一体双驱对称式压电悬臂梁微驱动器

设计了一种一体化加工的双驱对称式压电悬臂梁微驱动器。对压电驱动器工作原理、压电驱动器在准静态工况与共振工况下的输出特性进行了理论分析,确定压电驱动器几何尺寸。介绍了压电驱动器的多层复合结构与一体双驱的实现方式。制作了压电驱动器样机,并通过有限元仿真分析与测试实验相结合的方式得到压电驱动器的阻抗特性与输出特性曲线。将压电驱动器运用在轮式机器人,验证了设计的可行性。     

压电双晶片阵列式直线驱动器的设计与研究

基于压电双晶片提出一种新型准静态直线压电驱动器,可通过阵列的方式获得所需机械输出力,结构简单,性能稳定,可控性强。利用有限元软件对驱动器结构进行设计与分析,并加工制造了该驱动器的物理样机。最后通过实验发现,当驱动频率为500~2 100Hz时,驱动器可直接输出直线运动。当驱动频率为1 100Hz,驱动电压峰-峰值为200V,预紧力为1.5N时,该驱动器最大输出速度可达95mm/s,最大输出力为0.7N。     

压电驱动的六足爬行机器人的设计与制造

该文提出了一种基于压电驱动的六足爬行机器人的整体设计与制造方案,并对六足爬行机器人进行了动力学建模。介绍了爬行机器人碳纤维连杆传动机构的原理,并提出了各部分零部件的加工方案。介绍了压电驱动器多层材料叠合的复合结构加工工艺,对压电驱动器进行了性能测试,并将其应用到爬行机器人样机上。在280 V的直流偏置电压下,总质量4.631 g的爬行机器人样机完成了爬行运动测试,验证了压电驱动的六足爬行机器人设计方案的可行性。     

压电式旋转驱动器的设计与实验

为了实现压电驱动器低频率、高效率的输出,设计了一种低频压电式旋转驱动器,这种旋转驱动器结构简单,由低频电源驱动。首先对旋转驱动器进行了结构设计与工作机理分析;然后建立了系统的动力学模型,得出系统输出位移和固有频率表达式;最后制作了实验样机进行实验测试,以微小物料为研究对象,测试驱动器的驱动能力。测试结果表明,当系统频率在91.5Hz时,旋转驱动器性能最佳,输出振动位移大致为45μm,物料移动最大速度为0.15cm/s。     

隔膜式压电驱动器的制备及其在微泵中的应用

利用块材钛酸锆铅(PZT)材料的逆压电效应设计并制备了可用于微泵驱动的压电驱动器,通过5种结构模型的仿真分析确定了压电驱动器的隔膜式结构,在获取较大中心位移的同时有效提高了结构强度,增加了驱动器的适用性。工艺上通过键合、减薄、激光烧蚀及硅的湿法刻蚀工艺完成了器件的制备,施加频率10 Hz和100 Hz的交变信号测出了中心膜片位移与对应电压的关系,施加峰峰值为1 V的信号测得共振频率为70 kHz。基于制备的压电驱动器设计并制备了机械式带止回阀的微泵,经测试泵入、泵出功能正常。当对微泵外加峰峰值为30 V、频率为500 Hz的驱动电压信号时,每分钟能驱动的液体流量为55μL。该驱动器的驱动效果好,可进一步结合不同的微阀设计制备性能更加优良的微泵。     

一种新型压电振动输送器的设计

为了能实现对轻、薄、小物料的稳定输送,提出了一种压电双晶片为驱动源配重式直线振动输送器。设计了压电振动输送器的结构并分析了其工作原理,建立了系统的动力学模型,推导出了双自由度系统的振动位移表达式以及近似得到系统的固有频率,制作了振动输送器的样机,并进行了试验测试。试验结果表明:在系统共振频率为120.5Hz,料道振动位移达到最大,3个测试点分别为39μm,34μm,37μm,但不影响物料输送,工作频率范围为117~124Hz,处于共振频率最大输送速度达到52mm/s。与同型号的电磁式振动输送器相比,在共振条件下研制的样机的电流仅为电磁式的16.58%,速度是其1.36倍,振幅为电磁式的32.38%,噪音降低了33dB。设计的输送器具有送速度稳定、节能、噪音小等优点。     

局部环状电极压电驱动器制备与夹持力测试

采用丝网电极印刷法制备了局部环状电极压电驱动器,并对其动力进行了测试研究。搭建了夹持力测试平台,对局部环状电极压电驱动器和传统压电驱动器的径向夹持力进行测试和分析。实验结果表明,分别在频率为0.2 Hz和峰值200 V的方波和正弦波激励下,局部环状电极压电驱动器带电极区的径向夹持力峰值分别为0.60 N和0.58 N,两种夹持力峰值响应分别是传统元件的2.72倍和2.76倍。无电极区的反向夹持力峰值为0.29 N和0.28 N,其略大于传统元件的夹持力峰值,实验结果同时验证了局部环状电极压电驱动器的正交异性。     

压电陶瓷驱动器三角波频率特性

给出了三角波驱动信号下d31悬臂梁式驱动器的工作特性和频率特性。由于三角波包含了许多频率为基频奇数倍的谐波分量,当某一信号的谐波频率接近驱动器的共振频率时,该频率的三角波就会引起驱动器的谐振。因此,可以通过采用对扫描反馈电压的波形进行快速傅里叶分析法(FFT)来获得压电陶瓷驱动器的共振频率,而且,可以获得避开驱动器谐振点的驱动器设计原则,即:fr<0.6fk。此外,本试验压电陶瓷驱动器输出波形的延迟和非线性度与其驱动三角波频率的关系为:随频率增加,延迟不断增大;频率较低时,非线性度很大,而且随频率增大而增大,当频率在80～120Hz时,非线性度出现极大值,此后,非线性度随频率增大而减小。     

新型压电叠堆式步进直线精密驱动器设计

提出了以压电叠堆作为驱动源的新型步进直线精密驱动器,分析了步进直线驱动器的工作原理,设计步进直线驱动器结构及其控制电压波形。为减少驱动器部件间摩擦,构建了滚动直线滑轨与驱动器结合的结构模型。制作了步进直线精密驱动器样机,并对样机进行实验测试,实验结果表明,驱动器的最小步距为0.05 μm,最高运行速度为610 μm/s,且运动性能稳定。     

基于悬臂梁结构的惯性冲击直线压电马达

针对大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（LAMOST）观测光纤扫描定位的需求,设计了一种基于悬臂梁结构的惯性冲击直线压电马达,分析了该压电马达的驱动机理。为避免共振,采用有限元仿真法获得了振动座的一阶共振频率。设计加工了马达样机,搭建了实验平台,并进行了马达性能测试与分析。结果表明,在预紧力为0.2 N,驱动信号为锯齿波偏置一半,当电压峰 峰值为60 V（600 Hz）时,马达无负载速度为1.83 mm/s,当电压峰 峰值是15 V时,马达的位移分辨率为0.8 μm;当预紧力为0.4 N,驱动信号峰 峰值为60 V（600 Hz）时,马达最大负载为0.18 N,行程为40.5 mm。马达的性能参数符合光纤定位器扫描需求。     

低频压电马达的工作机理与动力学研究

为了满足当前精密仪器对压电马达小尺寸,大扭矩的要求,设计了一种倾斜式压电低频马达,这种马达不仅节约成本,且能由低频电源驱动,使用范围比高频压电马达广泛。该文研究了这种马达驱动能力形成的机理,建立了驱动结构的动力学模型,根据试验研究的需要制作了样机,并对样机进行了实验测试,完成了输入频率对输出转速和输出扭矩影响的实验研究。结果表明,新型低频压电马达在输入频率为290Hz时性能最优。     

压电单晶扬声器低频性能的优化及实验研究

压电扬声器因其压电谐振式工作原理而成为顺应电子设备小型化趋势的研究热点,但是由于低频性能不突出而限制了其应用.该文为了降低压电扬声器谐振频率,在分析压电扬声器低频振动原理的基础上,提出了基于弯曲振动模态的压电单晶切型计算模型,并通过计算确定了其优化切型;利用有限元分析法验证了切型对扬声器谐振频率的影响;制作了扬声器原型...     

一种圆筒型转子的中空型超声电机的研制

针对某些飞行器舵机控制系统需要旋转型超声电机具有中空结构、转子与负载结构融合以及具备一定的保持力矩等特定工程技术需求,该文提出了一种圆筒型转子与舵翼结构一体设计(外圈输出)的中空型超声电机,开展了该型电机的结构及预压力施加方案的设计和试验研究。建立了电机定子的有限元模型,分析了不同结构尺寸对定子模态的影响,进行了结构尺寸的灵敏度分析,优化了定子的结构,计算出其共振频率、振动幅值。最后试制出了原理样机。实验表明,在激励电压为450 V,激励频率为40.2 kHz时,样机的空载转速可达208 r/min,堵转力矩可达0.35 N·m。     

一种新型MEMS矢量水听器的设计

针对国内对高灵敏、小体积、造价低的矢量水听器迫切应用需求的现状,提出了一种新型的双"T"型微机电系统(MEMS)矢量水听器。该敏感单元结构可一体化加工,且加工成本低,适合大批量生产,易于阵列化。采用ANSYS仿真,得出1阶共振频率为1 840Hz,压敏电阻位置距离梁根部180μm。对此结构进行声学封装与测试,测试结果表明,该水听器在1kHz的灵敏度达到-175dB,工作频段为100Hz～4kHz,具有良好的"8"指向性。     

压电陶瓷驱动FSM三自由度柔性支撑设计

为了有效吸收反射镜偏转造成驱动点的横向位置偏差,保护压电陶瓷驱动器,抑制反射镜在非工作方向上的自由度,提高系统谐振频率,设计了基于压电陶瓷驱动的快速反射镜三自由度柔性支撑。首先根据压电陶瓷驱动的快速反射镜对柔性支撑的设计要求确定了由支撑杆与支撑片组成的三自由度四周式柔性支撑方案,再利用压杆稳定性理论与变形能法对支撑杆与支撑片进行参数设计,最后利用workbench对设计结果进行分析。有限元分析结果表明,直径1 mm、长度8 mm的柔性支撑杆的应用可以使压电陶瓷的剪切位移减少86.7%,柔性支撑片的应用使反射镜一阶模态为轴向平移振动,谐振频率为360 Hz,二三阶模态为反射镜两轴偏摆振动,谐振频率为420 Hz,而高阶模态在1 000 Hz以上。三自由度柔性支撑可以有效防止压电陶瓷受到剪切破坏,提高快速反射镜结构谐振频率,有利于提高系统闭环带宽。     

Design,simulation, fabrication and characterization of a micro electromagnetic vibration energy harvester with sandwiched structure and air channel

This paper presents the design, simulation, fabrication and characterization of a novel electromagnetic vibration energy harvester with sandwiched structure and air channel. It mainly consists of a top coil, a bottom coil, an NdFeB permanent magnet and a nickel planar spring integrated with silicon frame. The prototype is fabricated mainly using silicon micromachining and microelectroplating techniques. The tested natural frequency of the magnet–spring system is 228.2 Hz. The comparison between the simulation and the tested results of the natural frequency shows that the Young's modulus of microelectroplated Ni film is about 163 GPa rather than 210 GPa of bulk Ni material. Experimental results indicate that the sandwiched structure and the air channel in the silicon frame of the prototype can make the induced voltage increase to 42%. The resonant frequency of the prototype at 8 m/s² acceleration is 280.1 Hz, which results from the nonlinear behavior of the magnet–spring system. The load voltage generated by the prototype is 162.5 mV when the prototype is at resonance and the input vibration acceleration is 8 m/s² and the maximal load power obtained is about 21.2 μW when the load resistance is 81 Ω.     

一种回折梁结构低频压电能量采集器

为满足振动频率在一定范围内变动,且在空间有限的环境下无线传感器系统的自供能需求,设计了一种具有3个自由度的回折梁振动压电能量采集器。基于系统结构和工作原理,进行了理论分析及建立了回折梁结构有限元模型,并对该模型进行了有限元分析和模态仿真。制作回折梁压电能量采集器的原理样机,搭建试验平台,在振动台上进行试验。试验结果表明,理论分析、有限元模拟结果与实验结果吻合,在3.5～8.5 Hz低频振动下能产生大于5 V的电压,最高输出电压约为17.5 V,是传统单梁结构的1.4倍,且具有3个输出电压峰,工作带宽为传统单梁结构的4.5倍,实现了宽频效果。所提出的回折梁结构压电能量采集器在低频、振动频率变化的环境中有效且自适应。     

压电谐振式矿用甲烷传感器探头设计与研制

设计一种用于甲烷浓度监测的基于压电陶瓷谐振的传感器探头。利用有限元分析软件辅助设计2种具有较大吸附面积的谐振体;分别以5A型沸石分子筛和活性炭修饰谐振体,构成4种传感器敏感探头;利用自行搭建的测试平台在甲烷体积分数为0⁷.6%间对不同敏感探头阻抗谱谐振峰偏移量灵敏度与线性度的对比分析,结果表明,以5A型沸石分子筛与板状谐振体组合得到的探头在爆炸浓度下限谐振峰偏移162Hz,具有较好的灵敏性;由活性炭与环状谐振体组合得到的探头在爆炸浓度下限以下具有良好的线性。     

带异形孔的双稳态压电能量采集器研究

针对传统线性压电悬臂梁能量采集器共振频率高、偏离共振频率时输出电压快速下降的问题,该文设计了一种悬臂梁基板上带异形孔的新型双稳态能量采集器。建立该能量采集器的理论模型,并制作了实验样机,研究了该能量采集器在外界不同正弦激振频率下,磁间距对其输出电压和工作频带的影响。结果表明,随着磁极对间距减小,带异形孔结构的双稳态能量采集器的双稳态效应先增强再减弱,由此确定最佳磁极对间距为12 mm,谐振频率为18 Hz,最大输出均方根电压达到12.01 V,采集器有效工作频率为15.5～22.5 Hz,工作带宽达到7 Hz,带异形孔的双稳态能量采集器具有更宽的采集频带,在低频振动环境下具有更高的输出电压响应。     

压电俘能器阻抗匹配分析及实验研究

为了研究负载电阻对压电悬臂梁振动俘能性能的影响,使用有限元法对直接与负载相连的悬臂梁压电振子进行压电-电路耦合分析,得到了负载电阻对压电俘能器谐振频率、输出电压和功率的影响关系,并进行实验验证.研究结果表明,随着外接负载电阻的增大,俘能器谐振频率有所增加,从短路谐振频率到开路谐振频率变化范围可达到2 Hz.此外,负载阻值的大小也会影响俘能器的发电能力,负载电阻越大,输出电压越高,但存在匹配电阻使压电俘能器的输出功率达到最大.因此,通过合理选用负载电阻可实现固有频率微调谐和增加发电能力的目的.