压电陶瓷应变的测量及应用

本文叙述压电陶瓷重要特性之一——应变(形变)的产生机理、分类、测量方法及应用。用迈克尔逊干涉法测量静态形变。采用贝塞尔函数法测量动态形变。贝塞尔函数法测量简便,精度高,用此法测出压电陶瓷在谐振状态下的动态形变后,可确定压电陶瓷的机械谐振频率f_r,机械Q_M值等参数,从而可评价压电陶瓷元件的质量。 叙述了利用压电陶瓷的形变研制成的一些高精度精密器件,如致动器,激光器谐振腔微调机构、微位移扫描器和压电千分尺等。     

空间引力波望远镜超前瞄准机构致动器电荷驱动位移行为研究

超前瞄准机构(PAAM)是空间引力波探测望远镜的关键部件,其主要通过给压电致动器输入电压或电荷精确控制位移量,实现对望远镜高精度角度控制。因此,压电陶瓷致动器位移响应直接影响超前瞄准机构指向控制性能。本文提出等效电容量计算方法定量分析压电致动器在电荷驱动下的位移响应特性,并通过数值模拟仿真和实验验证等方式验证了计算方法的准确性和可行性。结果表明：在使用幅值5 V、频率0.05 Hz～5 Hz的正弦波信号控制的电荷放大器驱动某型号压电致动器时,采用本文方法分析结果与实验结果相比,二者位移响应最大偏差小于1.35%,为空间引力波探测望远镜超前瞄准机构的高精度指向控制提供了可能的分析方法和实现途径。     

用于MEMS变形镜的双电极压电厚膜致动器

提出了一种用于MEMS变形镜的双电极驱动的压电陶瓷（PZT）厚膜致动器．采用有限元方法分析致动器变形时的应力分布情况,优化了内外圈电极尺寸,制作了61单元六边形分布的致动器阵列．测试结果表明,致动器在100V工作电压下的;中程约为6．6μm,谐振频率为58kHz,位移迟滞为8％～9％,通过采用单边电压一位移曲线的策略有效降低了位移迟滞,并进一步提出了分时驱动的电路方案．     

北京大学工学院在压电材料领域取得突破性进展

正工学院力学与工程科学系李法新课题组在压电材料领域取得突破性进展,他们提出了一种周期正交的极化方法,将目前最常用的PZT压电陶瓷中的非线性畴变应变变得可逆,实现了约0.6%的超大致动应变,是传统PZT压电陶瓷的4倍。压电陶瓷致动器具有响应速度快、位移精度高、控制方便(电控)、体积小等优势,一直在致动器领域占据着主导地位。目前应用的压电致动器主要由锆钛酸铅(PZT)陶瓷制     

MEMS变形镜用PZT厚膜致动器阵列的制备及性能表征

提出了一种基于锆钛酸铅(PZT)压电厚膜致动器阵列驱动的MEMS微变形镜,建立了该微变形镜的结构模型,分析了其结构中各层厚度对其性能的影响.PZT压电厚膜是通过基于PZT压电陶瓷体材料的湿法刻蚀技术制备的,刻蚀液为1BHF2HCl4NH4 Cl4H2O.以数字锁相方法测试了压电厚膜的介电性能,在100 kHz以下时,其介电常数和介质损耗分别优于2400和3%.利用悬臂梁方法测试了压电厚膜的也.横向压电系数,约为-250 pm/V.制备了4×4阵列的压电致动器阵列.采用激光多普勒测试压电致动器的电压位移曲线,在100 V的电压驱动下致动器的变形量大约为2.2/μm;测试了致动器的频率响应,其谐振频率高于100 kHz;致动器刚度大,带负载能力强.     

PZT系梯度功能压电驱动器的谐响应特性

研究了PZT系梯度功能压电驱动器谐振状态的机电响应特性，通过改变驱动电场和频率，研究其谐振频率和顶端位移的变化特性。结果表明：增加电场，谐振频率减小，谐振点位移增大，并逐渐趋向饱和。在谐振点附近，悬臂梁弯曲位移达到最大值。     

电磁力与射流流场中压力脉动作用下伺服阀力矩马达谐响应分析

为揭示伺服阀自激噪声的产生机理,该文对伺服阀力矩马达的振动特性进行研究。通过分析喷嘴挡板式电液伺服阀的工作原理,给出了衔铁组件的受力数学模型。建立了单自由度系统的谐响应分析数学模型,分析了谐振频率与系统固有频率的关系。采用ANSYS软件对电磁场和伺服阀内部流场作用下力矩马达的谐响应特性进行了分析,得出了力矩马达关键点处不同方向上的谐响应曲线,分析了其在0~4500Hz内的谐振规律。仿真结果表明,电磁场和流场的作用会激发力矩马达的高频振动,从而可能诱发高频自激噪声。     

GMA在脉冲喷射开关阀中的应用

 通过分析脉冲喷射开关阀的工作性能,提出致动器是决定脉冲喷射开关阀特性的关键因素.对比3种致动器的性能参数,指出GMA更适合脉冲喷射开关阀的工作要求.GMA的性能分析和仿真结果给出了在脉冲喷射开关阀中工作的GMA的静、动态特性.脉冲喷射开关阀单脉冲流量实验曲线表明：脉冲喷射开关阀的单脉冲流量随励磁电流的变化规律与GMA的磁致伸缩曲线特性相似,在GMA的磁致伸缩曲线的线性区即可满足单脉冲喷射流量要求.动态实验中,脉冲喷射开关阀的阀芯位移阶跃响应上升时间只有0.81 ms,远远满足脉冲喷射开关阀应用的工作频率要求.     

伺服阀用超磁致伸缩致动器结构设计及输出位移建模

针对传统永磁偏置式超磁致伸缩致动器轴向偏置磁场均匀性较差的问题,设计了一种具有分布式永磁体偏置结构的阀用超磁致伸缩致动器;采用控制变量的方法,在限定超磁致伸缩致动器结构尺寸的条件下,通过改变超磁致伸缩棒的段数,对致动器偏置磁场进行仿真分析,并确定了最佳分布结构;基于磁阻理论、J-A模型、二次畴转模型及振动理论知识建立了阀用超磁致伸缩致动器的输出位移模型,并通过Matlab中lsim函数对致动器的阶跃响应及谐波响应进行了数值求解;为验证结构设计的合理性和模型的准确性,搭建了该致动器的试验系统,并进行了阶跃响应及谐波响应试验;结果表明:所设计的阀用超磁致伸缩致动器阶跃响应时间可达2.37 ms,在20 Hz到200 Hz的驱动频率范围内,试验结果与模型计算结果基本吻合,证明了模型的准确性。     

压电致动的谐振式水下柔性结构动态迟滞建模及前馈补偿

具有运动灵活且操作方便优点的宏压电纤维复合材料(macro fiber composite, MFC)致动水下柔性结构广泛应用于水下仿生推进和变形控制系统中，但是MFC的迟滞非线性严重影响了系统的定位精度和操控性能。提出了一种改进Prandtl-Ishlinskii(PI)静态迟滞和传递函数动态模型串联的复合式模型来描述MFC致动水下柔性结构谐振状态下的动态迟滞行为。首先基于所提出水下结构的准静态迟滞特性辨识得到改进PI迟滞模型参数，然后通过传递函数串联馈通环节的动态模型捕捉MFC致动柔性结构的水下谐振特性。实验结果表明所建立的复合式动态迟滞模型能够很好地描述MFC致动水下柔性结构在谐振状态下的动态迟滞行为，并且在固有频率附近一定带宽范围内仍具有较高准确性。基于复合式逆模型的前馈补偿下，水下柔性结构在谐振状态下跟踪正弦轨迹的实测位移与期望位移基本重合，补偿后二者线性度较高，显著提升了MFC致动柔性结构谐振状态下的动态定位和跟踪精度，证实了所提出动态迟滞模型和补偿方法的有效性。