双腔体压电泵的设计

由于自吸性差、对气泡敏感等原因,单腔体压电泵在应用中受到限制,而多腔体结构是提高压电泵性能的有效途径.通过分析腔体容积与压力变化过程得出:双腔体串联压电泵只能采用串联驱动方式而不能采用并联驱动方式,双腔体并联压电泵只能采用并联驱动方式而不能采用串联驱动方式.制作双腔串联、并联压电泵样机并进行测试可以得出:串联压电泵在驱动电压200 V,频率152 Hz时,输出流量达到最大为1 150 ml/min;并联泵在压电驱动电压140 V,频率220 Hz时,输出流量达到最大为640 ml/min;因此多腔泵采用腔体串联结构能提高压电泵的工作效率,提高泵的工作性能.     

压电发电能量储存方法的初步研究

分析了压电陶瓷正压电效应的特点,探讨了将压电陶瓷通过正压电效应产生的电能,利用镍氢电池储存的可行性,进行了初步实验研究。研究发现,通过一个低频脉冲信号激振单晶片压电振子,使压电振子弯曲变形,压电振子发出的电量能使一个15 mAh的电池在2 h内充满电,80 mAh的电池在7 h内充满电。这种利用可充电电池为储存媒介的储能方法,适用于数据处理等微电子设备,对无源条件下微型电子设备自身供能的研究开辟了新的途径。     

两腔压电泵结构与特性

介绍了两个压电振子所构成的两腔串联和两腔并联压电泵的结构及工作原理,分析了两个压电振子驱动方式(同步工作和交叉工作)对两种结构压电泵输出性能的影响规律。制作了两腔串联和两腔并联压电泵的试验样机,分别测试了两个腔体同步工作和交叉工作状态下压电泵的输出能力,并与理论分析的结果进行了对比。理论和试验两方面的研究结果表明,在相同驱动电压和频率条件下,两个腔体交叉工作时压电泵的输出能力较好,其中并联泵的流量最大,为单个腔体流量的2倍;而串联泵的流量串联泵压力最大,是单个腔体输出压力的2倍,同时其流量也有大幅度提高,约为单个腔体流量的1.4倍。     

压电旋转驱动器制作及性能测试

提出了通过控制正压力来改变摩擦力的方案,进而研制了一种以压电叠堆为动力转换元件的新型压电旋转驱动器。采用两个驱动用压电叠堆对称布置的方式设计了该旋转驱动器结构,探讨了旋转驱动器运动机理,制作了压电旋转驱动器试验样机并对其进行了试验测试。试验结果表明,该驱动器输出步长线性度较好,当驱动电压为10 V、频率为2 Hz时,驱动器旋转步长为20 μrad。分析了驱动器输出稳定性,针对存在的问题提出通过施加控制系统来有效提高不同起始位置驱动器的运动稳定性。对试验结果进行误差分析,找出了产生误差的原因,为驱动器的进一步优化设计提供了参考。研究证明了该压电旋转驱动器设计方法的可行性,利用该方法可以制作出结构简单,体积小,适合在微驱动领域中应用的驱动器。     

双晶片压电驱动器的研究

为实现较大的驱动力和速度,提出一种新型压电驱动器,研究了驱动器输出性能随压电泵工作腔数、频率的变化规律。制作驱动器,分别进行十腔串联压电泵/五腔压电泵并联、3~5个压电振子工作、50~400 Hz频率下的输出试验。结果表明,压电泵并联时驱动器的最佳输出功率较大;工作的振子数目不同,存在不同的最佳频率使驱动器的输出速度最大,相同的频率使输出推力最大;最佳频率时,驱动器的输出与工作的振子数目呈正比。在150V、380Hz时驱动器输出功率最大,此时输出速度和推力是10.72mm/s、57.7N。     

微注塑散热器流动诱导热导率变化的多尺度数值预测

为进一步提高聚合物复合材料热导率,采用多尺度数值预测法研究了微注塑聚酰胺/碳纤维(PA66/CFs)散热器内部CF的流动诱导取向及其对制品热导率的影响规律。首先,利用Moldflow获取CF取向张量,并以Comsol Multiphysics构建与之对应的复合材料微元胞。利用正交实验法研究熔体温度、模具温度、最大注射压力及注射流率对微散热器热导率的影响。然后,对预测数据进行分析获得最优注塑参数组合。最后,对优化结果进行模拟实验,验证了多尺度数值预测法的有效性。结果显示:上述各参数重要程度由大到小依次排列为熔体温度、注射流率、最大注射压力和模具温度;最佳组合为熔体温度360℃、模具温度70℃、最大注射压力220 MPa及注射流率3×10–4 cm3/s。另外,流动诱导热导率变化最大值达0.36 W/(m·K),为基体热导率的1.5倍。得到的研究结果为从工艺调控的新角度来改善聚合物复合材料的导热性能提供了理论依据与数据支撑。     

压电薄膜泵驱动的新型直线马达

提出了一种由压电薄膜泵和液压缸构成的新型直线马达(简称压电液压马达)。介绍了其结构和工作原理,并进行了性能分析与测试。利用尺寸为35 mm×1 mm的薄膜型压电振子制作了两腔体串联压电泵,并与直径15 mm、有效行程100 mm的液压缸进行了联机试验。研究结果表明,在驱动频率一定,驱动电压超过100 V时,驱动力与速度随电压的提高线性增加。在驱动电压为140 V、工作频率为70 Hz的条件下,获得压电液压马达的最大速度和推力分别为14.5 mm/s和17.8 N,最大输出功率为63.5 mW。     

悬臂梁微型阀特性研究

根据流体力学理论,建立了液体内悬臂梁阀片的动力学模型,给出了阀片基频的计算方法,分析了阀片结构参数、阀片与阀座间隙对液体内阀片基频的影响规律．结果表明,液体对悬臂梁阀的动态特性影响较大,随间隙的减小和阀片尺寸的增加,液体内阀片的基频大幅度降低．     

可变形式翼型钝体的风致振压电俘能器

针对现有风致振压电俘能器工作风速范围窄、高风速下振幅过大等问题,提出一种可变形式翼型钝体的风致振压电俘能器,主要由可变形式翼型钝体、悬臂梁以及压电组合梁构成,钝体的弹性翼受风力影响产生形变,从而实现系统振动特性的自我调节,以期提高俘能器的环境适应性。建立了俘能器的COMSOL有限元模型,通过仿真与试验分析了风速对其钝体形状及振动特性的影响,并获得了迎风角和弹性翼厚对俘能器输出性能的影响规律。结果表明：选取迎风角120°和弹性翼厚0.15 mm时俘能器的工作风速范围达到21 m/s,且当风速小于8 m/s时,弹性翼变形较小,系统以驰振为主,输出电压随风速增加而增大;当风速在8～17 m/s时,弹性翼形变量进一步增大,系统由驰振逐渐向涡振转变,输出电压变化较小;当风速在17～25 m/s时,钝体因弹性翼变形过大呈弯弧状,系统以涡振为主,其振幅被有效控制,输出电压随风速增加而减小;存在匹配电阻为250 kΩ时俘能器所产生的最大输出功率为3.78 mW。因此,该风致振压电俘能器在满足结构可靠、起振风速低及风速范围宽条件下同时可输出较大的电能。     

一种脱涡纵振式压电管道气流俘能器

为满足管道流体监测系统的自供电需求,针对流速/向恒定、空间有限的管道流环境下压电振子的有效激励问题,提出一种脱涡纵振式压电管道气流俘能器。介绍了其系统构成及工作原理,并进行了理论和试验研究,证明了其结构原理的可行性。研究结果表明:平均阻力随流速/直径比增长呈二次方关系,平均阻力过大时会减小压电振子振幅,平均阻力系数随直径比上升先增加最终达到固定值(6.23);其他参数确定时,分别存在最佳流速和最佳直径比使输出电压最大,外接电阻为240 kΩ,流速为32 m/s,直径比为0.93时,试验测得最大输出功率为1.25 mW,应根据实际流速范围确定合理的直径比及负载以提高俘能器的输出功率,低流速时适当增大直径比、高流速时适当减小直径比有助于提高发电能力。