[00119559]压电流体惯性驱动器的基础理论及关键技术研究

压电材料因其制作简单、成本低、换能效率高、响应速度快、无电磁干扰等优点广泛应用于智能传感与精密驱动领域,基于压电材料的精密驱动器与能量采集器以其优越的性能在国民经济和国防工业中发挥着独特作用。目前,压电器件正在经历一个蓬勃发展时期!5G通信、个人语音助手、消费类可穿戴设备、指纹识别和医疗设备对智能传感和控制技术具有巨大需求。据麦姆斯咨询报道,2018年全球压电器件市场规模为238亿美元,预计从2020年289亿美元增长到2025年的347亿美元,2020~2025年期间的复合年增长率（CAGR）为3.7%,展示了压电传感/驱动器件的光明前景。然而,随着航空航天、生物工程、精密制造、物联网、机器人、可穿戴健康医疗等领域的持续革新对压电传感与驱动器的小型化、低功耗、灵敏度、兼容性等关键特性提出了新的要求,目前已有的压电精密驱动器与能量采集器还不能完全满足要求。本研究聚焦柔性电子创新链的瓶颈——关键器件,突破压电自驱动传感器环境振动俘能、压电精密驱动器驱控一体化等关键技术,开发适用于柔性电子设备的压电智能驱动器件和能量采集器件。具体内容为： ①提出一种新型压电流体惯性驱动技术的研究思路。该驱动技术结合了压电惯性驱动技术与压电流体驱动技术的特点,形成高频、低压电信号输入转换为低速/低频、高驱动力/压力、精密位移/流体输出的方案,探讨这种驱动能力的形成理论和方法,进而构造驱动能力强、能量转换率高、大行程且易于控制的新型压电流体惯性驱动器,用于航空航天、燃料电池燃料供给、药物输送等领域。 ②提出将压电材料正/逆压电效应相结合同步实现流体的驱动、流体输出压力/流量自动检测（自感知）以及压电振子驱动电压频率自动生成（自激励）的新方法,进而构造一种体积小、精度高、可控性好、自适应性强且输出流量/压力自感知和工作频率自动生成的自感知/自激励压电泵,用于药品输送、燃料电池、微量化学分析等领域。 ③提出通过压电流体耦合作用同步实现发电与振动控制,研究这种半被动振动控制能力的形成理论与方法,进而构造体积小、结构紧凑、强度高、通用性强且能量自给的微小型压电液压振动控制器（包括隔振器和阻尼器）,用于航空航天、行走机械等非结构环境的振动控制。 存在的问题：① 压电惯性流体驱动器是一个复杂的压电耦合与流固耦合系统,且液体具有可压缩性、粘弹性、吸振性,提高机械单元响应特性是提高压电流体惯性驱动器输出性能的前提保障。研究中经过反复的理论建模仿真与试验测试,获得压电振子、流体、载荷间的作用规律,使所建立的理论分析模型与实际系统相吻合。②设计驱动控制系统实现压电泵始终工作在谐振状态。谐振型压电泵工作在谐振状态,激励信号的频率恒定,但工作时间及环境影响电子元件特性会发生变化致使驱动信号的频率出现偏移,导致压电泵工作性能下降,所以设计驱动控制系统使信号频率稳定是难点。③提出谐振型压电泵研究方案,在频率-流量-压力三者达到协同优化时,实现大流量、高压力流体输出。分析谐振机理及泵频率-流量-压力耦合作用效应机理,如何找出三者之间优化的平衡点为目标,最终实现高压力大流量流体泵送是关键问题,同时也是需要解决的难点。