压电双晶片的有限元分析及实验

采用有限元分析方法,分析了压电双晶片悬臂梁的位移形变特征.研究了金属弹性层、压电陶瓷片的材料属性及几何尺寸对双晶片偏转位移的影响;计算了双晶片的弹性模量、厚度以及加载电压与位移形变产生弯应力的关系;通过位移测试、弯应力测试等相关实验对有限元分析进行了验证.当加载电压为60 V(120 Vp-p)时,双晶片的偏转位移和弯应力分别为166/μm和34.7 m·N,实验结果证明本文所建的有限元模型是合理有效的.此外,测试了压电双晶片的振动特性,测得其谐振频率为310 Hz,在该频率下加载20 Vp-p电压,其端部位移输出即可达1.7 mm.有限元分析结果及实验验证为压电双晶片结构的优化设计提供了依据.     

多层压电陶瓷的相关基础科学问题

多层压电陶瓷是一种重要的换能材料,具有优良的机电耦合效应和对外场响应迅速且体积小、驱动电压低的特点,在机电换能及自动控制等领域得到了广泛应用.本文概述了多层压电陶瓷的几个基础科学问题,包括:无铅压电陶瓷材料、高温压电陶瓷材料、晶粒定向技术以及多层压电陶瓷常见的迟滞、疲劳等问题,并总结了各个方面的研究现状和发展前景.     

基于PVDF的新型高速公路压电动态称重传感器

针对高速公路车辆超载严重的问题,提出了一种以压电薄膜聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,简称PVDF)为敏感元件的新型高速公路压电动态称重传感器.分析了该新型传感器的工作原理,采用有限元分析软件ANSYS建立了传感器的机-电耦合模型,模拟得出了单片PVDF、双片PVDF串/并联情况下产生的电荷量.针对该传感器设计了一种简单调理电路,使PVDF的高阻抗输出变为低阻抗输出,并对所采集的电信号进行有效的放大.为验证该压电传感器方案设计的可行性,进行了室内试验和小型乘用车现场动态实测.试验结果表明,压电传感器具有较高的灵敏度,可以对车重进行实时检测和数据分析.     

一种用于光学模组变焦的新型螺纹压电电机

基于课题组早期研究的转速可达10000r/min,响应时间小于1ms的棒板结合式压电电机的启发,设计并制备了一种扩展结构的用于光学模组变焦的螺纹压电驱动器,它同时具备响应时间短的特点.本压电驱动器采用筒板结合式的定子结构,在B11工作模态下通过定子圆筒内螺纹将运动传递给转子,单层压电陶瓷粘贴在定子板上驱动电机运转.本研究利用有限元法分析了电机定子的工作模态和谐响应,利用红外多普勒激光测振仪测量了电机在不同频率下定子的微观振动,实验验证了理论预测并证明了这种结构简单紧密的压电驱动器的可行性.电机运行实验验证了该电机具有响应时间短、电机转速合适、定位精确等优点,适合用于光学调焦领域.     

K改性的BNT-BZT压电陶瓷制备与性能研究

无铅压电陶瓷是压电材料中一个重要的研究方向，为了能够取代目前广泛应用的含铅材料，需要进一步提高无铅陶瓷材料的各项性能，尤其是压电性能。BNT-BZT系陶瓷是钛酸铋钠（BNT）和锆钛酸钡（BZT）两相形成的固溶体，在BNT-BZT陶瓷体系中，富BNT和低Zr含量的区域存在准同型相界，在相界附近可以得到性能优良的无铅压电陶瓷，其性能以3大约150pC/N，居里温度在240℃左右，介电常数大约900。在BNT-BZT相界点处掺杂K离子，研究了K改性的BNT-BZT体系陶瓷的微观结构与性能。实验结果表明，以3达到165pC／N；居里温度达到270℃；烧结中出现了玻璃相，预烧温度和烧结温度相对于原体系都有适当降低。     

小型方柱压电陶瓷电机的设计及性能

设计了一种小型方柱弯曲旋转压电超声电机,即摇头式压电陶瓷超声电机.该电机采用带圆孔的金属方柱作为电机的定子部分,并在方柱的4个垂直表面分别粘贴沿厚度方向极化的压电陶瓷片,其外形尺寸小于6 mm×6 mm×10 mm.利用有限元分析软件ANSYS对电机的工作模态进行了模拟计算,得到金属方柱定子的一阶弯曲振动频率为125.5 kHz;并对其工作状态进行了谐响应分析,得到X(Y)向、Z向振幅,由此计算得到定、转子之间的最优接触角,约为24.5°.采用激光多普勒测振仪(Polytec 300-F)测量了电机的振动谱特性,测得一阶弯曲振动发生在129.6 kHz处,并观察到两个节面位于全长的1/4及3/4处,实验与有限元仿真结果基本一致.讨论了不同厚度陶瓷片及金属方柱圆孔孔径大小对电机输出特性的影响,确立了小型方柱电机的尺寸设计标准.     

多层压电陶瓷变压器振动模态分析与测量

介绍了多层压电陶瓷变压器振动的原理,利用有限元分析研究了多层压电陶瓷变压器的振动模态,并利用激光多普勒干涉仪测量了多层压电陶瓷变压器在不同输入电压下两种谐振状态下沿长度方向的位移振幅。实验表明：谐振频率的测量值和有限元计算结果相符;谐振状态下压电陶瓷变压器长度方向的振幅与输入电压的关系是在输入电压较小时,基本上是线性变化的,并且逐渐趋于饱和,输入端振幅略大于输出端。     

行波型超声波电机及其速度控制特性的研究

超声波电机是一种新型摩擦驱动器。由于它是利用压电陶瓷的逆压电效应形成的弹性波作为激励源,所以,该电机同传统的电磁式电机相比,具有小型轻量、无电磁干扰、响应速度快等特点,是微机械、医疗器械、航天航空等领域中理想的驱动器。本文阐述了行波型超声波电机的工作原理,并研制出直径４０ｍｍ的旋转式行波超声波电机的实验样机,作者分析了该样机的速度控制特性,提出ＰＷＭ是行波超声波电机理想的控制方式。     

多自由度多层压电陶瓷微操纵技术的理论模拟

压电陶瓷具有简单、体积小、质量轻、分辨率高等优点，在微操作器驱动中是主流材料。针对一种三自由度多层压电陶瓷微操纵技术进行了理论模拟研究，采用有限元法分析了操纵器在不同驱动方式下的工作状态，如：沿Z轴平动、绕X轴和X-Y轴平分线转动3种情况。研究了陶瓷片内部应力特点，并对微操纵的变形行为作了定量分析，得到了探针的位移与驱动电压呈现良好的线性关系，通过对比针尖位移量与所施加的电压之间的系数D以及压电材料关键性能参数d33，验证了模拟的准确性，并验证了采用多层压电陶瓷降低驱动电压实现微操纵的可能。     

基于FPGA的智能超声马达驱动信号源设计

针对超声马达独特的工作原理、特性及其驱动控制需要,设计了基于FPGA(现场可编程门阵列)的采用DDS(直接数字频率合成器)技术实现的超声马达驱动信号源.给出了DDS的核心部分及DDS与单片机的接口设计,两者都采用Altera公司FPGA芯片EPlK100实现.信号源输出两相正余弦波,且可数字控制频率及相位差.在时钟频率为60 MHz时,频率分辨率为0.447 Hz,最大输出频率为117 kHz,相位分辨率为1.406..文中给出了在MATLAB环境下得到的仿真波形.