喷嘴挡板式压电伺服阀的研究

传统的电液伺服阀采用电磁马达作为驱动源，该文介绍的双喷嘴挡板式压电伺服阀是利用压电叠堆作为驱动源，给出了双喷嘴挡板式压电伺服阀的基本机构。对该伺服阈采用的压电叠堆和柔性铰链的特征参数进行了深入的研究，并通过试验初步验证了双喷嘴挡板式压电伺服阀的相关性能，进行了流量、压力特性的测试，分析了试验结果进行。     

位移放大型压电叠堆泵的研究

压电叠堆具有响应快、分辨率高、输出力大以及输出位移较大等优点.利用压电叠堆作为驱动器,结合柔性铰链位移放大机构设计了流体泵样机.对压电叠堆泵样机进行了实验研究,分析了对泵输出性能和压力性能的影响因素,证明压电叠堆泵输出压力大,性能稳定.     

仿尾鳍式变截面摆动振子无阀压电叠堆泵的结构设计

受具有高速巡游速度的金枪鱼的启发,提出了一种微脉动、大流量、仿尾鳍变截面振子无阀压电泵。以压电叠堆为激励源,设计了仿尾鳍变截面振子,实验验证了振子的二阶弯振和金枪鱼高速巡游的摆动模式一致。利用有限元分析软件ANSYS分析了振子的模态振型,提出了模态分离更好的Y型振子。为避免压电叠堆受力不均匀而受到损坏,采用钢球和隔离块作为压电叠堆传递力和振动的媒介,实现了压电叠堆和泵腔内液体的干湿分离。设计了二级杠杆/柔铰机构,放大了振子端部柔性叶片摆动幅度。最后,研制了样机,并进行了不同驱动频率下的仿尾鳍式变截面摆动振子无阀压电叠堆泵的流量测量,结果表明,在80V正弦电压的激励下,激励频率为1 350Hz时泵的流量达到峰值(400ml/min)。本设计方案能够有效地提高泵的性能,满足工程实践中对大流量无阀压电泵的需求。     

压电叠堆泵微位移放大机构的试验研究

提出了一种应用于压电叠堆泵的微位移放大机构,该机构以压电叠堆(积层式压电微位移器)为驱动元件,通过基于三角形放大原理的柔性铰链放大机构,放大压电叠堆的输出位移.同时,设计、研制了实验装置,并在试制样机上对其静、动态特性进行了实验.实验测试结果表明,该机构具有线性良好、高分辨率和高频响应等特点.     

考虑阀腔影响的气流脉动模拟改进

传统的压缩机管路气流脉动分析没有考虑阀腔容积的影响,使得计算的压力脉动偏高,部分气柱固有频率信息与实际不符。本文通过将阀腔等效为"管—容—管"单元模型,对现有气流脉动模拟模型进行了改进。利用改进后的模型对1台空气压缩机排气管路内的气流脉动进行了模拟计算,并搭建试验台对计算结果进行了验证试验。研究结果表明:利用改进模型计算得到的气柱固有频率与实测值最大误差由改进前的13.5%降至1.08%;管路中压力脉动幅值与实测值之间的偏差由改进前的106.99%降至5.65%,而且改进后的波形与实测波形变化趋势吻合程度明显改善。     

磁性液体正弦微压力信号源的磁场和力的分析

针对现有正弦压力信号源需要外加机械激励振动源,输出压力信号频率高,机械控制难度大等问题,设计出一种基于磁性液体的低频正弦微压力信号源。通过对螺线管线圈施加正弦激励电流对磁性液体施加磁场力,使之产生交变的磁浮力对外输出正弦微压力信号。研究对螺线管线圈参数进行优化得到较均匀的梯度磁场,计算了一定范围内输出正弦微压力信号与输入电流幅值及频率间的关系并对其影响因素进行简要分析。用有限元仿真方法得到模型内磁性液体中磁场分布及其所受磁场力分布并搭建实验平台进行测试。实验表明,该压力信号源在电源激励频率为0～2 Hz范围内输出的压力信号波形相对最稳定,调节输入电流的幅值与频率控制信号源输出低频正弦微压力信号。     

摩擦驱动型压电叠堆直线电机的工作机理

以一种典型的摩擦驱动型压电叠堆直线电机结构为例,对摩擦驱动型压电叠堆直线电机的振动摩擦驱动机理进行研究.结合电机系统的振动脱离模型,分析了电机定子与动子脱离的力学条件,进而分析电机结构参数和工作参数对椭圆运动和振动脱离性能的影响.对原理样机进行了试验研究,结果表明,压电叠堆的激励电压、激励频率和电机的预压力对电机的振动脱离性能有显著影响.     

摩擦驱动型压电叠堆直线电机的工作原理

以一种典型的摩擦驱动型压电叠堆直线电机结构为例,对摩擦驱动型压电叠堆直线电机的振动摩擦驱动机理进行研究。结合电机系统的振动脱离模型,分析了电机定子与动子脱离的力学条件,进而分析电机结构参数和工作参数对椭圆运动和振动脱离性能的影响。对原理样机进行了试验研究,结果表明,压电叠堆的激励电压、激励频率和电机的预压力对电机的振动脱离性能有显著影响。     

应用于压电叠堆泵的微位移放大机构

提出了一种应用于压电叠堆泵的微位移放大机构,该机构以压电叠堆(积层式压电微位移器)为驱动元件,通过基于三角形放大原理的柔性铰链放大机构,放大压电叠堆的输出位移。同时,设计、研制了实验装置,并在试制样机上对其静、动态特性进行了实验。实验测试结果表明:该机构对压电叠堆输出位移的放大倍数达到5倍,并且该机构具有线性良好、高分辨率、高频响应等特点。由有限元分析得到的固有频率达到了1.8 kHz,实际测量的固有频率为1.5 kHz。     

基于液压微位移放大结构的新型压电陶瓷直接驱动阀设计及仿真

研制一种基于液压微位移放大结构的压电陶瓷直接驱动伺服阀,实现大流量高频响的要求。针对压电陶瓷输出力大但输出位移小的特点,设计出一种新型的液压微位移放大结构,由柔性铰链膜片式大活塞、密闭容腔、小活塞及压力调节和测量装置构成。采用叠堆式压电陶瓷驱动大活塞,改变密闭容腔内油液的体积形态,放大小活塞端输出位移,驱动滑阀阀芯运动。大活塞采用膜片结构,降低压电陶瓷叠堆的负载,提高密封性能。针对刚性膜片刚度和强度矛盾的问题,设计柔性铰链膜片,对该膜片结构的刚度进行理论分析和数值计算验证。应用有限元方法对结构及各参数进行优化设计,并对最终结构进行刚度和强度分析。基于试制原理样机参数,建模仿真表明液压位移放大倍数9倍,阀芯位置控制误差小于1%。频宽超过550 Hz。试验测得流量曲线,7 MPa压力下,控制流量达到17 L/min。     

Adaptive identification of hysteresis and creep in piezoelectric stack actuators

The adaptive identification of the non-linear hysteresis and creep effects in a piezoelectric actuator is proposed in this paper. Model uncertainties related to the hysteresis and creep effects, most prominently in the high frequency zone (to 100 Hz), large operating amplitude and/long operating time, can make a piezoelectric actuator-driven micro-positioning system unstable in the closed loop. Furthermore, these uncertainties may lead to inaccurate open-loop control and frequently cause harmonic distortion when a piezoelectric actuator is driven with a sinusoidal input voltage signal. In order to solve the above issues, it is important to determine an accurate non-linear dynamic model of a piezoelectric actuator. An unscented Kalman filter-based adaptive identification algorithm is presented, which accurately determines the non-linear dynamics of a piezoelectric stack type actuator such that the non-linear hysteresis and creep effects can be accurately predicted. Since hysteresis and creep are dominant in open loop, the actuator is driven in an open-loop mode in this investigation.     

磁力弹簧式压电共振型气泵的设计

利用压电振子的振动激励相连接的隔膜共振原理,提出了用磁力弹簧式压电共振型气泵来提高压电泵对气体的驱动能力.首先,分析磁力弹簧式共振泵的工作原理,建立了共振泵的动力学模型,计算得出了影响隔膜振幅的主要因素.接着,设计和制作了样机,使用阻抗分析仪和激光位移计分别测得系统的共振频率及压电振子的位移放大倍数.最后,设计了测量共振泵流量和输出压力的实验装置,得出了磁力弹簧轴向间距对输出流量和输出压力的影响.实验测试表明:当输入正弦电压为200 V,系统共振频率为134 Hz,磁力弹簧的轴向间距为9 mm时,压电振子的位移放大倍数约为4.3,其最佳输出流量为524 ml/min,最佳输出压力为9.2 kPa.结果显示,提出的磁力弹簧式压电共振型气泵提高了气体的输送能力.     

柔性自适应桁架结构的振动控制方法实验研究

为提高结构对外部环境的抗干扰能力,构造了空间柔性自适应桁架结构,并对其主动控制进行了研究。通过加速度传感器测量位移的实验,建立了由dSPACE数据采集与处理系统、压电传感器、压电作动器、桁架结构和微机实时测控组成的实时计算机控制系统。基于自适应桁架结构的有限元理论,采用改进的二次积分力反馈控制方法,研究了空间柔性自适应桁架结构的振动主动控制问题。通过正弦激励进行了实时控制实验,给出了控制前后节点18x方向的位移振幅抑制变化情况及功率谱响应曲线。实验研究结果表明,该控制方案对空间柔性结构的低频大幅振动有很好的控制效果。     

声控微型无阀压电喷流泵

摘要：提出了一种声控微型无阀压电喷流泵,利用声控电路控制无阀压电泵开启、关闭和喷流状态,实现了无需信号发生器直接驱动压电泵工作。阐述了声控电路设计结构和工作机理,设计并加工了声控振荡电路和声控开关电路板,并与无阀压电喷流泵匹配进行了系统调试,实验结果表明：压电泵喷流状态随外界声音频率、振幅变化而变化,声音频率越高、振幅越大,压电泵喷流高度增高,出水量增大;当声音频率与压电泵基频产生共振时,压电泵达到最佳喷流效果。     

压电谐波电机驱动系统非线性主共振分析

为了探索压电谐波电机的机械-压电系统的非线性共振特性,设计了一种集压电驱动、谐波传动和活齿传动为一体的机电集成压电谐波电机。在非线性压电和非线性弹性效应的基础上,建立了驱动系统非线性机电耦合动力学方程。利用Linz Ted-Poincaré法推导了驱动系统非线性主共振响应方程,得出了主共振幅频响应曲线,分析了不同非线性效应对主共振响应的影响,最后通过四阶Runge-Kutta数值法验证了解析解的正确性。结果表明:在两种非线性效应中,非线性压电效应对主共振响应的影响是主要的;压电堆主共振出现在偏离固有频率较远处,且随着频率改变响应值出现跳跃现象;数值解与解析解响应曲线吻合较好。     

An improved resonantly driven piezoelectric gas pump

Piezoelectric pumps have the potential to be used in a variety of applications, such as in air circulation and compression. However, piezoelectric membrane pumps do not have enough driving capacity, and the heat induced during the direct contact between the driving part and the gas medium cannot be dissipated smoothly. When the gas is blocked, the piezoelectric vibrator generates heat quickly, which may eventually lead to damage. Resonantly driven piezoelectric stack pumps have high performance but no price advantage. In this situation, a novel, resonantly driven piezoelectric gas pump with annular bimorph as the driver is presented. In the study, the working principle of the novel pump was analyzed, the vibration mechanics model was determined, and the displacement amplified theory was studied. The outcome indicates that the displacement amplification factor is related with the original displacement provided by the piezoelectric bimorph. In addition, the displacement amplification effect is related to the stiffness of the spring lamination, adjustment spring, and piezoelectric vibrator, as well as to the systematic damping factor and the driving frequency. The experimental prototypes of the proposed pump were designed, and the displacement amplification effect and gas output performance were measured. At 70 V of sinusoidal AC driving voltage, the improved pump amplified the piezoelectric vibrator displacement by 4.2 times, the maximum gas output flow rate reached 1685 ml/min, and the temperature of the bimorph remained normal after 2000 hours of operation when the gas medium was blocked.     

微细深孔超声轴向振动钻削装置的设计

基于高频振动切削原理 ,设计了一种振频 2 0± 1KHz、振幅 2 5 μm的新型超声轴向振动钻削装置 ,该装置由数字锁相环频率自动跟踪式晶体管型超声波发生器、轴向半波长圆柱型压电陶瓷换能器、半波谐振圆锥型变幅杆以及工具系统组成 ,可在软质材料上实现微细深孔的精密、超精密加工     

磁性液体微压差传感器校准信号源的研究

提出了一种新颖的低频(0.1～100Hz)磁性液体正弦压力信号源,可用于微压差传感器校准实验,该信号源能够产生与激励电流频率相同的正弦微差压.利用单自由度受迫振动原理分析了输入电信号和输出压力信号之间的函数关系.采用有限元方法(FEM)分析了磁性液体正弦压力信号源内的磁场分布并计算了磁性液体所受磁场力.最后搭建了测试信号源性能的实验平台,并给出了实验结果,由此计算了系统的固有频率及阻尼比等特征参量.实验结果显示与理论分析一致.     

一种双足驱动压电直线电机

为研制高精度、大行程、大推力的压电直线电机,设计了一种基于叠层压电陶瓷的步进式压电直线电机。分析了电机的工作原理,对电机的结构进行了设计,制作了原理样机,并进行了实验研究。实验表明,在一定频率范围内,定子驱动足振幅与电压成线性关系,且最大振幅可达2.9μm,电机最大无负载速度为796μm/s,最大输出推力为4.8N,达到了预期的目的。     

Performance evaluation of piezoelectric and differential pressure sensor for vortex flowmeters

Piezoelectric and transient differential pressure sensors are two among the most widely employed sensors for vortex flowmeter application. The present study evaluates the performance of these two techniques under fully developed and disturbed flow conditions. Firstly, the location of the transient differential pressure sensor is optimized to obtain high amplitude signals and good linearity in Strouhal number. Empirical mode decomposition method in combination with autocorrelation decay is successfully employed at high Reynolds numbers to identify the vortex shedding frequency in presence of hydrodynamic noise. The performance of the differential pressure sensor deteriorates significantly under disturbed flow conditions at low Reynolds number due to the presence of low frequency components. This deterioration in the signal quality limits the lower operating range of the flowmeter with differential pressure sensor. The output signals of the piezoelectric sensor and differential pressure sensor under no flow condition are compared to obtain the background noise due to piping vibrations and electrical interferences. These results will help a designer to suggest robust signal processing algorithms for vortex frequency detection.