基于智能材料驱动的高速开关阀具有比电磁高速开关阀更好的动静态特性。针对传统悬臂梁结构压电双晶片输出力较小的缺点，该文研究了一种基于压电双晶片的气动高速开关阀，提出了一种简支梁结构固定方式。借助COMSOL对压电元件流固耦合问题进行分析，优化了阀的关键结构参数，并对样机进行了实验研究。实验结果表明，阀的工作频宽达到280 Hz，在压差0.3 MPa的条件下，最大流量为30.7 L/min。

该文从数学上计算了不同阶声压梯度组合对空间声场的估计误差, 分析了差分通道幅度和相位不一致性对有限差分近似误差的影响, 研究了水听器自噪声及模数转换量化误差对高阶水听器工作频率下限的制约关系, 提出了一种由4片压电三迭片构成的高阶声压梯度水听器, 尺寸为100 mm×50 mm, 能够测量声场一阶声压梯度和二阶混合声压梯度。利用有限元法计算获得平面波自由声场中水听器各通道的输出电压。计算结果表明, 二阶混合声压梯度通道的输出电压响应每倍频程升高12 dB, 指向性与纵向四极子声源指向性一致。

针对硬X射线自由电子激光(HXFEL)对偏移镜组提出的初步要求(压弯前、夹持后子午面形误差小于0.5 μrad),传统机械压弯难以满足且实时修正,因此采用压电片侧放式双压电片反射镜(PBM)结构。反射镜水平放置,通过奇异值分解(SVD)法计算修正自重所引起的低频面形误差所需的电压值,并辅以有限元分析法验证方案的可行性;针对不同的压弯面形进行求解分析,然后加入热分析法解决由局部辐射引起的面形突变。仿真结果表明,在自重的情况下,反射镜的初始斜率误差为242.43 nrad (均方根, RMS),在压电压弯修正后其斜率误差可以大幅降低至7.743 nrad (RMS);对目标面形进行调节,实际压弯面形与目标面形间的斜率误差仅为0.0024 nrad (RMS)。

压电陶瓷材料具有优良的力学性能和响应特性, 将其作为智能执行器应用于液压阀中, 是持续多年的研究热点。但压电驱动器输出仅为微米级, 难以直接满足液压阀的使用要求, 因此需要设计相应的微位移放大机构。首先, 重点介绍了柔性铰链放大机构及其在压电阀中的典型应用, 根据原理可分为杠杆、三角、桥式等放大形式; 其次, 归纳了基于液压放大和晶片放大机构的两类压电阀的代表性结构和性能特点; 最后, 分析对比了三类放大机构应用于压电阀中的优缺点。结果表明, 铰链放大结构简单, 再现性好; 液压放大占用空间小, 频带宽, 倍数高; 晶片放大频响高, 只适用于伺服和先导控制。

为了实现对轻、薄、小产品的平稳输送, 利用圆形压电双晶片作为振动给料器的动力源, Z型弹簧片作为主振弹簧, 并基于系统共振方法设计了新型压电驱动式振动给料器。介绍了圆形压电双晶片驱动式振动给料器的工作原理, 建立了动力学模型, 获得了系统固有频率表达式; 分析了压电双晶片的振动模态, 确定了一阶振型为工作振型。研制了振动给料器样机, 利用样机测试了电压、频率与送料速度的特性曲线以及主振弹簧片角度对送料速度、送料稳定性、送料噪声的影响规律。试验结果表明: 电压为150 V, 频率为142 Hz时, 输送电池帽的速度为8.5 battery cap/s; 频率为136~148 Hz时,系统具备输送物料的能力, 共振条件下(142 Hz)输送速度最快; 随着电压的升高, 输送速度呈线性增加; 输送的单体物料质量增加时, 主振弹簧片安装角度宜变小。

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10 V，频率为11 Hz，悬臂式压电双晶片振子的夹持长度在9~20 mm内变化时，其端部位移幅值最大为66.2 μm，产生的惯性加速度幅值最大为10.2 ms-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。

研究了用于空间红外相机低温光学系统的压电双晶片扫描器的低温迟滞蠕变问题。压电双晶片具有行程大，不发热，在低温下仍然能够工作等优点，然而由于压电陶瓷固有的迟滞蠕变特性，使得其扫描精度受到了较大的影响。本文在常温和低温下，对所研制的压电双晶片扫描器的迟滞和蠕变特性进行实验研究和特性对比。结果显示：尽管压电双晶片扫描器的迟滞量和蠕变量均有大幅度下降，但由于总行程的下降幅度更大，使得迟滞度和蠕变系数有较大上升; 120 K下的迟滞度约为300 K下的2倍，120 K下的蠕变系数比300 K下的上升了一个数量级。低温下压电双晶片扫描器的迟滞和蠕变特性相比常温下更加严重，这给其在低温下的高精度应用带来了更大的影响。

扫频光学相干层析技术(SSOCT)相比于传统的时域OCT技术(TDOCT)在系统的成像速度和灵敏度方面都有了显著的提高, 已成为目前OCT领域的研究热点。报道了基于一维扫描光纤探头的SSOCT成像系统。该探头利用光纤悬臂的共振特性, 通过对压电陶瓷施加接近于该共振频率的驱动信号, 实现光纤悬臂的单驱动一维扫描。为了保证系统轴向分辨率, 需要对干涉光谱信号进行k空间标定, 系统采用基于马赫曾德尔干涉仪(MZI)的同步标定方法, 轴向分辨率达到8.3 μm。应用所研制的光纤扫描探头于SSOCT系统, 在20 kHz的A-Scan速率下, 成像速度达20 frame/s, 横向范围1 mm, 横向分辨率10 μm, 获得初步的实验结果, 验证了方案的可行性。

研制了应用于光学相干层析(OCT)成像的二维扫描光纤探头。该探头利用光纤悬臂的共振特性，结合光纤悬臂的结构不对称性，使光纤悬臂在正交方向具有不同的共振频率。通过对压电双晶片施加接近于上述两种共振频率的混频信号，就能同时激发光纤悬臂两正交方向上的振动，实现光纤悬臂的单驱动二维扫描。扫描采样率对成像质量至关重要，可通过驱动信号的频率选择和图像采集时间的设定来控制。在光纤悬臂固有频率曲线谐振宽度范围内细调驱动信号频率，可形成不同形状因而不同扫描覆盖率的大振幅李萨如轨迹。为实现扫描图像的正确重建，在扫描探头中引入了二维位置敏感探测器，用于扫描轨迹的同步记录。应用所研制的光纤扫描探头于已建立的光学相干层析系统，开展了典型样品的横断面扫描成像实验，在2 frame/s的采样速率获得了初期的实验结果，验证了方案的可行性。