光控伺服系统及在流体控制中的应用研究现状与发展

本文介绍了一种新型的光控伺服系统，应用光信号作为伺服系统的控制信号，应用光驱动器作为系统的执行机构，并简要叙述了光控伺服系统在流体控制中的应用研究现状及最近发展概况，特别是利用ＰＬＺＴ陶瓷的光致伸缩效应（根据光信号来控制极化后的ＰＬＺＴ陶瓷的伸缩量）实现的光控伺服系统，可完全消除传统电伺服系统中的电磁干扰，具有广阔的发展前景。     

MOEMS器件研究及其应用

近年来,随着光通信突飞猛进的发展,推动了微光机电系统(MOEMS)的发展.MOEMS是将电子、光学和机械器件集成在一起的微型组件或系统,可采用集成电路(IC)工艺进行批量生产,其尺寸在微米至毫米范围之间.这种系统可在微域内实现自动控制、检测、执行任务,并在宏观上实现特定的功能.本文从MOEMS器件的制作工艺、设计及应用等方面作了探讨,对其前景作了展望,MOEMS器件将在光通信、光开关、光数据存储、光互连等领域广泛应用.     

光子学与半导体光子器件

介绍一些基本光子器件，如激光器、光探测器、光双稳器件、光晶体管及光集成电路等，以使读者对这类重要器件有基本了解。     

B270-As_2S_8复合平面波导制备技术研究

为了制备As2S8波导,提出一种兼顾导波和光子作用的复合波导结构,叙述了B270-As2S8复合平面光波导的制备工艺。实验制备了复合平面光波导,采用双棱镜耦合的方法激励复合平面波导的导模,实现导模在波导中的传输,并且在复合平面波导上实现光阻断效应。结果表明该复合平面波导具有良好的传输特性,可应用于制备光开关等波导器件,具有一定的应用潜力。     

微型压电陶瓷棒角速率陀螺设计

研制了基于微型压电陶瓷棒结构代替双敏感梁结构及压电陶瓷片的微型角速率陀螺,并设计了相敏检波电路。首先采用易于加工成高精度的微型陶瓷棒作为敏感体,在其上印刷成六个带状电极并予以极化构成三副电极对,然后设计了封装及相敏检波电路,从而有效地减小了敏感结构的尺寸,提高了其加工精度,实现了角速率陀螺微型化。标定结果表明,该角速率陀螺线性度好,相关系数为0.9996;精度高,标准误差为0.0036。     

介电泳效应磨粒流抛光中的电极形态

针对薄壁陶瓷工件内表面抛光，提出一种基于介电泳效应的磨粒流抛光方法。将非均匀电场布置于陶瓷工件外表面，极化磨粒，实现陶瓷工件内表面高效抛光。仿真分析发现:电极间隙比为2时，SiC磨粒具有最好的介电泳效应，参与抛光的磨粒最多。陶瓷工件初始内表面粗糙度值Ra为(208±5)nm时，抛光10 h后，无介电泳效应的磨粒流抛光工件内表面粗糙度值Ra为51 nm，有介电泳效应的磨粒流抛光工件内表面粗糙度值Ra为23 nm。     

基于液晶5CB的静电纺丝光控形变器件

光控形变器件以其高响应速度在仿生学领域得到广泛关注。通过静电纺丝的方式,成功制备出了一种在可见光波段可实现形变响应并恢复的器件。通过在聚氨酯(TPU)弹性基底膜上静电纺丝有序排列的液晶小分子4-氰基-4'-戊基联苯(5CB)的聚乙烯醇(PVA)纤维膜,可以使其中的5CB在吸热后发生相转变并产生体积收缩,最终带动基底膜实现弯曲形变。通过静电纺丝或涂覆的方式添加光热转换率高的碳纳米管(CNTs),可以进一步赋予该类器件光控响应能力。结果表明,制备的器件因其良好的光控形变性能和光控响应性能,故可作为执行器用于人体仿生学等领域。     

光控压电混合驱动特性及影响因素分析

提出光控压电混合驱动,即利用铁电陶瓷镧改性锆钛酸铅(PbLa Zr Ti,PLZT)在紫外光照射下产生的光电压驱动压电作动器。这种新型光控方式的研究实现了PLZT作动器的非接触激励、抗电磁干扰的光激励特性与压电作动器响应速度快等优势互补。基于等效电学模型建立了在光-热-力-电等多能耦合作用下,压电作动器驱动电压及应变的本构模型;对作动器应变滞后性进行试验分析并与PLZT作动器进行了对比;对光控压电混合驱动的影响因素进行研究,探讨了光照强度、作动器电极表面面积、厚度等尺寸参数对作动器驱动电压的影响规律。     

压电陶瓷多试样同步极化装置

实验室中制备压电陶瓷需要对每个不同尺寸和组分的试样单独进行极化,非常繁琐耗时且一致性差。笔者提出了一种新的极化装置结构,该装置可夹持多个不同材料和厚度的陶瓷试样。并可对每个陶瓷试样独立施加不同的电场进行同步极化,给出了极化夹具、加热与保温系统、绝缘与安全设施等关键核心部件的设计结果,研制了新型压电陶瓷极化装置原理样机,并进行了多陶瓷试样的同步极化实验。     

InUP系单片集成波长分离器件的设计和制作

设计和制作了ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ单输入光波导，多输出光波导，和光栅的单片集成波长分离器件，文中给出了器件和设计参数，以及制作工艺，并给出了该器件物测试原理图。     

单振子双腔体无阀压电泵结构设计与机理分析

提出了一种单振子双腔体无阀压电泵,应用小挠度弹性弯曲理论导出了圆形复合压电振子的弹性曲面微分方程,分析了采用一个压电振子形成两个工作腔体压电泵的结构和工作机理,并与单振子单腔体压电泵对比分析了该结构与输出流量的关系。设计研制了结构独特、输出性能更高的单振子双腔体无阀压电泵,通过试验表明:单振子双腔体无阀压电泵比单振子单腔体无阀压电泵输出流量有明显提高。     

双作用压电泵绝缘压电振子的研究

为了提高压电泵的工作效率,提出了对压电泵中的动力元件-压电振子进行特殊绝缘处理,使压电振子在两个方向弯曲变形时都可以形成输出工作能力,即双面作用的绝缘压电振子。阐述了由一个绝缘压电振子形成两个工作腔体的双作用压电泵结构。根据小挠度弹性弯曲理论导出了绝缘圆形复合压电振子的弹性曲面微分方程,阐述了绝缘处理方案和过程,并对其绝缘特性进行分析。对绝缘压电振子进行了实验测试,实验结果表明：双作用绝缘压电振子不仅具有绝缘特性,而且具有良好的韧性和强度;其击穿电压比未绝缘处理压电振子的击穿电压提高了20～30V。为相关产品开发和科研提供了一种新型双面作用的压电驱动元件。     

一种旋转压电陶瓷驱动器的设计和研究

为发挥压电陶瓷分辨率高、频响高、功耗低及抗电磁干扰能力强等优点,进一步简化压电旋转驱动器的结构,提高压电驱动工作效率,设计和研制一种新型压电旋转驱动器。驱动器以压电陶瓷双晶片为原动件,通过联接机构联接定子和转子,选用滚子结构的超越离合器驱动机构,将双晶片扭转位移运动转化为输出轴的连续旋转运动。驱动器结构简单,体积小。通过理论分析、有限元仿真和试验研究表明,驱动器的转速与驱动信号的频率、电压近似呈线性关系,具有良好的输出特性,步进精确,运行平稳可靠,适于在微驱动领域应用。     

压电双晶片驱动的仿生柔性扑翼机构研究

分析了昆虫的翅膀-胸部运动系统,并以此为基础,仿生设计出压电双晶片驱动,柔性双摇杆机构放大位移并带动仿生翅拍动的扑翼系统.分析了压电双晶片的工作原理,讨论了柔性四杆机构的自由度和运动学,并对整个系统的准静力学进行探讨,以确定能否产生足够的力克服空气阻尼.仿真和实验结果表明,通过柔性机构放大压电双晶片位移,能实现仿生翅所需运动,同时进一步的优化设计将有助于改进扑翼机构的运动性能.     

惯性冲击驱动管内移动机器人设计

设计了一种以压电双层膜为基本结构,通过惯性冲击原理达到运动驱动目的的管内移动机器人.该机器人主要由一个典型的压电双层膜结构和惯性质量串联构成.工作时,压电双层膜的变形由惯性冲击转化为整体结构的直线位移.从理论上分析了惯性冲击原理的核心问题:惯性冲击力与管壁和机器人之间摩擦力的关系,并通过MATLAB和AN-SYS等软件对整个系统的动态响应做了仿真.相关的验证表明,所设计的管内移动机器人运动步长可以达到0.15μm,具有精密运动和高效率的优点,可以在工业中广泛应用.     

PLZT陶瓷在多能场耦合下的光致伸缩效应

为了消除高能光束照射下镧改性锆钛酸铅(PLZT)陶瓷的光致形变与光生电压之间的迟滞现象,建立了一种多能场耦合下的新型光致伸缩本构方程,实验研究了影响该迟滞现象的各种因素。首先,对光照作用下光-电-热-力多能场耦合作用进行理论分析,建立了光致伸缩效应的本构关系;然后,对反常光生伏特效应、光焦热效应、热释电效应、热膨胀效应以及压电效应进行理论推导,得到了新型的光致伸缩本构方程;最后,通过温度屏蔽实验和光致伸缩静态实验验证了提出的本构方程。实验表明:PLZT陶瓷表面的温升是造成迟滞现象的主要原因;实验曲线变化趋势与理论结果一致,显示理论模型合理;消除温度影响后,实验所用PLZT样品的光致形变达到饱和所用的时间约为10s。结果表明,降低PLZT陶瓷表面的温升能有效消除迟滞现象,提高光致形变响应速度;建立的光致伸缩本构方程为PLZT陶瓷驱动控制研究提供了理论基础。     

基于光-压电的非接触式弹性圆环独立模态控制

在接近紫外波长的高能光束均匀照射下,极化的镧改性锆钛酸铅(PbLaZrTi,PLZT)铁电陶瓷具有反常的光生伏特效应,即在两极间会产生很高的电压。利用此电压信号来驱动层合于柔性板壳结构的压电作动器,可以实现对柔性板壳结构的非接触式控制。为实现弹性圆环的非接触式独立模态控制,利用模态展开技术及振型函数的正交性设计余弦状正交模态作动器,并利用PLZT产生的电压来驱动层合于圆环上的聚偏二氟乙烯(Polymeric polyvinylidene fluoride,PVDF)压电模态作动器。在控制策略上采用速度反馈的定光强控制,通过模态速度符号来调节压电作动器与PLZT的连接方向,以实现作动器产生控制力的正/负切换。采用Newmark-β法对弹性圆环在不同光强下的动态响应进行数值仿真分析。仿真结果表明,在PLZT产生的电压信号的驱动下,压电作动器对系统产生的驱动力随光照时间成指数倍增加,且光照强度越大控制效果越好。     

FABRICATION OF PIEZOELECTRIC BIMORPH USING LEAD ZIRCONATE TITANATE THIN FILM DEPOSITED BY HYDROTHERMAL METHOD

In order to describe the characteristics of piezoelectric bimorph, properties of lead zirconate titanate (LZT) film are studied by X-ray diffraction (XRD) and scanning eletron microscope (SEM). The ratio of PbTiO3/PbZrO3 in LZT is 53/47, which is around morphotropic phase boundary (MPB). LZT film is composed of cubic particles with the average size of 5 μm. Density of thin film is figured out through the datum measured in experiments. The displacement model used to analyze the driving ability of bimorph is set up, and the effect of elastic intermediate layer is taken into account. Piezoelectric coefficient of LZT film is worked out by using the displacement model. Experiments of driving ability show that deformation of bimorph free end does not increase with times of crystal growth processes and the maximum deformation is obtained after two times crystal growth processes. Finally, the ferroelectric property of the bimorph is investigated and coercive voltage of the bimorph is obtained.     

悬臂梁双压电晶片振子发电性能研究

以双压电晶片振子为研究对象,对悬臂梁式双压电晶片振子在正压电效应下电压输出特性进行了有限元分析与试验研究,给出了压电晶片在悬臂梁上的最佳粘贴位置,并且利用有限元分析软件建立了悬臂梁双压电晶片振子的有限元模型,进行了结构尺寸参数对悬臂梁双压电晶片振子输出电压影响规律的仿真分析;利用压电陶瓷发电能力测试系统进行了试验测试,通过仿真和试验结果对比分析,得出了结构尺寸参数对悬臂梁双压电晶片振子发电的输出电压影响规律。     

锆钛酸铅镧陶瓷光致微位移的闭环伺服控制

利用锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷的光致形变效应,提出了一种光控微位移伺服系统,并通过实验对其闭环伺服控制特性进行研究。建立PLZT陶瓷光致微位移闭环伺服系统的多物理场耦合数学模型,通过静态实验对光照与光停阶段PLZT陶瓷光致形变表达式进行了参数识别。搭建了PLZT陶瓷光致微位移闭环伺服控制实验平台,基于ON-OFF控制策略,在不同光照强度下对PLZT陶瓷的光致微位移进行了闭环伺服控制实验。结果表明,通过对紫外光源施加ONOFF控制,能够实现PLZT陶瓷输出位移的闭环伺服控制。PLZT陶瓷输出位移曲线在伺服控制阶段出现超调量之后,围绕目标值上下波动。光致微位移伺服系统的响应速度、超调量与波高随着光照强度的增强而增加;在400mW/cm2光照强度下,PLZT陶瓷输出位移到达目标值的时间仅为100mW/cm2光照强度下的20%。实验结果为PLZT陶瓷在微驱动方面的工程应用奠定了基础。