三角放大型压电陶瓷微纳米驱动机构

提出了一种基于小压电陶瓷条的三角放大型微纳米驱动机构。该机构由两个1.6 mm×1.6 mm×5.0 mm的小压电陶瓷条、三角对称型伸缩臂、大顶角柔性铰链（扫描端）及基座组成,由小压电陶瓷条驱动伸缩臂运动,基于大顶角三角形的放大原理,获得高放大倍率的扫描端输出位移。理论分析与有限元仿真表明,当三角对称型伸缩臂与底边的夹角为6°时,扫描端的位移量与小压电陶瓷条的伸缩量之比可达9倍左右;当驱动电压为80 V时,相比于小压电陶瓷条的伸缩量3.2μm,扫描端的位移量理论值可达29.5μm。显微运动测量实验表明,在相同驱动电压下,扫描端的实际位移量达到26.6μm,实际位移放大倍数达到8.3倍。将该机构作为原子力显微镜的慢轴扫描器,成功实现了基于小压电陶瓷条的宽范围原子力显微镜扫描成像（4μm×26μm）,具有良好的分辨率、对比度和线性度。该机构具有原理新颖、结构简洁、成本低廉、性能优越等特点,可望在光学、精密机械及微纳米技术领域获得广泛的应用。     

基于压电材料反射声压最小的主动吸声方法

提出一种基于反射声功率最小的吸声方法。将压电材料作为主动吸声的主体材料,借鉴主动吸声的原理进行吸声,将压电陶瓷晶片粘贴在很薄的简支平板上,通过布置于简支平板正前方的两个麦克风传感器检测出入射声波与反射声波。根据检测出的反射声波,将其与加在压电陶瓷上电压而引起简支平板振动而引起的声压表示为总的反射声压。在反射声压平方和最小的条件下,求得加在压电陶瓷上的电压,从而达到吸声的效果。并将单片压电陶瓷晶片反射声压平方和的理论和多片压电陶瓷晶片反射声压平方和的理论分别进行设计。对压电陶瓷晶片数量为一片、三片、五片几种情况,分别进行数值计算与试验,结果表明,该方法能起到很好的主动吸声效果,且压电陶瓷晶片数量为三片时效果就很好,更多的压电陶瓷晶片没有使吸声效果明显的增加。     

压电陶瓷管的微位移测量与非线性校正

为了对原子力显微镜(AFM)中压电陶瓷管扫描位移进行非线性校正,提出了一种微位移测量与校正的简易方法.采用涡流位移传感器测量微位移,将其放大100倍以提高检测灵敏度;得到了压电陶瓷管的位移-电压曲线,其最高位移分辨率计算值为0.4 nm.根据AFM中压电陶瓷管的工作特点,确定扫描范围下测量得到的位移-电压关系,通过对等间隔像素点施加对应的非等间隔控制电压序列的方法进行非线性校正,依据像素点精度要求通过插值算法获得控制电压序列.系统采用LabVIEW虚拟仪器技术,校正后压电陶瓷管最大位移滞回偏差从10.1%降为0.4%.实验表明:扫描频率和扫描像素分辨率调节方便,同时校正算法复杂度也有所降低.     

光纤干涉法测量压电陶瓷电压—微位移的相关性

本文提出了一种高精度、高灵敏度测量压电陶瓷电压-微位移相关性的新颖方法。本方法是通过压电陶瓷在外加电压作用下伸缩来改变激光器腔长,引起激光输出频率变化,用光纤干涉法能相当灵敏地检出这一变化,从而求出压电陶瓷对应于外加电压的微位移。实验结果表明在使用20米长光纤下可以精确测量出λ/240的位移量。文章同时还讨论了采用本法测量振动及压电体的频率-幅度响应。     

基于压电陶瓷的磁致伸缩位移传感器建模分析

对基于压电陶瓷的磁致伸缩位移传感器进行建模与分析。通过磁极化强度模型,分析了弹性波机理。以波导丝和压电陶瓷拾音器为讨论核心,综合运用弹性波振动模型、磁机耦合关系、压电效应等理论,推导了传感器系统的磁机耦合模型及电压输出模型,表明了系统结果主要与磁场强度、脉冲电流、距离、材料参数等有关。通过搭建以压电陶瓷作拾音器的磁致伸缩位移传感器系统,比较模型数据和实验结果,证明了系统模型的合理性,为磁致伸缩位移传感器的研究提供了理论参考。     

压电陶瓷执行器迟滞与非线性成因分析

从微观上系统分析了电致伸缩效应、逆压电效应和铁电效应的位移机理,表明:三种效应的位移机理是根本不同的;压电陶瓷执行器的位移主要是由逆压电效应、铁电效应所引起的,电致伸缩效应对位移的贡献极其微弱,可以忽略不计;单纯的逆压电效应是线性的,而铁电效应则是迟滞非线性的.指出了非180°电畴转向与转向的不完全可逆,分别是造成压电陶瓷执行器非线性和迟滞的根本原因.通过实验研究了驱动电压幅值、驱动电压频率、驱动循环次数及晶片厚度对压电陶瓷执行器迟滞和非线性的影响.     

压电陶瓷管微位移测量与非线性校正

介绍了一种用于原子力显微镜的压电陶瓷管X/Y方向微位移特性的测量与校正简易方法。采用涡流位移传感器测量微位移,通过100倍放大提高检测灵敏度;产生X/Y方向控制电压的D/A和采集微位移信号的A/D均为16位,最高位移分辨率计算值为0.4nm。根据原子力显微镜中压电陶瓷管的工作特点,利用测量得到的确定扫描范围下的位移-电压关系,通过对等间隔像素点施加所对应的非等间隔控制电压序列的方法进行非线性校正,控制电压序列可依据像素点精度要求通过插值算法获得。系统采用LabVIEW虚拟仪器技术,扫描频率和扫描像素分辨率调节方便,校正前后的压电陶瓷管最大位移滞回偏差分别为10.1％和0.4％。     

基于DSP和ARM的压电陶瓷叠堆数字驱动电源设计

压电陶瓷叠堆是由多个压电陶瓷片组成,具有体积小、出力大、响应快等特点,为提高压电陶瓷叠堆驱动电源的输出性能和响应速度,同时改善驱动电源输出纹波较高的缺点,提出了一种基于ARM和DSP的高压压电陶瓷叠堆数字驱动电源方案,详细的介绍了驱动电源的系统构成、硬件电路、控制策略、仿真和实验结果。该驱动电源通过多路移相并联电路、LC滤波电路和反馈电路调节输出电压电流。在等效电容为5uF的压电陶瓷负载下,输入信号频率为10Hz～300Hz,驱动电源输出的电压峰值最高为1000V,输出电流峰值最高为9A,输出电压的增益最高可达到100倍。实验结果表明,该驱动电源满足压电陶瓷叠堆高压、大电流、低纹波的驱动要求,在ARM和DSP的控制下系统具有很好的动态响应速度和稳定性。     

改善电致伸缩陶瓷微位移器性能的研究

对压电陶瓷和电致伸缩陶瓷的逆压电效应和电致伸缩效应进行了详细分析，并通过采用所研制的ＨＲＰＤ系列压电／电致伸缩陶瓷驱动电源对ＷＴＤＳ－Ｉ电致伸缩微位移器进行了实验研究，得出采用电极化强度控制的方法使电致伸缩微位移器的迟滞由原来的１５％减小到１％，蠕变由原来的１０％减小到１％，并实现位移输出的线性化。     

压电换能器的设计与温度特性研究

针对目前超声振动加工中存在的压电陶瓷发热严重,影响换能器性能和寿命的问题,通过对压电换能器进行设计、分析与试验对比,在保证输出振幅能够满足加工要求的前提下,得出振动系统合适的输入电压范围,使超声振动系统能够稳定运行。首先对超声换能器进行谐响应分析和稳态热分析,分析结果显示,对压电陶瓷施加电压后,换能器输出端的振幅最大,压电陶瓷的温度最高。建立试验平台进行试验分析,试验结果表明,当输入电压达到140 V时,压电陶瓷的温度高于居里温度的一半,此时振幅趋于峰值30.0μm。当输入电压为70～130 V时,输出振幅足够大,压电陶瓷的发热情况良好,能够满足系统长时间工作的要求,为超声振动系统能够稳定工作提供了一种可行方法。     

PbZrTiO3迟滞特性及控制研究

本文全面论述了压电陶瓷的基本原理及其特性、驱动方法等。并设计了压电陶瓷迟滞特性的开环测量方案。测量过程中应进一步调整光学平台的稳定性,以及光电接收放大器的设计。并结合实验分析了PZT压电陶瓷产生迟滞非线性的成因。对PZT采用过度驱动的方法。经过多次反复调节、多次振荡调节、多个周期的电压来回变化。采用衰减的方式进行加压、减压控制。得到精密位移控制曲线。     

悬臂梁单晶压电发电机的实验研究

建立了悬臂梁单晶压电振子的发电测试系统,对压电晶体与磷青铜基板材料的厚度比对单晶压电振子输出电压的影响进行了有限元分析,得出了压电晶体与磷青铜基板材料的最佳厚度比并进行了实验验证,同时对具有最佳厚度比的单晶压电振子进行了压电发电能力测试。研究结果表明,当压电晶体与磷青铜金属基板的最佳厚度比为0.5,单晶压电振子的输出电压最大,有限元分析与实验结果基本吻合。单晶压电振子输出电压随着负载的增大而随之增大,而输出功率并不随负载的增大而增大。压电振子存在一个最佳负载,当负载与压电振子内阻匹配时,此时的输出功率最大,能量转化效率最高。单晶压电振子在负载为50 时,输出电压最大可达5.4 ;当负载电阻为 时,负载与压电振子内阻匹配较好,输出功率达到最大为1.18 ,产生的能量能满足网络传感器等低耗能电子产品的供能需求。     

基于PMNT压电陶瓷的能量采集技术

能源危机越来越受到全世界各国的关注,人们试图采用各种技术将自然能量采集并转化为有效电能。本文利用压电陶瓷所具有的正压电效应,将脚踏机械能有效采集并转化为电能。考虑到压电陶瓷产生高电压低电流的特点,本文主要解决了电流不稳定,持续供电时间短的问题。同时从实际工程应用出发,设计了成本低能量采集与转化的发电系统,可加装在鞋底,供小型随身电子装置使用。也可装在行人及车辆较多的交通要道,获得广泛的应用。     

压电陶瓷与电流变液结合的声学与振动控制系统

通过分别制备高性能压电陶瓷FD3-PZT,FD4-PZT和复合电流变液并测量它们的性能之后,研究和制作了由压电陶瓷与电流变液结合的一种新型声学与振动控制系统(在该系统中的压电陶瓷与电流变液之间连接有一高压延迟电路).当外界施加一个瞬时冲击力作用于该新型声学和振动控制系统中的压电陶瓷上时,压电陶瓷由于压电效应产生瞬时高压(d-c current)输入复合电流变液,电流变液在短时由于其具有的流变性(其电致流变性可逆)而迅速由液态变为固态,从而抵消了外来的瞬时冲击力.该新型声学与振动控制系统在振动控制和声学方面极有应用前景,例如抗(防)次声、声震波和爆炸冲击波的危害以及用于制造高效防弹衣、防护头盔(安全帽)等;在声学方面可制备新型电控激励器、制动器、强振隔离体、无后坐力装备及各种抗震、减振、防噪所需装置等.     

可调频Helmholtz共振器声学性能

传统的Helmholtz共振器属于被动消声结构,只要结构确定,其消声频率就被确定,然而,实际噪声环境中,频率经常发生改变。针对这种情况,设计出一种可调频Helmholtz共振器。利用压电陶瓷替代Helmholtz共振器的刚性背板,通过调节施加在压电陶瓷上的电压,改变其腔体体积,使得消声频率偏移。结果表明,压电陶瓷在施加400V电压后,可以产生0.515mm的位移;Helmholtz共振器在不同电压下,共振频率偏移了80Hz;设计的自适应控制程序可适应频率多变的噪声环境。     

K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3无铅压电陶瓷的烧结特性

为了制备高性能无铅压电陶瓷,采用固相合成法和水热法合成了(KxNa1-x)NbO3 (KNN)无铅压电陶瓷粉体.利用压制成型法在不同压力下成型,对不同粉体的烧结性能进行了对比,研究了粘结剂(PVA)添加量和陶瓷密度之间的关系,测量了用不同电压极化后陶瓷的压电特性,以及介电常数与温度之间的关系.结果表明:与固相合成法相比,水热合成的粉体有更好的烧结性,添加K会降低陶瓷的烧结性,陶瓷的密度对烧结温度非常敏感.1 050 ℃保温2 h得到的K0.5Na0.5NbO3陶瓷具有较高的压电常数d33 (90 pC/N),该陶瓷的居里温度为410 ℃.     

压电陶瓷的磁滞现象对位移精度的影响

压电陶瓷的一个重要缺陷是其严重的磁滞现象,制约了开环控制系统的精确性。本文应用前馈控制模型对压电陶瓷刀具的位置进行补偿控制,取得了满意的效果。     

基于啁啾光纤光栅的电压传感性能研究

电压的实时测量是电力系统稳定、安全的关键。提出了一种基于啁啾光纤光栅的电压传感器,利用压电陶瓷的逆压电效应带动黏贴在其上面的传感啁啾光栅发生形变,使传感啁啾光栅的波长发生漂移,通过检测传感啁啾光栅和参考啁啾光栅反射光包络的强度变化,获取被测电压的幅值和频率信息。理论分析了电压与光功率变化的关系,搭建了带温度补偿的双啁啾光栅传感系统,实验研究了传感器的静态和实时动态特性。实验结果表明,该传感器的相关系数R2为0.999 8,电压灵敏度达到0.048mW/V,既能直接检测直流电压,也能较好地检测交流电压及其频谱信息,为在复杂环境评估电能质量提供了参考。     

菱形压电微位移放大机构的设计

为提高叠层压电陶瓷作动行程,并使之具有往复对称作动的特性,提出一种基于三角放大原理的菱形压电微位移放大机构。该机构以叠层压电陶瓷作为驱动元件,利用三角位移放大原理,在放大叠层压电陶瓷位移输出的同时,实现在平衡位置两侧的双向主动输出。提出了相应的驱动方法,实现了对该机构输出方向和大小的控制。分析了机构的工作原理,通过解析计算得到该机构的理论放大倍数为2.9,与所建立有限元模型通过仿真计算得到放大倍数2.5相近。制作了试验样机并进行了试验验证,结果显示:该机构在驱动电压为200V时最大输出位移为(32±16)μm,对叠层压电陶瓷位移输出的放大比例为2.4倍,与理论计算相近;频率响应试验表明信号频率对位移输出影响较小。提出的设计方案实现了位移放大和位移双向主动输出这两个预期目标。