基于激光多普勒技术的PZT薄膜压电性能测试研究

应用基于激光多普勒技术的微小形变分析方法,并引入数字锁相技术,成功实现了PZT(Pb(Zr,Ti)O₃)铁电薄膜的压电性能测试。对商用压电陶瓷在小信号激励下的压电性能测试表明,数字锁相技术的引入能有效抑制系统噪声,并提高激光多普勒系统的位移检测分辨率,使其达到皮米量级。此外,研究了用溶胶-凝胶技术和溶胶-电雾化技术制备得到的PZT薄膜的电压-位移曲线和压电位移"蝴蝶线",实验结果表明:在5 V直流偏置下测得两种方法制备得到的PZT薄膜的d₃₃压电系数分别为218.7 pC/N和215.8 pC/N,相应的标准偏差分别为12.7和28.6。     

毫米级微型机器人操作手的研制和操作特性

采用单晶片型压电悬臂梁制作了一种双悬臂梁结构的微型夹持器,用作毫米级微型机器人的微操作手.该微夹持器整体尺寸为15mm×2mm×2mm,重量为100mg.在分析该悬臂梁操作原理的基础上,选用PbNi_1/3Nb_2/3-PbZrO₃-PbTiO₃三元系压电陶瓷准同型相界的配方作为悬臂梁压电驱动材料,这种压电陶瓷具有高压电常数 (d₃₁) 和机电耦合系数 (K_p).进一步研究了压电微夹持器的操作特性.结果表明:50V电场下,其最大张口距离可以达到40μm,最大夹持力为25.7×10^-3N.     

厚度效应对Pb(Zr0.53Ti0.47)O3薄膜微结构、铁电、介电性能的影响

用改进的溶胶-凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO₂/Si(100)衬底上制备了不同厚度的高度(111)取向的Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O₃薄膜.运用X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)分析了薄膜的微结构,原子力显微镜表明厚度为0.3μm和0.56μm的PZT薄膜的晶粒尺寸和表面粗糙度分别为0.2～0.3μm、2～3μm和0.92nm、34nm.0.3μm和0.56μm PZT薄膜的剩余极化(Pr)和矫顽场(Ec)分别为32.2μC/²、79.9kV/cm, 27.7μC/cm²、54.4kV/cm;在频率100KHz时,薄膜的介电常数和介电损耗分别为539、0.066,821、0.029.     

波导式偏振调制测距系统

为消除体相位调制器工作过程中热效应对偏振调制测距精度的影响,提出了利用波导式相位调制器替代体相位调制器的全光纤波导式偏振调制测距方法.对波导式偏振调制测距系统进行原理分析,利用琼斯矩阵得出传输过程中测量光偏振态的变化规律,建立调制信号频率、偏振光强度与被测距离的函数关系.然后,进行了直波导相位调制器特性测试,验证其半波...     

压电陶瓷粉含量及表面附着微粒对0-3型压电复合材料性能的影响

以超声清洗前后的PbZr_(0.49)Ti_(0.51)O_3(PZT)压电陶瓷粉与聚偏二氟乙烯(PVDF)为原料,采用流延法制备了不同陶瓷粉含量的0-3型PZT/PVDF压电复合材料,研究了陶瓷粉含量及表面附着微粒对压电复合材料性能的影响。结果表明:未超声清洗的陶瓷颗粒表面附着有陶瓷微粒,超声清理后陶瓷微粒基本被去除;压电复合材料的相对介电常数和压电常数均随陶瓷粉含量的增加而增大;陶瓷颗粒表面无附着微粒时所得压电复合材料的相对介电常数和压电常数均高于表面有附着微粒的,且相对介电常数差值和压电常数差值均随陶瓷粉含量的增加而增大。     

MEMS兼容PZT压电厚膜的性能测试

丝网印刷法制备PZT厚膜工艺与MEMS技术兼容.通过调整PZT印刷浆料粘度,并采取多次套印、多次退火及合理的烧结工艺,在硅膜片上获得了较致密的PZT厚膜.采用悬臂梁方法对制备的Ag/PZT/SiO2/n+Si结构复合压电厚膜进行了直接测试,结果表明PZT压电厚膜的压电常数d31可达70×10-12m/V,以此方法制备的压电厚膜适合作为MEMS执行器的微驱动元件.     

光谱吸收型光纤多气体传感系统

基于气体的近红外吸收机理，研究了一种可以检测多种气体的全光纤传感方法，采用光纤光栅波分复用技术．通过光纤光栅和压电陶瓷（PZT）对宽带光源LED进行波长调制，获得与相应气体吸收峰相对应的窄带反射出射光，检测二次谐波，实现对多种气体的较高灵敏度测量。利用二次谐波与光纤光栅透射光强的比值来消除光路干扰。建立了谐波检测的数学模型，进行了光纤C2H2和CO气体测量系统的实验研究。     

超声调制电加工振动系统研制及试验

根据超声调制电加工振动系统对换能器的要求,设计PZT陶瓷片组合的压电换能器,利用ANSYS分析换能器、变幅杆及工具电极的频率、振幅等参数变化规律;进行变幅杆与工具电极设计,利用数控车削、微细放电及微细线切割制作变幅杆与工具电极;通过超声振动系统的振动特性测试,验证超声振动系统的稳定性及工具电极设计的合理性;进行多种微结构超声调制电加工试验,验证超声电加工系统的可靠性及在微结构加工中精度好、效率高的技术优势。     

双压电薄膜管道微机器人的功耗分析及电路优化设计

研究了PZT双压电薄膜管道微机器人的功率消耗,推导出其功耗计算公式S=Kfcv²,指出微机器人功耗与驱动电压幅值平方成正比,与驱动电压的频率成正比,与微机器人的电容成正比.优化设计了微机器人的驱动电路,使得其在驱动电压幅值不变的情况下,大幅度提高运动速度.通过实验验证此结论.以上分析研究是此类微机器人无缆化设计的理论基础.     

磁悬浮平台系统的机电耦合动力学模型及稳定性分析

给出了系统完整的机电耦合动力学模型。利用拉格朗日方程建立了系统的力学模型,考虑了平台各个电磁力之间的耦合以及传感器组的几何中心与平台质心不重合带来的耦合效应;基于PID控制理论建立了平台控制系统的微分方程,分析了传感器与控制磁极非共点安装产生的耦合影响。最后,基于系统的机电耦合动力学模型,进行了平台运动稳定性分析,得到了平台实现稳定悬浮时控制参数的选择范围,垂直方向:0.3＜K_p＜141.5,0＜K_d＜0.052,水平方向:0.3＜K_p＜77.4,0.001＜K_d＜0.038。实验结果表明,控制参数选择范围准确,稳定悬浮时平台具有良好的动、静态性能。     

全光纤结构的石墨烯电吸收调制器

利用石墨烯优越的光学性能,构建了基于全光纤结构的石墨烯电吸收调制器。设计了调制器的结构,并进行了仿真和实验双重研究。首先,根据石墨烯的光学可调特性研究了其化学势和介电常数之间的关系。接着,基于全光纤结构设计了石墨烯电吸收调制器,并分析了它的整体有效折射率和化学势的变化关系。对提出的光纤石墨烯调制器进行仿真分析,并与传统半导体电吸收调制器进行对比,实现了一个全光纤结构的石墨烯调制器。对实现的调制器进行了系统的性能测试。结果显示:仿真的四层石墨烯的全光纤电吸收调制器的调制效率可以达到0.233dB/mm,在12.9mm的长度上可实现0.2V的摆动电压。实验测试验证了提出的全光纤石墨烯调制器的可行性;但受实验条件的限制,其半波电压约为120V,3dB调制器带宽为100 MHz。与传统石墨烯波导调制器相比,提出的调制器显示了半波电压小,调制效率高,尺寸小,同时具有低的插入损耗低等优势,适合在未来全光纤RoF系统应用。     

Design of a piezoelectric transducer cylindrical phase modulator for simulating acoustic emission signals

To conveniently carry out the pipeline leak experiment in a laboratory, leak acoustic signals are simulated by using the converse piezoelectric effect of a piezoelectric transducer (PZT) cylindrical phase modulator. On the basis of the piezoelectric equations and electromechanical equivalence principle, the transfer function of a PZT cylindrical phase modulator is delivered. A PZT cylindrical phase modulator is designed, and the numerical simulation is conducted. Results prove that the PZT cylindrical phase modulator can effectively simulate leak acoustic emission signals when the frequency is lower than 25 KHz. __________ Translated from Journal of Beijing University of Technology, 2006, 32(8): 683–687 [译自: 北京工业大学学报]     

Cymbal型压电发电装置等效压电常数分析

压电发电工作于低频时所收集的能量与其等效压电常数和等效电压常数的乘积成正比。为了研究Cymbal型压电发电装置的等效压电常数,建立了Cymbal型压电发电装置的三维有限元分析模型,并分析得出了等效压电常数计算公式;详细地分析了Cymbal型发电装置中金属帽的材料和厚度、金属腔底端直径和顶端直径、金属腔高度、压电陶瓷片厚度等因素对等效压电常数的影响,并给出了等效压电常数的优化准则。试验结果表明,经优化后可获得的等效压电常数大约相当于压电陶瓷本身的60倍。     

压电智能悬臂梁的压电片位置、尺寸及控制融合优化设计

对压电智能悬臂梁振动控制中的压电片的位置、尺寸及其控制参数进行研究.在对压电片和基板的耦合特性进行分析的基础上,建立智能悬臂梁的压电传感、致动方程及基于闭环控制系统的状态方程,并以系统的存留能量作为目标函数,建立压电智能悬臂梁压电片的位置、尺寸和控制参数的优化模型及一阶灵敏度分析表达式,并采用移动渐进线法(Method of moving asymptotes,MMA)对模型进行求解.采用Simulink对优化结果的动态响应特性进行仿真分析,仿真结果表明,采用提出的优化模型及算法对悬臂梁压电片的位置、尺寸和控制参数进行优化是合理的.     

Design and characterization of a PZT driven micromachining tool based on single-point tool tip geometry

This paper presents the design and characterization of a piezoelectric tube scanner (PZT) driven micromachining tool that is based on single-point tool tip geometries. The cutting module is made of a diamond stylus, which is known as the hardest material available. Therefore, this tool can be used to machine a wide range of materials ranging from polymers, through metals to glass. The microscopic cutting motion is achieved by using a piezo tube scanner as an actuator. The tool tip is attached to the free end of the PZT while the other end is firmly held stationary. By applying sinusoidal waveforms with different phase angles to the x and y electrodes of the PZT, the micro orbital motion of the diamond tip can be generated for machining purposes. This paper details the design of the tool and reports on its dynamic behavior in both short- and long-term experiments.     

一种新型PZT压薄膜应力传感器的设计仿真

针对目前应力传感器不能兼顾柔性、动态测量及无法测量曲面接触应力特征信息等难题,设计了一种新型的PZT压电薄膜柔性应力传感器。主要有由PZT压电薄膜、导线、特殊的压敏涂层等构成。传感器的受力信息可以通过检测PZT压电薄膜传感器的电荷变化来获取,可应用于测量各种接触面之间的应力。为研究测量轮胎路面等具有复杂曲面接触结构的应力分布提供了新的思路和方法,分析了压电传式感器的工作原理,压电薄膜的传感特性,建立有限元分析模型,进行仿真分析,结果表明该传感器结构简单、体积小,相对于传统测量方法更加可靠,适用于曲面应力的测量。     

基于正弦相位调制的光纤干涉位移测量系统研究

针对全光纤干涉仪工作距离短、测量范围小等问题,提出了一种基于正弦相位调制的全光纤干涉系统,在参考臂通过电光调制器引入的调制参考光,与探头接收到的目标反射光产生干涉。根据锁相放大原理从干涉信号中提取出正交分量后,首先建立由正交分量构成的观测模型,通过卡尔曼滤波对正交分量的幅值和偏置进行迭代估计和修正,降低由相位延迟、调制深度漂移、寄生干扰等导致的幅值漂移和附加偏置;然后利用反正切法对反射光与参考光之间的相位差进行解调。开展了模拟干涉信号的相位解算仿真模拟和位移测量实验。仿真和实验验证了该算法解算相位的有效性。结果表明,该位移测量系统的工作距离可达到20 cm,测量精度为10 nm。     

抗振型移相干涉仪中PZT移相器的改进

结合移相式干涉仪主动抗振技术,提出对普通PZT光学移相器进行机械结构的优化,改善其机械响应性能并保证有足够的位移量.作为机电反馈式干涉仪抗振系统的核心部件,改进后的PZT构件用于干涉仪的移相驱动,同时又用作光学相位调制器和振动补偿器.经移相干涉仪的在线测量,PZT移相器达到了1 000 Hz(振动幅度为λ/2)以上的时间响应速度并获得了6 μm左右的位移量,满足了干涉抗振系统的需要.     

Ansys在PZT压电薄膜微传感器压电分析中的应用

研究的PZT压电薄膜微传感器采用的弹性敏感元件为微悬臂梁结构,在压电原理和材料力学理论的基础上,采用简化的等效微器件结构建立了数学分析模型,将有限元方法发展应用于压电材料的结构分析中,并运用有限元软件Ansys7.0对PZT压电薄膜微悬臂梁结构的传感性能和线性度进行了模拟,同时分析了微悬臂梁结构的几何参数对输出电压的影响,这些分析结果和解析预测是一致的。     

Vibration control efficiency of piezoelectric shunt damping system

The piezoelectric shunt damping technique based on the direct piezoelectric effect has been known as a simple, low-lost, lightweight, and easy to implement method for passive damping control of structural vibration. In this technique, a piezoelectric material is used to transform mechanical energy to electrical energy. When applying the piezoelectric shunt damping technique to passively control structural vibration, the piezoelectric materials must be bonded on or embedded in host structure where large strain is induced during vibration, thus to ensure vibrational mechanical energy to be transformed into electrical energy as much as possible. In this paper, the concept of vibration control efficiency of a piezoelectric shunt damping system is proposed and studied theoretically and experimentally. In the study, PZT patches are used as energy converter, and the vibration control efficiency is expressed by the vibration reduction rate per area of the PZT patches. Emphasis is laid on the effect of the generalized electromechanical coupling coefficient K ₃₁ on the vibration control efficiency. Four PZT patches with different sizes are bonded on the geometrical central area of four similar clamped aluminum plates, respectively, and vibration control experiments are conducted for these plates using the R-L shunt circuit. The results indicate that the bigger the coupling coefficient K ₃₁, the larger the rate of vibration reduction, and hence, the higher the vibration control efficiency. It also shows that the vibration responses of the first mode of the plates bonded with different PZT patches can be reduced by about 30.5%, 48.58%, 85.47%, and 89.91%, respectively. It comes to a conclusion that the vibration control efficiency of the piezoelectric shunt damping system decreases with the increase of the area of the PZT patch, whereas the vibration reduction of the plate increases with the area of the PZT patch. Therefore, it is necessary to make topology optimization for the PZT patch in the vibration control utilizing the piezoelectric shunt damping technique.