压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器研究

研制了一种以自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片为驱动单元的新型惯性冲击式旋转精密驱动器。对自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片的动态特性进行了有限元法和实验分析,提出了压电双晶片型惯性冲击式精密驱动器特定的定频调压驱动方法。对压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器进行了性能测试,驱动器旋转行程为180°、旋转步长分辨力为1μrad、最大转速为0.2 rad/min、最大扭矩为0.02 Nm。该驱动器结构简单,特别是成本为传统惯性冲击式驱动器的1/100左右。     

压电双晶片作为驱动的精密定位机构研究

设计了一种用柔性铰链作为弹性导轨,压电双晶片作为驱动器,结合三角型放大原理实现的精密定位机构,并采用精密电感式微位移传感器（LVDT）进行位移检测。实验表明,该精密定位机构运动范围为0～25μm,定位精度达到15nm。     

压电双晶片传感器灵敏度特性分析

文中用模态分析法详细分析了压电双晶片力、振动、粗糙度传感器的位移特性及灵敏度特性,并给出了灵敏度与压电材料参数及晶片几何尺寸的关系。     

压电双晶片参数及温度特性的动态测试方法

本文提出一种压电材料参数动态测试模型,用于测量压电双晶片的几个主要材料参数：压电应变常数ｄ３１、机电耦合系数ｋ３１、介电常数ε３３＾Ｔ、弹性柔顺系数ｓ１１＾Ｅ及材料参数的温度特性。本文的这种测量方法不同于通常的由标准试样测量压电材料参数的方法,是直接由一种实用元件－压电双晶片（非标准试样）测量压电材料的参数。文中详细描述了测试原理、测试步骤及一种实际试样的测试结果。理论与实验结果表明：这种新的测试     

基于惯性冲击原理的非对称夹持式压电旋转驱动器的实验研究

针对目前压电驱动器主要使用锯齿波这种非对称波电信号驱动压电晶体实现驱动的现状,设计了非对称夹持构件,提出了非对称夹持压电双晶片振子的旋转驱动器的结构设计方案,使对称波电信号作用在压电双晶片振子上,产生正反两方向大小不同的周期性惯性冲击力,驱动机构实现旋转位移。建立了压电旋转驱动器的动力学模型,并分析了非对称夹持旋转驱动器实现大小不同的惯性冲击力原理以及压电旋转驱动器的运动过程。组成了压电旋转驱动器的测试系统,在不同电压幅值、频率的方波激励下,对压电旋转驱动器的平均步长进行了测试。结果表明：非对称夹持式压电旋转驱动器能实现较稳定的单向转动,最大行程360°,最大承载能力超过300g,步长分辨率5µrad,最大转动速度4000µrad/s;驱动器样机在20V、2Hz的方波激励下,平均运动步长12µrad,转动速度24µrad/s。     

悬臂式压电双晶片振子夹持长度变化对其动态特性的影响

以惯性压电驱动器的关键部件——悬臂式压电双晶片振子为研究对象,探讨了悬臂式压电双晶片振子的夹持长度变化对其动态特性的影响规律。首先,建立了悬臂式压电双晶片振子静态参数方程和动力学模型。然后,应用matlab软件仿真分析了夹持长度变化对悬臂式压电双晶片振子的端部位移幅值和惯性加速度幅值的影响。最后,分别测试了悬臂式压电双晶片振子在不同夹持长度下的端部位移幅值以及惯性加速度幅值。结果显示:驱动电压为10V,频率为11Hz,悬臂式压电双晶片振子的夹持长度在9~20mm内变化时,其端部位移幅值最大为66.2μm,产生的惯性加速度幅值最大为10.2ms-2。仿真和试验结果表明:激励电场相同时,随着悬臂式压电双晶片振子的夹持长度增大,其端部位移幅值会变小,而其产生的惯性加速度会变大。     

压电双晶片的能量传输特性分析

基于压电双晶片的准静态本构方程,详细地分析了准静态情况下悬臂梁式双晶片执行器在常见的三种不同载荷(力、力矩、压力)情况下的机电转换特性,即有效机电耦合系数、最大能量传输系统、最大输出机械能量时效率.分析结果表明:这些特性主要由压电双晶片材料的横向机电耦合系数k31决定;三种载荷中,以力矩形式输出机械能时压电双晶片执行器的效率最高,以力的形式输出时稍低,以压力形式(如用于推动气体或液体)输出时效率最低.这些结论对于设计压电双晶片执行器的结构具有指导意义.     

压电双晶片扫描器的低温迟滞蠕变特性

研究了用于空间红外相机低温光学系统的压电双晶片扫描器的低温迟滞蠕变问题.压电双晶片具有行程大,不发热,在低温下仍然能够工作等优点,然而由于压电陶瓷固有的迟滞蠕变特性,使得其扫描精度受到了较大的影响.本文在常温和低温下,对所研制的压电双晶片扫描器的迟滞和蠕变特性进行实验研究和特性对比.结果显示:尽管压电双晶片扫描器的迟滞量和蠕变量均有大幅度下降,但由于总行程的下降幅度更大,使得迟滞度和蠕变系数有较大上升;120 K下的迟滞度约为300 K下的2倍,120K下的蠕变系数比300 K下的上升了一个数量级.低温下压电双晶片扫描器的迟滞和蠕变特性相比常温下更加严重,这给其在低温下的高精度应用带来了更大的影响.     

压电双晶片和单晶片驱动下泵的输出性能研究

为从理论上获得压电泵在薄片型压电双晶片和单晶片(统称压电振子)驱动时的输出流量关系,需要获得二者振动时产生的容积变化量。假设压电振子在周边固定约束条件下,应用弹性薄板的小挠度弯曲变形理论,推导了压电双晶片和单晶片振动时的容积变化方程,并根据方程对铜基板直径为35mm,压电陶瓷直径为29mm,基板和压电陶瓷厚度同时为0.2mm和0.3mm 2种规格的压电单晶片和双晶片进行了振动容积计算。计算结果显示,相同基板和陶瓷厚度的双晶片振动产生的容积变化量是单晶片的2.3倍。将上诉压电振子应用到单腔压电泵上进行输送气体流量测试,获得的实际输出流量比在1.5~2倍之间,理论计算结果与试验测试结果比较接近。理论推导结果为比较双晶片和单晶片驱动下压电泵的输出能力提供了可靠依据。     

应用惯性冲击原理的非对称夹持式压电旋转驱动器的设计

针对目前压电驱动器主要使用非对称锯齿波电信号驱动压电晶体实现驱动的现状,采用对称电压信号驱动压电振子,设计了非对称夹持式压电旋转驱动器。用对称波电信号作用在压电双晶片振子上,产生正反两个方向大小不同的周期性惯性冲击力,驱动机构实现旋转位移。建立了压电旋转驱动器的动力学模型,分析了非对称夹持旋转驱动器实现大小不同惯性冲击力的原理以及压电旋转驱动器的运动过程。组成了压电旋转驱动器的测试系统,在不同电压幅值、频率的方波激励下,对压电旋转驱动器的平均步长进行了测试。结果表明:非对称夹持式压电旋转驱动器能实现较稳定的单向转动,最大行程为360°,最大承载能力超过300g,步长分辨率为5μrad,最大转动速度为4000μrad/s;驱动器样机在20V、2Hz的方波激励下,平均运动步长为12μrad,转动速度为24μrad/s。     

基于压电驱动器的微动平台开环精密定位控制研究

针对压电驱动器的非线性和迟滞特性,首先介绍了一种基于迭代学习控制的压电驱动器的快速电压/位移线性化方法,利用此方法所得的线性化数据对二维微动平台进行了开环精密定位控制;然后介绍了采用改进的Preisach模型对压电驱动器的迟滞特性进行建模的方法,并利用此模型也进行了开环精密定位控制研究。试验结果表明,两种方法均能达到亚微米级的开环定位精度,且前者定位精度稍优于后者,但是当控制序列发生转折时,前者必须先回到零电压或者饱和控制电压,才能进行下一次定位控制,而后者可以实现任意序列的连续控制。     

面向MEMS制造的高速精密定位平台的动力学仿真和结构设计

基于音圈电动机直驱,提出一种采用新型弹性解耦机构的2自由度笛卡儿坐标高速高精度定位平台。该平台将电动机放置在基座上,使运动惯量大大减小,从而使实现定位平台的高速高精密运动成为可能。阐述了该定位平台的弹性解耦原理,采用有限元分析与机械系统动态仿真相结合的方法,对定位平台的高速动力学行为进行研究。通过机构的刚体和弹性动力学分析,基于定位平台的动态响应,对弹性解耦机构中的关键部件——弹簧,进行动态优化设计。详尽地探讨了铰链弹性对弹簧刚度和预载选配的影响,以及弹簧刚度和预载对定位平台运动的影响规律,并给出弹簧刚度和预载的匹配曲线,从而为该类制造装备的动力学设计和样机建造奠定了重要理论基础。精度试验表明,该高速精密定位平台的各项指标均达到了设计要求,证明了设计理论的正确性。     

基于惯性冲击原理的变摩擦式微位移机构运动特性的研究

针对目前无法使用对称的正弦波产生逆压电效应驱动微位移机构的现状,提出了利用正弦波信号驱动压电双晶片振子的技术方案,应用惯性冲击力实现机构的微小位移,建立了机构运动的数学模型。设计了斜面结构使正弦波作用产生的周期性惯性冲击力形成竖直作用于微位移驱动机构的分量,通过改变正压力调整摩擦阻力的大小,并推导了QU相似文献