Design and Fabrication of Hybrid Piezomotor Applied in Precision Positioning Devices

The motor’s configuration is designed and the dynamic analysis equations based on its simplified model are deduced. A testing system utilizing grating is set up to test this new motor, and the theoretical movement principle for the motor is proved by experiments. The pulse waveforms are applied to drive the motor to move in steps. The motor has a displacement resolution of 10 nm and a maximum velocity of 0.6 mm/s. It can drive a 200 g slider whose range is 20 mm. A one-dimensional precision positioning platform is fabricated by using the new hybrid piezoelectric motor. The prototype is made up of two servomotors and two piezoelectric motors, which are controlled automatically by a computer. The positioning range of the platform is 10 cm.

原位式准静态压电材料温度特性测试系统研发

压电材料的压电-温度特性会直接影响到压电器件的工作稳定性,是压电器件研发的重要依据。文中基于准静态测量方法研制上、下位机系统,实现了原位压电-温度特性测试。其次,设计开发了变温管式炉、激振器驱动、信号调理与采集电路,构建了准确的滤波与工频陷波算法。实测结果表明,所设计系统测试结果稳定,能够准确测量压电-温度特性并标定压电材料相变温度,可为压电器件设计提供重要的参考。

C波段横向激励薄膜体声波谐振器设计与制备

针对未来移动通信对射频前端器件提出的多频率、高集成新要求,开展了兼具声表面波(SAW)谐振器和薄膜体声波谐振器(FBAR)技术特点的新型横向激励兰姆波谐振器研究。该文介绍了基于c轴择优取向氮化铝(AlN)压电薄膜的C波段横向激励薄膜体声波谐振器(XBAR)的结构设计、参数优化和制备方法,并进行了工艺验证。通过剥离和刻蚀等步骤制备了谐振频率4.464 GHz、品质因数3039、品质因数与频率之积(f×Q)达到1.56×10^(13)GHz、面积小于0.12 mm^(2)的低杂波XBAR谐振器,并仿真分析了其用于射频滤波器的可行性。该研究为进一步研制多频率、高集成的小型化XBAR滤波器组件提供了有效的设计技术和工艺技术支撑。

高效压电能量回收系统的优化设计(英文)

提出了一种新型的压电能量回收器件,通过一个开关功率变换器的辅助,系统的能量转换效率可提高400%。该功率变换器原型为Buck-Boost变压器,本项研究通过低功耗的控制电路对其进行了优化。利用Pspice软件对整个系统电路进行了建模和仿真,仿真结果显示,优化后的能量回收器件输出功率提高了3.4倍。

压电驱动器的非线性建模

在研究了各种非线性模型的基础上,采用Maxwell迟滞模型建立了压电驱动器的非线性模型,给出了该模型参数的求解准则和方法.实验结果表明,所建立的非线性模型与实际测量结果一致,提出的非线性参数的求解方法简单实用.该模型可用于对驱动器的前馈控制,以达到提高驱动器位移控制精度的目的.

基于PZT的宏/微驱动机器人研究

综述了基于PZT的宏/微机器人的概念、现状、应用及所展开的相关研究成果。阐述了宏/微机器人克服了传统定位系统的局限性,可以同时满足大行程、高速高准确度的定位要求;压电陶瓷作为一种新型驱动器具有结构紧凑、体积小,可以做到无机械摩擦、无间隙、较高的位移分辨率等特点,用于宏/微结合,可得到了良好的效果。介绍了基于PZT的宏/微机器人的研究现状和成果,这些宏/微机器人分别用于精密装配、光纤对接、IC封装、生物工程、柔性手臂等领域。

混合压电分流电路作用下声子晶体杆振动带隙结构分析

对于电阻电感(RL)及负阻抗变换器(NIC)混合压电分流电路分别采用紧密及间隔排列方式进行带隙结构计算,并且针对分流电路中电阻、电感及电容对于局域共振带隙的影响进行研究。采用传递矩阵法建立了压电分流电路作用下声子晶体杆带隙分析的理论模型,并运用MATLAB语言对带隙结构进行编程仿真计算。通过电阻、电感、电容参数的匹配及电路不同排列方式的对比,最终得到了在混合间隔压电分流电路作用下宽度为13 kHz的带隙,并对振动控制系统稳定性进行了分析。研究结果表明:采用混合压电分流电路会对杆件带隙结果产生影响,且采用压电片间隔排列的方式会使带隙宽度明显扩大。

基于DSP的压电电机的驱动系统性能测试与分析

针对高端制造装备对大行程、高精度直线运动机构的广泛需求,研究集宏微运动于一体的新型直线压电电机,提出交流宏驱动和直流微驱动两种工作模式,建立集宏微两种驱动方式于一体的驱动系统。驱动系统输出两相交流电压,相位-90~90°、频率10~60kHz、电压幅值0~400V之间连续可调,输出直流电压在0~400V动态可调,实现了交直流电压无缝转换。系统以TI公司提供的DSP28335为主控芯片进行驱动控制,运放芯片PA85搭建线性直流式放大电路。同时,考虑受被控制对非线性、时变性和耦合性等因素的影响,通过采样电路对输出信号进行实时采样,采用模糊自适应增量式比例-积分-微分对控制系统修正调节。结果表明,经过模糊自适应修正后的驱动电路输出量得到明显改善,驱动系统输出信号的相位、频率控制精度分别为5°和0.5kHz,能够稳定地驱动直线和旋转压电电机,具有较好的通用性。

面向周向力动力系统动态力测量装置设计

针对周向动力系统动态力的测量问题,研制了一种压电式测试装置。一方面,通过模态分析、锤击法分析和运动机理分析,得出测试系统的一阶固有频率不低于200 Hz;另一方面,通过对测试装置进行静态性能标定,得到测试装置的非线性误差(低于1.08%)、重复性(低于1.25%)、相间干扰(低于3%)。实验结果表明:压电测试系统主要性能指标良好,满足测试精度要求。

视觉控制技术在压电驱动细胞注射装置中的应用

提出了基于数字图像处理技术的细胞注射视觉控制系统,采用人工交互控制与计算机自动定位相结合的闭环视觉控制方法,通过CCD数字图像采集系统识别出细胞和注射针尖的位置信息,并进行细胞和针尖之间相对距离的动态自动定位和反馈控制。结果表明:控制系统自动定位精度达到0.05μm,提高了细胞注射精度,解决了目前在细胞注射过程中人工操作工作量大、定位精度不高以及自动化程度低等问题。

压电器件阻抗测试系统的研制

基于压电器件的等效电路模型,利用导纳圆理论图测量压电器件阻抗特性参数及过零检测相位差测量原理,构建了一套完整的压电器件性能参数阻抗测试系统。通过单片机控制信号产生幅值固定、频率可变的正弦信号,经功率放大后驱动压电器件产生超声高频振动,并采集压电器件两端的电压、电流及相位差信号,通过串口传给上位机。上位机采用基于Labview人机交互界面,实现压电器件阻抗特性参数计算和图形显示。实验结果表明,本测试系统能测量压电器件各主要相关参数,并动态显示阻抗特性曲线,可用于压电器件的参数测试与性能评估。

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。

声桥系统压电植入振子力学建模及参数优化

根据作用于圆窗的压电式振动声桥的工作原理,建立了压电振子与圆窗耦合的动力学模型,由此推导出该模型的电-机能量转化的传递函数。通过在Matlab环境中进行仿真试验,讨论了压电应变常数、振子支座质量及支座刚度等参数对传递函数的影响,并分别优化了各个参数。研究结果为新型振动压电植入振子的研制奠定了理论基础。

MEMS压电能量采集器的研究进展

压电材料可以将机械能转化为电能的特殊性质引起了基于压电材料的能量采集器的研究。概述了压电能量采集器收集能量的原理,分别介绍了压电能量采集器的悬臂梁型、隔膜型和桥型这三种常用结构以及其他结构,介绍了一种利用块状压电陶瓷制作压电悬臂梁的新型工艺。简述了线性拓频和非线性振动拓频两种悬臂梁型能量采集器的带宽优化方法。举例说明了压电能量采集器在基于可穿戴设备的人体运动领域及医学领域中采集能量的实际应用,最后,总结了压电能量采集器的优缺点,对压电型能量采集器未来发展进行了展望。

声表面波器件用Pb[(Mn_(1/3)Nb_(2/3))_xZr_yTi_(1-x-y)]O_3压电陶瓷材料的研制

声表面波器件用铌锰锆钛酸铅系压电陶瓷材料,采用真空烧结工艺来提高陶瓷致密度,改善表面光洁度。添加CeO_2抑制晶粒生长,制得了小于2μm微晶压电陶瓷材料。进一步改善陶瓷材料的表面光洁度,样品经抛光后得表面最大孔洞小于0.5μm,适宜制作38MHz的声表面波滤波器件。

基于现场测试的道路压电俘能系统电学性能

为全面测评道路压电俘能系统在开放交通条件下的电学性能,采用16个自主研制的15cm×15 cm×3 cm压电俘能装置并联,设计俘能模块布设点位,铺筑道路压电俘能系统现场测试段,基于随机开放交通条件下道路压电俘能系统开路电压波形信号响应特征,系统研究了现场不同荷载、不同车速工况下道路压电俘能系统电学输出规律,并基于不同负载与电学性能关系,确定了道路压电俘能系统能量采集最佳匹配阻值,最后基于随机、开放的交通条件明确了道路压电俘能系统能量采集存储性能。结果表明:开放交通条件下,小汽车和中型车辆荷载完全碾压道路压电俘能系统输出开路电压分别为15.0~29.6 V和50.0~79.2 V,车辆荷载对道路压电俘能系统电学性能影响显著,且车辆前后轴同时碾压、扩大轮迹横向分布的布设方式利于其电学输出;单车次碾压速率对电学输出性能影响甚微,30~40 km·h-1至50~60 km·h-1速率区间平均输出开路电压仅提升了1.47%;匹配负载阻值后,其输出功率和输出电流总体随负载阻值增大先明显增大后逐渐减少,基于此确定道路压电俘能系统能量采集时的最佳匹配阻值为2 kΩ,对应输出功率达23.12m W,输出电流达3.3 m A;晚高峰时段开放交通条件有效存储能量达76.97 m J,验证了道路压电俘能系统能量采集存储的有效性,从而为道路压电发电技术的规模化铺设应用奠定基础。