腔高对压电液压驱动器性能的影响

为满足大行程、高输出力精密驱动及振动控制的需求,设计了压电叠堆隔膜泵驱动的压电液压驱动器并进行了试验.利用实际液体可压缩的特性,建立了压电液压驱动器理论分析模型,分析了液体体积模量以及压电泵腔高对其输出性能的影响规律.结果表明,其他结构参数确定时压电液压驱动器输出能力随液体体积模量的减小而降低,并存在最佳腔高使其输出能力最大.利用尺寸为4 mm×4 mm×80 mm的压电叠堆制作了泵腔直径30 mm、高度分别为0.3 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.3 mm的压电泵,用于驱动尺寸为20×100 mm3的液压缸.以水为工作介质,在电压150 V、频率60～400 Hz条件下测试了驱动器的输出速度及驱动力.工作频率为300 Hz时,腔高0.6 mm(最佳值)时的输出速度为13.2 mm/s,分别为腔高0.3 mm和1.3 mm时的1.1倍和2.28倍;工作频率为80Hz时,腔高0.3 mm(最小腔高)时的驱动力为105 N,是腔高1.3 mm时驱动力的2.3倍,说明选取合理的泵腔高度可有效提高驱动器的输出性能.     

多振子串联压电俘能器性能分析与测试

为实现低频、大振幅、高强度振动能量回收,提出多振子串联压电振动俘能器,在理论、试验两方面研究压电振子数量/电学连接方式、集中质量及激励频率等对其性能影响规律。结果表明,增加集中质量及压电振子数量均可有效降低俘能器基频、提高发电量/输出功率;压电振子电学串/并联时输出电压及使输出功率最大、最佳负载不同,但产生的电能及在最佳负载下的输出功率相同。制作1/2/4组压电振子构成的俘能器,进行不同集中质量、频率、压电振子电学连接方式及负载的对比试验。单组压电振子在集中质量292 g的最佳频率及发电量分别为集中质量36.5 g的0.6倍、1.92倍;4组压电振子电学并联时的最佳频率及发电量分别为单组的0.58倍、2.2倍;两组压电振子电学串/并联的最佳负载及最大输出功率分别为42.3/10.6 kΩ、232.8/202.7 mW。     

无阀微泵多物理场耦合分析及实验研究

为了模拟微泵实际工作过程,需要找出微泵运动的控制方程。该文从压电振子作用力F及液体反作用力P入手,给出微泵压电-应力-流体多物理场耦合的控制方程组,根据控制方程模拟微泵实际工作过程。通过对压电振子耦合前后变形量进行对比发现,由于液体的反作用力阻碍压电振子运动,耦合后z方向位移比耦合前小;且频率越大,压电振子位移越大,其临界值为1000Hz;大于1000Hz压电振子位移将出现畸变,微泵运行不稳定,频率越大畸变越严重。微泵进出口处瞬时流量均随频率和电压的增加而增大,而锯齿型流道微泵瞬时流量大于同等条件下的锥型流道微泵。该文最后采用微系统加工方法及聚二甲基硅氧烷(PDMS)不可逆封装技术制作出两种微泵结构,并对两种微泵进行性能测试,结果证明微泵的最佳工作频率为100Hz~800Hz,在此频率范围内压力和流量均处于最大值,与数值分析结果相吻合。为了验证微泵自吸能力,对锯齿型流道微泵进出口存在压差情况进行测试,得出微泵流量最大为40#x003bc;l/min,最大压力头为1.25kPa。     

热驱动薄膜式微型泵的效率研究

微型泵在生物化学分析、药物输送和芯片冷却等领域有广阔的应用前景。为了确定热驱动薄膜式微泵达到最大工作效率的工作条件,对泵的温度响应和振动响应进行数值模拟,分别得到五种加热功率下微泵的流率－频率曲线,效率－频率曲线以及微泵的最佳效率曲线。发现微泵的流率在4－5Hz达到最大,当加热功率大于2W时,微泵的流量不再显著增加;微泵在加热功率为1W时的效率最大,最佳工作条件是加热功率1W、加热频率5Hz,此时微泵的效率为32．54μl/min.W。     

面向微量试剂分配的压电叠堆泵

微量、快速、精确的试剂分配是生物、制药等领域不可或缺的技术手段.研制了以压电叠堆为驱动器实现高精度、微量化和自动化试剂分配的压电叠堆泵样机.研究了压电叠堆泵的结构、工作原理及加工装配过程.实验研究了不同的输入信号对压电叠堆泵性能的影响和压电叠堆泵的输出流量及压力与输入电压、频率的关系,并将该样机与喷嘴装配在一起组装成试剂泵进行试剂分配实验,研究了试剂泵输出流量及微滴体积与输入电压、频率的关系.测得该压电叠堆泵输出流量的重复精度可达到77.42 μL,喷嘴直径为0.5 mm时试剂泵进行试剂分配的液滴体积为16.09 μL,重复精度为0.29 μL,实现了微量、快速、精确的试剂分配.     

压电泵在CPU芯片液体冷却系统中的应用研究

计算机CPU芯片集成度和运算速度不断提高,芯片冷却问题成为该领域的重要研究课题.针对目前的技术水平,液体循环冷却作为成熟的、具有竞争力的实用技术之一,利用具有自吸性能的微小型多腔体串联压电泵构造CPU芯片液体冷却系统可减小系统体积、提高散热性能,符合计算机的发展方向;所用压电泵输出流量可达到1260mL/min,输出压力大于15kPa,自吸十牛能为5KPa,系统冷却测试结果表明:在环境温度25℃、发热功率120W时,该系统冷却平衡温度比风冷散热器低10℃,比热管冷却系统低6℃.     

侧壁式压水室离心泵小流量非稳态旋转失速特性

用数值计算方法研究具有特殊结构的侧壁式压水室离心泵,分析小流量工况时模型泵的非稳态旋转失速特性,用快速傅里叶变换(FFT)获得压力脉动信号的频谱特征。结果表明,小流量工况时模型泵的扬程曲线呈驼峰状,压水室不同位置处压力分布不均;受叶轮旋转产生的非稳态作用影响,叶轮不同叶片流道内流动结构差异较大。不同流量下,叶轮内部分离涡结构诱发的激励频率各异,0.4ФN工况时模型泵压力脉动频谱图出现0.5fR及高次谐波频率,压力脉动最大幅值出现于4fR频率处;0.2ФN流量时非定常流动结构会诱发0.18fR及高次谐波频率;0.05ФN流量时压力脉动频谱图同时出现0.1fR、0.28fR两种激励频率。旋转失速现象出现时,频谱图中叶频处压力脉动幅值不再起主导作用。     

用于微机电系统的磁流体微泵的研究

利用外磁场及其运动控制微机电系统中的磁流体的运动,成功地设计了磁流体微泵,试验表明:磁流体微泵的输出压力最高达到1180 Pa,输出流量最大可达50μl/min,磁场转速和输出压力、输出流量的在低转速时几乎线性关系,但超过一定的转速,输出流量和压力将迅速下降.为微机电系统提供可靠的驱动元件.     

新型锯齿流道压电微泵加工制作及试验

以硅作为基底材料,采用深反应离子刻蚀（DRIE）技术加工出含有新型锯齿流道和传统锥形管的微泵,整个微泵结构为聚二甲基硅氧烷（PDMS）-玻璃-硅-PDMS式.采用阳极键合方法对硅和玻璃之间进行封装.PDMS和玻璃、PDMS和硅之间的封装采用紫外线照射方法,使PDMS表面改性,从而达到不可逆密封.分别对两种微泵在不同电压、频率以及波形驱动下的最大流量（MFR）和最大压力头（MPH）进行测试与比较,发现在固定频率下,两个微泵的最大流量和最大压力头均随驱动电压升高而升高,并且正弦波驱动下的效果要好于其他两种驱动波形;在固定电压下,最大流量随着频率升高在60Hz和200Hz两个频率点同时达到最大,最大压力头则在60～600Hz内一直处于最大值不变;锯齿流道微泵的最大流量和最大压力头明显高于传统锥形微泵.由于流道侧面环形面积的存在增加了流通面积,新形锯齿形流道微泵的效率明显高于传统锥形管微泵.     

收缩管/扩张管型无阀压电微泵的动态特性研究

为了合理地预测收缩管/扩张管型无阀压电微泵泵腔压力脉动,利用流体动力学基本理论以及锥管的特点,给出了无阀微泵的动态数学模型,包括吸入和泵出模式的连续性方程以及泵腔体积变化.采用有限元分析方法,对振动薄膜的最大体积变形量进行了计算.基于微泵动态数学模型,对无阀微泵压力和流量特性进行了仿真研究,分析不同薄膜最大体积变形量和...     

Fabrication and drive test of piezoelectric PDMS valveless micro pump

Abstract

Poly‐dimethylsiloxane (PDMS) valveless micropumps with single chambers and double chambers, based on a reciprocation principle, are fabricated in this work. A drive test of a piezoelectric valveless PDMS micro pump is conducted and the influence on the flow behavior of water is investigated. Applied voltage and frequency are major factors that affect the flow rate of the micropump. The flow rate of the micropump increases with applied voltage due to the increase of piezoelectric‐disk deflection. The flow rate of the micropump is found to be when the applied voltage frequency matches the first range of the resonant frequency of the PDMS micropump filled with water at 15 to 25 Hz. The maximum flow rate and the backpressure of the micropump are about 10.51 ml/min and 274.5 Pa when applying 120 Volts at 15 Hz. The maximum flow rate of the double chamber micropump at 120 Volts and 15 Hz is 2.74 ml/min which is less than the single chamber pump. When pumping at the second range of the resonant frequency of 860–1230 Hz, the flow rate of the micropump approaches zero because a lot of air bubbles are sucked into the chamber and interfere the flow of water. Experimental measurements of generation of bubbles at a wide span of frequencies that have not previously appeared in the literature are presented and discussed.     

一次逆、二次正压电效应在自感知执行器上的应用

提出利用一次逆、二次正压电效应为同一压电体内的双向效应原理,进行传感器与执行器集成一体化——自感知执行器的研究.即利用一次逆压电效应输出一个微位移,作为执行器使用;利用二次正压电效应的输出电荷自感知执行器的输出位移,作为传感器使用.在准静态（电压0～50V）和低频（电压100V,频率10Hz）条件下,分别进行了一次逆压电效应输出位移、二次正压电效应输出电压的实验,并将得到的数据进行归一化处理.实验结果表明,通过测量二次正压电效应产生的电荷能够较好地自感知一次逆压电效应产生的位移.     

Simulation Guided Coaxial Electrospinning of Polyvinylidene Fluoride Hollow Fibers with Tailored Piezoelectric Performance

Electrospun polyvinylidene fluoride (PVDF) piezoelectric fibers have high potential applicability in mechanical energy harvesting and self-powered sensing owing to their high electromechanical coupling capabilities. Strategies for tailoring fiber morphology have been the primary focus for realizing enhanced piezoelectric output. However, the relationship between piezoelectric performance and fiber structure remains unclear. This study fabricates PVDF hollow fibers through coaxial electrospinning, whose wall thickness can be tuned by changing the internal solution concentration. Simulation analysis demonstrates an increased effective deformation of the hollow fiber as enlarging inner diameter, resulting in enhanced piezoelectric output, which is in excellent agreement with the experimental results. This study is the first to unravel the influence mechanism of morphology regulation of a PVDF hollow fiber on its piezoelectric performance from both simulation and experimental aspects. The optimal PVDF hollow fiber piezoelectric energy harvester (PEH) delivers a piezoelectric output voltage of 32.6 V, ≈3 times that of the solid PVDF fiber PEH. Furthermore, the electrical output of hollow fiber PEH can be stably stored in secondary energy storage systems to power microelectronics. This study highlights an efficient approach for reconciling the simulation and tailoring the fiber PEH morphology for enhanced performances for future self-powered systems.     

基于模态应变能分布的压电致动器/传感器位置优化遗传算法

本文由线弹性压电结构有限元动力方程,推导了压电智能结构的振动控制方程。建立了准确模拟层合压电结构动力行为的有限元模型。基于主结构模态应变能分布提出了一种新的优化目标函数,将压电致动器/传感器位置编号作为优化变量,建立了离散变量表示的智能结构优化问题,并通过二进制编码的遗传算法（GA）求解了该最优问题。以四边固支复合层合压电智能板为数值算例,采用比例反馈控制, 研究了最优位置配置致动器/传感器智能结构目标模态的控制效果。数值结果表明基于模态应变能分布的遗传算法所得优化解具有较好的振动控制效果。     

0-3型橡胶基压电阻尼复合材料的制备及其性能

本文以通用橡胶为基体材料,以一定体积分数的锆钛酸铅粉体（PZT）为压电相、导电炭黑为导电相制备了0-3型压电阻尼复合材料。经过直流高温油浴极化处理后,获得了在低频下具有较高损耗因子的压电阻尼材料,并研究了其断面形貌、压电应变系数、损耗因子等各项性能。     

基础振动下直动式减压阀动态特性分析

针对基础振动对TBM液压元件性能的影响,为TBM液压元件优化设计提供理论依据,选择直动式减压阀为研究对象,分析其工作原理,建立减压阀的动态响应数学模型,仿真研究基础振动幅值和频率对减压阀波动特性的影响规律,分析减压阀不同结构参数对压力波动的影响.结果表明：基础振动会引起减压阀出口压力波动,波动幅值随振动幅值增加而增大;当基础振动频率大于50 Hz时,压力波动幅值随频率的增加明显增大;减小背压腔初始容积和回流通道直径能提高减压阀的动态稳定性.     

砧骨激励式压电振子听力补偿性能实验

针对传统压电式人工中耳输出增益较小、工作频带窄的问题,提出利用压电叠堆型压电振子激振砧骨体来补偿听力。为验证该方案的可行性,搭建由送声器、测声探管、压电振子及激光测振仪等构成的颞骨实验台,对振子动态特性、听骨链在声激励下及压电振子激振下的动态特性进行了测量。通过对比分析镫骨在两种激励下的运动情况,研究压电振子的听力补偿情况。结果显示,该砧骨激励式压电振子在低功耗、低电压下,便能对听力损伤进行有效补偿。此外,该压电振子听力补偿时还具有高频性能优异的特点,一方面在同等驱动电压下,高频补偿能力更强,能激起高达130 dB鼓膜声激励对应的运动幅度;另一方面,对高频段听力补偿时,具有较高的清晰度。     

基于BP神经网络的压电陶瓷蠕变预测

压电陶瓷驱动器的蠕变误差随时间呈现非线性变化,难以实时修正。提出基于BP神经网络的压电陶瓷蠕变预测方法,使用压电陶瓷驱动系统采集数据,对数据进行归一化处理,通过实验设计BP神经网络的隐含层数、隐含层节点数、节点转移函数和训练函数,构建BP神经网络预测模型,建立压电陶瓷蠕变与时间的关系。用BP神经网络模型对压电陶瓷蠕变进行了预测仿真,并将结果与实测数据进行了对比。结果表明,蠕变预测结果与实验数据的最大绝对误差均小于0.1 μm,最大蠕变误差均不超过0.6%,最大均方误差仅为0.0021,可见,BP预测模型具有较高的预测精度,可作为预测压电陶瓷蠕变误差的一种有效手段。     

Time and frequency domain analysis of piezoelectric energy harvesters by monolithic finite element modeling

The successful design of piezoelectric energy harvesting devices relies upon the identification of optimal geometrical and material configurations to maximize the power output for a specific band of excitation frequencies. Extendable predictive models and associated approximate solution methods are essential for analysis of a wide variety of future advanced energy harvesting devices involving more complex geometries and material distributions. Based on a holistic continuum mechanics modeling approach to the multi‐physics energy harvesting problem, this article proposes a monolithic numerical solution scheme using a mixed‐hybrid 3‐dimensional finite element formulation of the coupled governing equations for analysis in time and frequency domain. The weak form of the electromechanical/circuit system uses velocities and potential rate within the piezoelectric structure, free boundary charge on the electrodes, and potential at the level of the generic electric circuit as global degrees of freedom. The approximation of stress and dielectric displacement follows the work by Pian, Sze, and Pan. Results obtained with the proposed model are compared with analytical results for the reduced‐order model of a cantilevered bimorph harvester with tip mass reported in the literature. The flexibility of the method is demonstrated by studying the influence of partial electrode coverage on the generated power output.     

Modeling and fabrication of a piezoelectric vibration‐induced micro power generator

Abstract

In this paper, theoretical and experimental study on a piezoelectric vibration‐induced micro power generator that can convert mechanical vibration energy into electrical energy is presented. The mechanical‐electrical energy conversion mechanism is a voltage between two capacitors, which belong to the mechanical and the piezoelectric equivalent circuits, respectively. To verify the theoretical analysis, two clusters of transducer structures are fabricated. Piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) material is chosen to make the energy conversion transducer. The desired shape of the piezoelectric generator with its resonance frequency in accordance with the ambient vibration source is designed by finite element analysis (FEA).

Experimental results show that the maximum output voltages are generated at the first mode resonance frequencies of the structure. The overall conversion efficiency is measured to be 33%. The experimental results coincide with the theoretical analysis.