压电叠堆驱动式超声电机设计

该文研究了拟发挥压电叠堆大输出力的特点,并提出了一种压电叠堆驱动的超声电机。电机定子由压电叠堆与金属弹性体结构组成,定子在交变激励信号下产生行波振动,并通过摩擦耦合驱动转子旋转输出。该文制作了样机,并搭建了实验平台。测试结果表明,电机转速与驱动电压呈正相关关系。当驱动电压峰-峰值为310 V时,电机最大输出转速为42.55 r/min,输出扭矩为0.8 N·m。     

锯齿型压电梁的电响应分析

压电振子的工作频带宽度是影响压电振动能量收集器发电效率的关键指标。该文旨在分析一种锯齿型阵列式压电振动能量收集器结构模态频率,为压电振子的动力学设计提供参考。首先,基于弹性梁振动理论,推导了锯齿型压电梁的动力学方程,并分析了影响压电梁模态频率的因素。然后,通过COMSOL建立锯齿形压电梁的有限元模型,分析了其频响特性、功率与负载阻抗匹配特性及加速度依赖性。最后,通过实验研究测试了锯齿型压电梁的电压幅频特性曲线,验证了理论分析与仿真模拟结果的合理性。结果表明,锯齿型阵列式压电振动能量收集器能够有效地拓宽工作频带,进而提高发电效率。     

基于ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜的压电纳米发电机

采用简单的一步水热法合成了自支撑的氧化锌纳米棒(ZnO NRs)@还原氧化石墨烯(rGO)复合材料,通过旋涂法制备ZnO@rGO/聚偏二氟乙烯(PVDF)柔性复合薄膜压电纳米发电机。研究结果表明,ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能随ZnO@rGO掺杂质量先增大后减小,当ZnO@rGO的质量分数为3.0%时,输出电压可达9.06 V,输出电流可达0.74μA,与仅掺杂3.0%ZnO NRs的ZnO/PVDF纳米发电机相比,其输出电压和电流分别提高了120%和124%。当负载电阻为10 MΩ时,ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机输出功率最大为5.79μW。经过4 000次循环测试表明,该文所制备ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能稳定。该纳米发电机可以监测人体行走和跑步姿势,记录运动次数。有望作为自供电压力传感器件植入可穿戴电子设备中。     

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。     

基于软模法制备1-3型压电复合材料及高频医用超声换能器

高频医用超声成像技术因其高空间分辨率而被广泛应用于人体组织的精细结构观察,其中高频超声换能器的核心材料是1-3型压电复合材料。采用软模板法直接烧结了锆钛酸铅(PZT)压电微柱阵列,进而制备PZT/环氧1-3型压电复合材料,并对其进行了微观结构观察和电学性能表征。材料微观结构完整,机电耦合系数达到0.64。采用此复合材料制备了中心频率为20 MHz的高频超声换能器。采用脉冲回波法对换能器进行了性能和声场测试,并利用其对人体皮肤进行了超声成像,换能器的插入损耗、带宽分别为13.1 dB和84.2%。结果表明,软模法制备的1-3型压电复合材料能使高频超声换能器兼具低插入损耗和大带宽,这为高性能高频医用超声换能器提供了一种低成本、高效率的商业化制备方法。     

基于复合控制的压电驱动器设计方法

针对压电叠堆迟滞带来的非线性效应严重制约系统控制精度提升的问题,该文提出了一种基于复合控制的压电驱动器控制方法,对系统非线性误差进行建模补偿,并基于数控芯片实现了嵌入式驱动设计。采用广义PI模型对被控压电促动器进行建模,利用指数函数作为密度函数,并基于粒子群算法对包络函数和密度函数进行参数寻优,最终得到压电促动器的前馈补偿逆模型,结合比例积分控制率实现系统的复合控制。同时采用数字信号处理结合现场可编程门阵列(DSP+FPGA)的数控架构,既保证了逆模型求解过程在DSP中实现的便捷性,又保证了采样及闭环控制在FPGA中实现的实时性及快速性。实验结果证明了所提设计方法的正确性及有效性。     

基于IDE-BPNN的快速反射镜迟滞建模

由压电陶瓷驱动的快速反射镜(FSM)现已被广泛用于自适应光学系统的执行环节,为了对其迟滞效应精确建模,该文提出了一种针对FSM的IDE-BPNN建模方法。基于Madelung法则以最小二乘法构建称迟滞算子作为迟滞运动的基本描述,扩展训练用的数据集,并采用改进的差分进化算法(IDE)对BP神经网络(BPNN)进行训练。实验表明,当输入30 Hz衰减的正弦信号时,IDE-BPNN模型的单轴最大误差为0.745μrad,归一化最大误差为0.87%,归一化均方根误差为0.36%。相较于最小二乘建模法,相对于最小二乘模型误差大幅缩小,有较好的使用价值。     

用于矢量水听器的压电单晶面剪切模式加速度计设计

面剪切振动模式产生于[011]极化方向zxt-45°切型的压电单晶,因具有高压电系数、高机械品质因数、高柔顺系数和低串扰效应等优点,故面剪切模式成为小尺寸、高灵敏度压电传感器的理想选择,在矢量水听器中有着良好的应用前景。该文通过分析面剪切模式振动原理,推导了面剪切模式压电加速度计的电压灵敏度表达式。利用有限元分析软件构建面剪切加速度计模型,研究结构参数对面剪切压电加速度计电压灵敏度和谐振频率的影响规律,优化结构尺寸,最终仿真得到面剪切加速度计开路电压灵敏度为389.72 mV/g,工作频带为20 Hz~3 kHz,横向灵敏度小于3.45%。研究结果表明,与传统的剪切式加速度计相比,所设计的面剪切式加速度计在质量块质量降低50%的同时,电压灵敏度提高了11.6%,这为降低水听器的平均密度、提升水声探测性能提供了新思路。     

基于LSTM神经网络的压电执行器位移迟滞建模

该文搭建迟滞测量实验平台,测量一种用于LED晶圆检测压电执行器的迟滞效应,设计了一种基于长短期记忆(LSTM)神经网络的压电迟滞模型,使用时间序列预测法对压电执行器位移迟滞效应建模。将该模型与传统的Prandtl-Ishlinskii(PI)模型进行对比。实验结果表明,神经网络模型具有较好、较广泛的迟滞建模效果,对于正弦波,位移预测精度保证小于2%;对于衰减正弦波,位移预测精度可保证小于3%。较高的模型预测精度为使用压电执行器进行LED晶圆检测提供了依据。     

BS-PT基高温压电超声换能器研究

针对高温超声检测技术的应用需求,该文研究了基于钪酸铋-钛酸铅(BS-PT)基高温压电陶瓷材料的高温超声换能器。利用PiezoCAD器件仿真软件设计并制作了一款1 MHz的高温压电超声换能器,且在200 ℃下对该器件的电学和声学性能进行了测试和分析。结果表明,随着测试温度的升高,换能器的脉冲回波幅值虽略有降低,但其中心频率、带宽变化不明显,带宽仍保持在20%左右。该文设计并制备的BS-PT基高温压电超声换能器可以在200 ℃环境中正常稳定工作。