨论.实验结果表明,软陶瓷压电叠堆在适当的低压应力下,压电性能显著提高,较高的压应力下则出现退极化,卸载后重新极化可以恢复大部分性能.硬陶瓷压电叠堆在高压应力下压电性能有所提高,做功能力远高于低应力时,高压应力可更有利于发挥硬陶瓷的做功优势.

压电倾斜镜中堆叠式压电陶瓷驱动器动态应力计算分析

针对压电快速倾斜镜(PFSM)堆叠式压电陶瓷(PZT)(Pb(Zr,Ti)O_(3))驱动器伸长和弯曲变形的应力集中问题,依据Timoshenko模型,分析了堆叠式PZT驱动器的伸长弯曲变形模型。基于压电耦合理论分析了堆叠式PZT驱动器动态应力与驱动电压幅值、驱动电压频率和PZT驱动器顶部柔性铰链抗弯刚度的关系。采用响应曲面法获得了300 mm口径PFSM的优化设计和工作参数。研究方法和分析结果可以为优化PFSM关键元件参数,降低堆叠式PZT驱动器应力集中,提高PFSM的耐久性和可靠性提供参考和借鉴。