秸稈撿拾打捆機引針架機構與活塞止動機構設計含18張CAD圖,秸稈,撿拾,打捆,機引針架,機構,活塞,設計,18,cad CYMBAL機電換能器 摘要：一種新型命名為"cymbal"的換能器已經出現了，它擁有更大的位移、更大的激振力以及更加經濟有效的制造成本。cymbal換能器由夾在兩片金屬端帽之間的壓電陶瓷片構成，即可用于傳感器又可發(fā)生器。相同尺寸壓電陶瓷片的cymbal發(fā)生器能產生大約40倍于普通的換能器的位移。 1、簡介 本文描述一種新型復合換能器，"cymbal",它有更大的位移和相當高的激振力。以下將描述直徑為12.7mm、總高2mm的振子的設計和結構，以及位移、激振力和最快響應時間。cymbal振子是第二代月牙形復合換能器，通過有限元分析以及經驗發(fā)展而來。在最初的月牙形構想中，位移由金屬端帽的彎曲運動產生。但是，對cymbal換能器來說，位移則是彎曲和旋轉的復合運動產生。而且，端帽通過沖壓金屬薄板就能容易得到。cymbal復合振子將在本文中與其他換能器的設計比較討論。 2、制造和布局方法 需要設計一套沖壓模具，以便能以較低的成本、較高的效率制造圓錐形的“cymbal”端帽。通過切割工具鋼可制造出所需的模具，它能沖直徑為12.7mm并且?guī)?.2、直徑為9.0mm的圓錐形空腔。在沖壓成型過程中，也會產生變形。最終的產品需要表面處理來保證粘結質量。cymbal端帽可由0.25mm~0.20mm厚的金屬板制造，不同厚度金屬板的特性見表1。cymbal換能器的基本結構如圖1所示。 A）cymbal振子的位移特性 cymbal端帽被粘結到壓電陶瓷片上，粘結劑為環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂層的厚度大約為20um.在0.1Hz、1kV/mm電場下，用LVDT測量的復合振子的位移大約為0.05um。同樣使用LVDT系統(tǒng)，可以測得在靜載荷條件下的激振力。響應特性包括用HP-4194A計算響應速度和評估粘結層。 圖2表明與早期的cymbal振子（0.2mm厚端帽）相比，位移的位置獨立性。位置獨立的位移是早期月牙形的一個缺點。帶有凹槽的月牙形端帽表明其有更少的位置依賴性。該cymbal設計傳遞一個在端帽中心一個寬的部分偏移量小于1微米均勻的位移。新端帽的大接觸平面設計使得它比將單個振子堆在一起來達到大的位移更加實際。另外，新的堆積結構在軸對稱載荷作用下更加穩(wěn)定。175um的位移值相當于5個cymbal堆積在一起。 圖3表明金屬端帽楊氏模量和陶瓷材料的類型對復合cymbal振子（0.25mm厚端帽）的影響。對于相同的金屬端帽，有位移對陶瓷壓電系數的獨立性。PZT在徑向以及空腔的收縮越大，金屬端帽在軸向的位移也越大。金屬端帽得位移會隨著硬度的增大而變小，這與在端帽的 運動中高的機械損失有關。高硬度金屬的位移大約是低硬度金屬端帽可達到位移量的52-57%，且與陶瓷類型無關。 壓電、電致伸縮轉換類型的電動陶瓷元件在cymbal設計中作為驅動元件。即使線性位移特性，壓電陶瓷cymbal依然顯示高的滯后現象。通過使用PMN-FT類型electrosuictive ceever 有電致伸縮驅動元件cymbal振子顯示了非線性位移。這種材料的獨特屬性就是其在集中電場下的測定體積擴展。跟cymbal端帽設計一樣，這種測定體積擴展被轉變?yōu)樨摰妮S向位移。圖4顯示有PNZST驅動元件的cymbal振子的位移滯后現象。 B）最大激振力 黃銅端帽cymbal振子的最大激振力大約是15N。對于cymbal振子來說，端帽材料的彈性是一個關鍵參數，因為端帽在集中力作用下容易像彈簧一樣運動。cymbal振子的作用力范圍與月牙形振子相比要大一些。由于使用了硬質金屬端帽，力的范圍可能明顯地增加。鎢端帽的cymbal振子表現出了一個大于100N的激振力。圖5彈性模量對cymbal振子的位移和激振力性能的影響。 C）cymbal振子最快響應時間 對于振子來說，最快響應時間是一個重要的標準，它可以被定義為到達振子快和精確響應的時間。系統(tǒng)的機械諧振限制了實際的作用域。振子應該用于它們的諧振頻譜的線性范圍內。cymbal振子的最快響應時間由式t=（1/f）來評估，其中f是彈性響應頻率。圖6帶有不同壓電驅動元件的cymbal振子的FRT。在給定的尺度下，cymbal振子最快響應時間大約是50usec。 D）cymbal有效壓電系數 壓電電荷系數是一個材料參數。對于傳感器來說正壓電效應是重要的，而負壓電效應對作動器很重要。由于月牙形和cymbal的復合設計，有效的壓電系數用于區(qū)分材料常數。月牙形和cymbal換能器的壓電系數可用 a modified Berlincourt meter來測量。例如，0.30mm厚的黃銅端帽，大約10,000 pC/N的壓電系數在中心處被測量。月牙形振子端帽下方的空穴在月牙形的特性中扮演一個至關重要的角色。月牙形換能器的壓電電荷系數也顯示了與位移相似的位置依賴性。 用cymbal端帽，壓電系數增加大約60%。直徑12.7mm和總厚1.7mm的cymbal，其有效壓電系數大于在直徑為3mm的cymbal換能器的中心部分的15000pC/N。我們推斷，在月牙形金屬端帽的邊緣附近的厚金屬區(qū)域是一個被動區(qū)域，它不僅不能協(xié)助壓力的傳遞，相反還降低了總的效率。而cymbal端帽能更有效地傳遞壓力，明顯地改善能量傳遞。 4.討論 A.Comparison of the Solid Stale Actuator Designs 各種各樣的固體作動器設計的幾個特點被列出在表11中。由于幾何學和特定應用中的不同操作環(huán)境的差異，比較不同振子是相當困難的。為了作一個公平的比較，每一個振子都被選擇了相似的尺寸，且測量環(huán)境是在表11中指定的那些。有適度激振力和位移值得月牙形cymbal振子填補了多層和雙壓電晶片元件之間的鴻溝。每一個固體作動器的設計具有吸引人的特征，這些特征可以開發(fā)作為特定的應用。月牙形cymbal振子的優(yōu)點是：通過改變空穴尺寸和端帽尺寸，能很容易的得到想要的振子的性能。它的另一優(yōu)點就是制造方便。彩虹形振子也部分地填補了上述鴻溝。對于那種類型的振子，高溫下陶瓷元件的處理期間一個變形階段導致了一個半導體層和應力偏差。即使它表現出了一個彎曲運動，彩虹形可以被分為單晶體或者unimorph振子類。彩虹形的有效耦合因子在理論上依然比月牙形cymbal小。與cymbal相比，高集中場，位置獨立位移和成本是彩虹形振子主要的缺點。在月牙形cymbal振子設計中，多層壓電陶瓷晶片可能被用作驅動元件，這樣就可以降低驅動電壓。在這項研究中，為了研究端帽材料和驅動元件的影響，我們保持尺寸不變。并且，通過縮小結構尺寸達到更高的位移是可能的。以35mm的直徑為例，可達到150um的位移值。cymbal換能器的有限元分析和比例縮放的研究將在其它的出版物中被發(fā)表。 B）cymbal換能器的應用前景 cymbal換能器在汽車工業(yè)中有很大的潛力。在汽車工業(yè)中，它們可以被用作傳感器和振動抑制元件。cymbal振子也可在閥的設計中用作轉換元件。在循環(huán)過程中，在月牙形cymbal換能器內部有一個體積的變化。該體積的改變可在微泵中得到應用。像CD-ROM和磁盤存儲驅動器一樣的高密度存儲驅動器是另外一些可能的應用領域，因為cymbal振子有傳遞精確位置的能力。 由于高的壓電電荷系數，月牙形cymbal換能器可用作水聽器，加速計和氣-聲換能器。在低的頻率下，cymbal加速計比PZT陶瓷有更高的靈敏度。cymbal型水聽器的優(yōu)點就是有非常大的流體動力電荷和電壓系數而且有輕一些的重量和便宜一些的制造成本。