基于分时复用压电自感知执行器的悬臂梁振动主动控制研究

提出了使压电陶瓷传感器在采样间隔内作执行器、并应用于振动主动控制的方法。一个传感执行周期包含传感时隙、执行时隙和放电时隙,依次进行振动测量、振动控制和释放残留电荷。由时序电路控制三个时隙的切换,论述了时序设计和开关选取等技术细节。实验证明了传感功能和执行功能在时间上的切换不影响压电元件的传感效果,执行能力取决于执行时隙与传感执行周期之比。在对悬臂梁进行模态分析的基础上,采用独立模态控制和线性二次型最优控制算法,将分时复用的压电传感器和执行器用于悬臂梁一阶模态的振动主动控制,结果表明控制后悬臂梁的振动衰减时间缩短为控制前的20％。     

PNN-PZT系FGM压电陶瓷的性能及执行器的设计与研制

阐明了FGM(Functionally Gradient Materials)压电执行器和FGM压电超声马达所用FGM压电陶瓷应具备的特性。系统地分析了Pb(Ni_(1/3)Nb_(2/3))O_3-Pb(ZrTi)O_3(PNN-PZT)三元系陶瓷的介电和压电性能,探讨了F_R F_T结构相变对材料的介电及压电性能的影响,提出PNN-PZT三元系陶瓷是一种能综合满足FGM压电执行器及超声马达性能要求的优良材料。深入地研究了PNN-PZT三元系陶瓷的Bi、Zn掺杂改性规律。论述了FGM压电执行器的结构及工作原理,推导出FGM压电执行器自由端弯曲位移的理论计算公式,并确定了FGM夹层优化的电性能梯度化指数。采用粉末冶金法成功地研制出PNN-PZT系FGM压电陶瓷执行器,并测量了弯曲位移特性。执行器剖面SFM形貌观察和EDAX组分分析表明,压电层、FGM层(中间夹层)及介电层的平均晶粒尺寸呈梯度增大,Ni、Ti组分在夹层区域近似线性逆向梯度分布,Nb、Zr组分分布具有相同的变化规律。采用“薄板扩散叠加”模型,对PNN-PZT系FGM压电材料扩散离子的浓度分布进行了计算机数值模似,其结果与EPMA实验吻合。确定了扩散层厚度随扩散温度和时间的变化规律。估算了离子的扩散系数及表现激活能,并从结晶化学的观点对离子的扩散系数与表观激活能的差别进行了解释。     

CFRP筋的自感知特性试验研究

CFRP筋的高强、轻质、耐腐蚀等特性使其具有作为结构材料的优良性能,同时它又具有功能材料的自感知特性.本文对我们研制开发的3种不同纤维含量的CFRP(碳纤维的含量分别为54%、60%、65%)筋进行了常温拉伸比较试验.电阻信号采集采用基于ADAM-4018的智能采集模块,这种采集模块具有更高的精确度,可以得到更加准确的测试结果.结果表明CFRP筋的材料性能服从虎克定律,材料不发生塑性变形,是一种脆性材料;CFRP筋在拉伸荷载下的电阻变化很明显,具有很好的自感知性能,电阻基本上呈线性增加,变化率可以达到100%～150%,随着纤维含量的增加,CFRP筋的电阻变化率呈下降趋势.     

利用压电自传感驱动器进行裂纹钢梁损伤识别的实验研究

压电陶瓷是一种智能材料，可以在结构健康监测系统中同时用作传感器和驱动器。基于压电阻抗的损伤识别技术的基本原理，对裂纹钢梁进行了损伤识别和定位的实验研究。将三片压电陶瓷（PZT）粘贴在钢梁表面的不同部位作为驱动器和传感器，通过测量梁损伤前后压电陶瓷片的电阻抗变化来识别梁中的裂纹损伤。从导纳（阻抗的倒数）幅值谱曲线中提取裂纹梁的反谐振频率，通过比较各压电片位置的反谐振频率变化识别了裂纹位置；同时比较不同损伤工况下的反谐振频率变化定性地识别裂纹梁结构的损伤程度。     

PMMN四元系压电陶瓷结构与性能的研究

用ＰｂＯ、ＺｒＯ＿２、ＴｉＯ＿２等原料经固相反应烧结制备了ＰＺＴ基四元系压电陶瓷。ＸＲＤ、ＳＥＭ及密度测试表明，材料主晶相为四方晶系的Ｐ４ｍｍ群，烧结致密度较好。极化后的性能测试表明，材料具有高介电系数（ε＿ｒ＝２０１５），压电系数（ｄ＿（３３）＝５７８×１０￣（－１２）Ｃ／Ｎ），机电耦合系数（Ｋ＿（３３）＝０．８１）和良好的机械品质因数（Ｑ＿ｍ＝５４３．８），是压电高压装置的理想材料。     

压电执行器改进Bouc-Wen模型及其定位补偿控制研究EI北大核心CSCD

针对多数迟滞模型无法描述压电陶瓷执行器(piezoelectric actuator,PEA)的非对称、率相关迟滞非线性,提出一种改进Bouc-Wen(improved Bouc-Wen,IBW)模型并基于提出的IBW模型对其补偿控制进行试验研究。首先,基于传统Bouc-Wen(classical Bouc-Wen,CBW)迟滞模型引入两项非对称项并引入二阶IIR滤波器以精确描述压电陶瓷执行器的迟滞非线性,进一步分析了模型参数值与频率变化规律并修正率相关参数。然后,搭建基于NI CompactRIO测控系统压电陶瓷执行器精密定位试验平台,对提出的IBW模型进行了试验验证并基于IBW模型对其补偿控制进行了试验研究。试验结果表明:IBW模型性能显著优于传统Bouc-Wen模型和增强型Bouc-Wen(enhanced Bouc-Wen,EBW)模型,对于激励频率10~100 Hz多频正弦信号,IBW模型均方根误差相较于CBW模型和EBW模型分别下降了82.07%和62.10%,试验中压电陶瓷执行器实测最大输出位移6.15μm,基于IBW模型所提出复合补偿控制均方根误差为0.039μm,仅为最大输出位移的0.64%,最大跟踪误差仅为0.153μm。若忽略测量噪声,定位误差接近于零,说明所提出的IBW模型及其补偿控制算法有助于实现压电陶瓷执行器的高速、宽频超精密定位及主动振动控制。     

开封空分与西安交大研发超大型空分装置

河南开封空分集团有限公司、西安交通大学日前签订合作研发合同,将共同完成8万~10万m3/h氧气超大型空分设备先进装备技术研究与开发项目。     

空分装置氩气回收器的研究

氩气广泛应用于工业生产领域,在大气当中含量较少,一般通过深冷分离获得。氩气在应用过程中先将液氩产品贮存在低温贮槽内,然后通过液体泵或自增压加压气化后使用。由于低温贮槽与环境存在换热,导致部分氩气泄漏,造成了一定量的损失。为了回收这部分泄漏的氩气,研发了氩气回收器,其通过液氮冷源将贮槽蒸发氩气液化回收,然后再回到贮槽,实现了最大限度地提高氩的利用率目的,发挥较大的经济效益。     

甲烷气体多点光纤传感系统的研究

基于气体在其特征吸收波长下光的吸收随浓度变化的机理和空分复用技术,复用多个气体吸收型光纤传感器,并通过谐波检测技术对微弱信号进行处理,设计了一套甲烷气体多点光纤传感系统。研究表明,该传感器的精确度为 5ppm,精确度和稳定性均可满足实际要求,仪器可在多场合进行多点在线测量。     

六千等级空分装置改造设计与总结

介绍用先进设计理念对八十年代技术的六千等级空分进行技术改造的实例,通过改造前分析,改造措施的提出及改造设计实施过程中的难点分析了解整个改造设计过程,并最终通过实际运用,使改造后的装置在产品指标达标的同时达到技术先进、投资合理、节能降耗的要求。     

一次逆、二次正压电效应在自感知执行器上的应用

提出利用一次逆、二次正压电效应为同一压电体内的双向效应原理,进行传感器与执行器集成一体化——自感知执行器的研究.即利用一次逆压电效应输出一个微位移,作为执行器使用;利用二次正压电效应的输出电荷自感知执行器的输出位移,作为传感器使用.在准静态（电压0～50V）和低频（电压100V,频率10Hz）条件下,分别进行了一次逆压电效应输出位移、二次正压电效应输出电压的实验,并将得到的数据进行归一化处理.实验结果表明,通过测量二次正压电效应产生的电荷能够较好地自感知一次逆压电效应产生的位移.     

书本式压电作动器的特性分析

在考虑粘接层影响的情形下，利用层合梁理论导出了柱形弯曲书本式压电作动器的作动力以及机电耦合系数的数学表达式，并通过数值仿真分析揭示了机电耦合系数与压电层层数、压电层厚度以及粘接层厚度间的关系。这些结果为书本式压电作动器的结构综合优化设计提供了理论基础。     

高控位精度横向模压电微位移器的研究

介绍了d31横向伸缩模式压电徽位移驱动器的制作过程,应用高稳定的填满钨青铜型压电陶瓷作为该器件制备的基料,利用P-F干涉仪原理测量了电场-位移特性曲线,由此计算了压电常数d31并进行了讨论。该器件具有电控应变(位移)线性度高、滞后量小以及结构简单、制作工艺方便等特点,它在精密光学等技术领域有一定应用价值。     

Thin-Film Piezoelectric Actuators of Nonuniform Thickness and Nonhomogeneous Material Properties for Modulating Actuation Stress

The effects of the thickness variation and the material property variation of thin-film piezoelectric actuators on the actuation shear stress when the actuators are attached to an elastic plate are studied. A system of 2D equations for the flexure and shear of an elastic plate with symmetric piezoelectric actuators on the plate surfaces is derived. The equations are reduced to the case of elementary flexure without shear as a special case. The effects of the actuator thickness variation and material property variation on the actuation stress are examined using the equations obtained. It is shown that the distribution of the actuation stress depends on the thickness and material property variations of the actuators, and that actuators with varying thickness or varying material properties can be used to make modal actuators for producing a particular deformation or exciting a particular vibration mode.     

电液伺服阀用压电弯曲元件特性的实验研究

研制了一种压电弯曲元件型压电驱动器,该驱动器用于电液伺服阀的电-机械转换器.压电驱动器由三层结构构建,其中中间弹性层为铍青铜,在铍青铜的上下表面各粘接一片压电晶片,材料为PZT-5H.利用激光测微仪LC-2400A及LV-1610对压电驱动器的输出位移、位移滞环及谐振频率进行了实验测量,分析了压电驱动器尺寸与其特性之间的关系.实验结果表明,该驱动器满足所设计电液伺服阀的性能要求.     

新型压电式直线驱动器的研究

介绍了采用带压电元件、圆弧缺口杠杆和双平行四边形弹簧的多级放大一体化结构的新型压电式直线驱动器的研究。实验表明：该直线驱动器的最大行程为４００μｍ，最大输出力为５０Ｎ，可控精度小于０．５μｍ，频带宽为１００Ｈｚ，动作频率为５０Ｈｚ（对应最大行程）。该直线驱动器的特点是驱动力大、可控精度高、响应快、可直接用于ＮＣ机床、机器人装配、活塞加工数控系统的精密直接驱动。     

PLZT压电陶瓷的高温还原行为研究

为研制具有超大位移的RAINBOW压电驱动器,实验研究了制备该器件的PLZT压电陶瓷的高温还原行为.采用XRD,SEM等方法研究了还原样品的物相组成及其微观结构,对PLZT在高温下被石墨还原的过程和机理作了解释.研究表明,PLZT具有较好的还原性能,还原层厚度与时间有线性关系,理想的还原条件为:950℃保温1～1.5h;还原样品有明显的分层结构,还原层表现出穿晶断裂而未还原层则是沿晶断裂的特征;还原层主要由金属Pb及PbO,ZrO2,TiO2等氧化物组成,原先的晶体结构已不存在.     

电磁辅助压电致动器设计开发与性能测试研究

传统的压电致动器,受限于压电致动的小行程,通常只能测量较小的范围。研发了一种电磁辅助压电致动器,同时具备电磁式致动器长行程与压电式致动器高分辨率的特点,该致动器包含可动件、导引槽、挠性件、电磁铁、压电元件以及控制电路。首先调整挠性可调预压装置并设定电磁铁电流,使得电磁致动力处于最大静摩擦力与动摩擦力之间;再利用压电组件所产生的微震动,控制可动件与导引槽之间的接触情况在静摩擦与动摩擦之间切换,从而完成长行程(10mm)且高分辨率(1.5μm)的往复运动。实验结果表明该致动器具备出色的定位能力。     

逆压电效应的压电常数和压电陶瓷微位移驱动器

本文介绍了由过压电效应的应变-电场曲线测得弱场和强场下的压电常数d₃₃、d₃₁．测量发现S～E曲线上呈现应变和压电系数突增的阈值场强E_b,用铁电陶瓷固有的90°畴转向对应变的贡献进行了分析和讨论．该方法与以往常用的正压电效应的压电常数测试相比,方便、简单,尤其对过压电效应的压电微位移驱动器应用更具有实际意义．