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。     

悬臂梁压电俘能器的建模研究

为深入研究悬臂梁式压电俘能器的作用机理,从压电方程和内能平衡出发,建立了悬臂梁式压电俘能器单晶片压电振子、双晶片串联压电振子和双晶片并联压电振子的电压输出灵敏度数学模型.在ANSYS中分别建立了三种压电振子的有限元模型,仿真得到三种压电振子的基板厚度与输出电压的关系曲线,仿真结果表明串联双晶片压电振子的输出电压值最高,且数值模拟曲线和有限元仿真曲线基本吻合,验证了建立数学模型的正确性.     

泵用两叠片圆形压电振子的弯曲振动分析

为提高微型压电泵的输出能力,采用瑞利法对固定边界条件下两叠片压电振子进行了理论研究。以压电晶片与金属基板的厚度比α、直径比β(称结构参数)为变量,推导出了压电振子谐振频率及有效机电耦合系数的计算方法。通过编程计算即可获得压电振子的有效机电耦合系数和谐振频率,进而优选压电振子的结构参数。以日本产压电振子为例进行了谐振频率的计算,并与阻抗分析仪的测试的谐振频率进行了比较,二者比较接近。研究结果表明,结构参数的变化对压电振子的谐振频率和机电耦合系数影响较大,当结构参数α、β分别为0.3和0.6时,压电振子的最大有效机电耦合系数为0.52。     

悬臂梁阀单腔压电泵设计方法研究

给出了悬臂梁阀单腔压电泵的理论分析,根据压电振子与流体耦合的理论,建立了压电泵系统的动态模型.分析了流体质量、输出压力和系统阻尼对压电泵最佳工作频率的影响,认为减小腔体高度可以提高压电泵的最佳工作频率,提高压电泵的稳定性.通过分析压电振子结构参数对变形量的影响规律,确定了振子的最佳结构参数,认为压电陶瓷层与金属基板厚度比取0.45～0.55,直径比取0.8～0.9最佳.研究了压电泵出流形式对压电泵输出能力的影响,认为轴後向出流有利于提高压电泵的输出能力.     

压电双晶片的有限元分析及实验

采用有限元分析方法,分析了压电双晶片悬臂梁的位移形变特征.研究了金属弹性层、压电陶瓷片的材料属性及几何尺寸对双晶片偏转位移的影响;计算了双晶片的弹性模量、厚度以及加载电压与位移形变产生弯应力的关系;通过位移测试、弯应力测试等相关实验对有限元分析进行了验证.当加载电压为60 V(120 Vp-p)时,双晶片的偏转位移和弯应力分别为166/μm和34.7 m·N,实验结果证明本文所建的有限元模型是合理有效的.此外,测试了压电双晶片的振动特性,测得其谐振频率为310 Hz,在该频率下加载20 Vp-p电压,其端部位移输出即可达1.7 mm.有限元分析结果及实验验证为压电双晶片结构的优化设计提供了依据.     

环形压电双晶片驱动式振动送料器

为了满足现代工业领域中对轻、薄、小产品平稳输送的要求,提出了一种采用环形压电双晶片作为驱动源的新型振动送料器。设计了振动送料器结构,分析了振动送料器的工作原理,测试了压电双晶片振子的性能,利用有限元软件ANSYS确定了压电双晶片振子的工作模态,研制了送料器样机并进行试验测试。试验结果表明：当振动频率为86.5～91.5Hz时,送料器具备输送物料的能力;当系统共振时,输送速度最快,随着电压的增加,送料速度呈线性关系增加;与同型号的电磁振动送料器相比,研制的环形压电双晶片驱动式振动送料器消耗电流仅为其16%,工作噪声下降22dB,输送稳定性好。     

悬臂梁双压电晶片振子发电性能研究

以双压电晶片振子为研究对象,对悬臂梁式双压电晶片振子在正压电效应下电压输出特性进行了有限元分析与试验研究,给出了压电晶片在悬臂梁上的最佳粘贴位置,并且利用有限元分析软件建立了悬臂梁双压电晶片振子的有限元模型,进行了结构尺寸参数对悬臂梁双压电晶片振子输出电压影响规律的仿真分析;利用压电陶瓷发电能力测试系统进行了试验测试,通过仿真和试验结果对比分析,得出了结构尺寸参数对悬臂梁双压电晶片振子发电的输出电压影响规律。     

单振子双腔体无阀压电泵结构设计与机理分析

提出了一种单振子双腔体无阀压电泵,应用小挠度弹性弯曲理论导出了圆形复合压电振子的弹性曲面微分方程,分析了采用一个压电振子形成两个工作腔体压电泵的结构和工作机理,并与单振子单腔体压电泵对比分析了该结构与输出流量的关系。设计研制了结构独特、输出性能更高的单振子双腔体无阀压电泵,通过试验表明:单振子双腔体无阀压电泵比单振子单腔体无阀压电泵输出流量有明显提高。     

压电双晶片执行器驱动位移模型研究

通过对压电双晶片执行器的受力分析，推导出弹性梁双面对称粘贴和单面粘贴压电片驱动位移模型的计算公式。通过计算机数值模拟，分析了弹性梁厚度及材料特性对驱动位移的影响。实验研究证明了所建模型的正确性，为双晶片结构中压电片和弹性梁的选择提供了理论依据。     

一种仿生型无阀压电泵

针对传统的容积型流阻差式无阀压电泵具有吸入周期和排出周期,存在着流动脉动大、流量小的问题,提出一种新型的鱼鳍摆动式无阀压电泵。模仿在鱼类中巡游速度最快的金枪鱼的鱼体结构,设计了压电双晶片结构的压电振子,并将其尾鳍设计成柔性叶片状。分析了压电双晶片结构悬臂梁的受力变形、模态振型在机电转换效率方面的关系。研制了泵的样机并测量了激励电压在100 V时泵的流量。实验结果表明:振子工作在1阶振型时,泵水效应不明显;振子工作在2阶振型时,谐振频率为740 Hz,泵的流量为266 mL/min;振子工作在3阶振型时,谐振频率为1 280 Hz,泵的流量为105 mL/min。     

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.     

基于能量法的双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数分析

针对双晶压电悬臂梁发电装置机电两类能量通过压电效应耦合强弱的问题,将能量法应用到双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数的分析中。开展了双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数的理论分析,并建立了其与双晶压电悬臂梁发电装置尺寸参数和材料特性之间的关系,对双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数与其尺寸参数和材料特性的关系模型进行了实验验证和数值模拟。研究结果表明,实验值与理论解有较好的一致性,且都在压电片厚度为0.25 mm时开路电压最大,验证了该理论模型的可靠性。此外,随着压电梁厚度比的不断增大,其机电耦合系数单调递增;同时,较大的弹性模量比有利于压电梁机电耦合系数的提高,且相对于钢弹性基片,铍青铜弹性基片更有利于压电梁机电耦合系数的提高。     

微型压电泵中腔高对气泡滞留的影响规律

气泡滞留会严重地损害微型压电泵的输出性能,因此减少气泡滞留将有效地提高压电泵系统的稳定性和可靠性。泵腔作为气泡滞留的主要区域,同时是决定输出性能的重要元素,所以改变腔高将对气泡滞留产生重要的影响。本文从气泡压力降和输出压力两个方面建立数学模型,以此分析腔高对气泡滞留的影响规律,最后通过气泡滞留实验进行验证。实验结果表明,腔高为0.15mm时,压电泵具有优良的输出性能和排气泡能力,在进入120个0.02mL气泡后,压电泵仍具有稳定的输出压力(8.1kPa)和输出流量(4.2mL/min);腔高为0.05mm和0.20mm时,压电泵在进入一个气泡后即丧失了工作能力,排气泡能力差,而腔高为0mm和0.10mm时,压电泵分别进入47和70个气泡后丧失了工作能力。实验表明选取合理的腔高可以有效地减少气泡的滞留。     

悬臂梁单晶压电发电机的实验研究

建立了悬臂梁单晶压电振子的发电测试系统,对压电晶体与磷青铜基板材料的厚度比对单晶压电振子输出电压的影响进行了有限元分析,得出了压电晶体与磷青铜基板材料的最佳厚度比并进行了实验验证,同时对具有最佳厚度比的单晶压电振子进行了压电发电能力测试。研究结果表明,当压电晶体与磷青铜金属基板的最佳厚度比为0.5,单晶压电振子的输出电压最大,有限元分析与实验结果基本吻合。单晶压电振子输出电压随着负载的增大而随之增大,而输出功率并不随负载的增大而增大。压电振子存在一个最佳负载,当负载与压电振子内阻匹配时,此时的输出功率最大,能量转化效率最高。单晶压电振子在负载为50 时,输出电压最大可达5.4 ;当负载电阻为 时,负载与压电振子内阻匹配较好,输出功率达到最大为1.18 ,产生的能量能满足网络传感器等低耗能电子产品的供能需求。     

双作用压电泵绝缘压电振子的研究

为了提高压电泵的工作效率,提出了对压电泵中的动力元件-压电振子进行特殊绝缘处理,使压电振子在两个方向弯曲变形时都可以形成输出工作能力,即双面作用的绝缘压电振子。阐述了由一个绝缘压电振子形成两个工作腔体的双作用压电泵结构。根据小挠度弹性弯曲理论导出了绝缘圆形复合压电振子的弹性曲面微分方程,阐述了绝缘处理方案和过程,并对其绝缘特性进行分析。对绝缘压电振子进行了实验测试,实验结果表明：双作用绝缘压电振子不仅具有绝缘特性,而且具有良好的韧性和强度;其击穿电压比未绝缘处理压电振子的击穿电压提高了20～30V。为相关产品开发和科研提供了一种新型双面作用的压电驱动元件。     

Performance analysis of piezoelectric bimorph generator

In this paper, the theoretical model and simulation of the performance of a piezoelectric (PZT) bimorph generator is introduced. The generator consists of two piezoelectric plates bonded on a substrate metal plate. For an effective electromechanical coupling coefficient (EECC) and the generated energy, the analytical formulae are established with the thickness ratio and the Young’s modulus ratio as variables. After giving correlative material parameters, the EECC and generated energy can be computed. The results show that there is a optimal thickness ratio for a piezoelectric bimorph generator to achieve the maximum EECC and electrical energy. The EECC and generated energy decrease with an increase of the Young’s modulus ratio. In addition, the influence of mechanical source on electrical energy generation and power output is also considered.     

Performance analysis of piezoelectric bimorph generator

In this paper, the theoretical model and simulation of the performance of a piezoelectric (PZT) bimorph generator is introduced. The generator consists of two piezoelectric plates bonded on a substrate metal plate. For an effective electromechanical coupling coefficient (EECC) and the generated energy, the analytical formulae are established with the thickness ratio and the Young’s modulus ratio as variables. After giving correlative material parameters, the EECC and generated energy can be computed. The results show that there is a optimal thickness ratio for a piezoelectric bimorph generator to achieve the maximum EECC and electrical energy. The EECC and generated energy decrease with an increase of the Young’s modulus ratio. In addition, the influence of mechanical source on electrical energy generation and power output is also considered.     

泵用压电振子动态特性的研究

为了提高压电泵的效率、优化压电泵的结构,对泵用压电振子的动态特性进行了研究。介绍了一种新型压电泵——Y形流管无阀压电泵的结构和工作原理;对Y形流管无阀压电泵压电振子的振动状态进行了理论分析,得到了压电振子的固有频率及最大振幅的理论计算公式,并证明了理论分析结果的正确性;根据理论分析结果,对压电振子几何参数和基底层材料对其振动特性的影响进行了分析讨论。分析结果表明：压电振子的PZT层与基底层的直径比应在0.75左右,厚度比应小于1;基底层材料对频率影响较大,但对最大振幅影响较小。