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.     

基于系统相似方法的叠堆型压电驱动器非线性动力学建模及实验研究

根据机械系统与电气系统的相似方法,将叠堆型压电驱动器的非线性电-机械耦合模型完全转换到电气域内,建立了其非线性相似电路模型;给出了非线性相似电路模型中迟滞因子的辨识方法,并对某款商用叠堆型压电驱动器进行了迟滞因子的辨识试验;基于非线性相似电路模型和迟滞因子的辨识结果,对该款叠堆型压电驱动器的非线性特性进行了仿真分析,得到了其非线性位移迟滞回线;仿真结果与试验结果吻合,证明了该建模过程与辨识方法的正确性。该建模方法在电气域内对叠堆型压电驱动器电-机械耦合特性及非线性迟滞特性进行描述,建模过程物理意义清晰且简单实用,对于研究压电驱动器的动态特性及控制算法具有实际意义。     

大位移压电陶瓷驱动器的设计与试验

针对大位移压电陶瓷驱动器,研究了压电陶瓷双晶片的驱动效能。基于压电陶瓷材料的逆压电效应,应用压电陶瓷双晶片在机械自由、电学短路状态下,一片加正向电压缩短另一片加反向电压伸长共同作用产生弯曲变形,通过组合设计将压电陶瓷双晶片的弯曲变形位移叠加起来,实现了压电陶瓷驱动器的大位移输出。在相同电压的条件下,此压电陶瓷驱动器的输出位移量比叠层驱动器有较大的增加,达200μm,结构尺寸也大大减小。该驱动器不需要位移放大机构,可直接应用于有大位移要求的机构驱动。     

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.     

尺蠖型压电直线驱动器的运动稳定性分析

为了深入研究尺蠖型压电驱动器的性能,分析了尺蠖型压电直线驱动器的工作原理,研究了直线动子对驱动器性能的影响．通过实验方法分析了钳位机构调整前后对钳住稳定性的影响．采用驱动器输出单步位移的步距失稳系数和驱动电压与输出位移拟合曲线斜率和截距偏差率的方法评价尺蠖型压电直线驱动器的运动稳定性．经实验测试发现驱动器的步距失稳系数与驱动电压关系密切,当驱动电压较高时,驱动器具有较好的步距稳定性．驱动器的驱动电压与输出位移拟合曲线斜率和截距偏差率分别为1．8％和9．07％,说明所开发的驱动器具有很好的运动稳定性．     

基于电流控制的压电陶瓷驱动器

为了解决电压控制型压电陶瓷驱动器驱动压电陶瓷时存在的迟滞、蠕变和带宽窄的问题,设计了基于电流控制的压电陶瓷驱动器,利用压电陶瓷致动器位移与其所带电荷量间的线性关系,该驱动器通过控制压电陶瓷的充电电流和时间控制其位移量．在此基础上,提出了以分辨率换取稳定性的动态保持控制方法,采用该电流型驱动器,实现了开环下对压电陶瓷致动器的稳定、快速、高精度定位．实验结果表明,该驱动器驱动行程为10μm的压电陶瓷时,满行程带宽大于1．5kHz,重复定位精度小于4nm（0．4％）．     

压电叠堆在正弦电压激励下振动位移特性的研究

利用激光干涉仪对空载压电叠堆在正弦电压激励下的振动位移进行了测量,通过它的幅频曲线,初步研究了压电叠堆的振动位移特性及其影响因素.     

用于直升机舱内降噪的智能周期撑杆研究

直升机主减速器内的齿轮啮合引起的中高频振动是直升机舱内噪声的主要来源之一，通过设计具有隔振性能的减速器撑杆可以有效抑制传递到机体的振动，进而减小齿轮啮合诱发的舱内噪声。基于压电叠堆/橡胶周期结构，提出了一种适用于直升机舱内降噪的主动/被动混合振动控制的智能周期撑杆，在满足强度与刚度要求的同时，具有优良的多频与宽频减振能力。压电叠堆与橡胶材料周期排列组成周期结构，其在特定频率范围内具有“机械滤波”特性；同时，通过调节驱动压电叠堆的电压与电流，改变压电叠堆的动刚度，可实现主动减振的功能。为了对智能周期撑杆的主动/被动混合振动控制性能进行分析，建立了基于传递矩阵形式的智能周期撑杆的机电耦合动力学模型，并使用多物理场仿真软件验证了模型的正确性。进一步基于该模型分析了在驱动电压与电流有限的条件下的智能周期撑杆的最优隔振性能：在智能周期撑杆一端固支、一端受到 10 N 的激振力时，最大驱动电压为 20 V、最大驱动电流为 1 A 的电学边界限制下，该智能周期撑杆具有将 692 Hz以上的振动完全衰减的能力，对 692 Hz以下的振动有一定程度的控制效果。此外，还研究了材料参数与力学边界条件对主动控制的影响，即橡胶材料的阻尼、激振力对进行主动控制时需要的驱动电压与电流的影响。使用有限元模型校核了智能周期撑杆的强度与刚度，验证了所提出的智能周期撑杆方案的工程可行性。使用压电叠堆作动器与聚酯乙烯杆件组成一个三周期的压电叠堆周期撑杆作为智能周期撑杆的简化模型，验证了主动/被动混合振动控制性能，分析了力学边界条件对隔振性能的影响，以及进行主动控制时的驱动电压和电流与最优驱动电压和电流的关系。     

基于新型压电陶瓷管状驱动器的变摩擦阻尼器动态力学性能

基于ANSYS有限元软件,结合压电材料的物理特性对新型压电陶瓷管状驱动器的驱动性能进行了仿真,获得了其最大位移、出力及响应频率特性参数,结果表明该驱动器适用于结构振动控制装置的研发;利用上述新型驱动器,提出了一种可实时调节摩擦力的智能阻尼器,并对其进行了相关动态力学性能分析,获得了其正弦简谐作用下的本构关系及相应循环一周所消耗能量的计算公式。     

新型人工中耳压电振子设计

提出利用压电叠堆作砧骨激励式人工中耳的振子,并利用中耳-压电叠堆耦合力学模型对该压电叠堆振子进行辅助设计。该模型基于一无任何听力损伤病史的成年志愿者的左耳,利用CT扫描和逆向成型技术建成。其可靠性通过与实验对比加以验证。最终设计的压电振子只需要10.5 V的有效驱动电压,便可以对镫骨激起相当于鼓膜处90 dB声压激励的振幅。该振子在频率为1 kHz的单伏电压驱动工况下,能耗仅为0.03 mW,满足人工中耳低电压、低能耗的要求。