为了提高压电驱动芯片水冷系统的适用性、可维护性以及冷却效率, 本文提出一种组合式压电驱动芯片水冷系统。首先, 测试和分析了芯片水冷系统中组合式泵单元在220 Vpp方波驱动下不同组合方式(串/并联)、泵工作数量以及相对位置时的输出性能, 接着, 基于组合式泵单元的试验结果进行芯片水冷系统的水冷效果研究。实验结果表明: 串联组合双泵工作时, 双泵位于串联组合首尾位置(AD)时性能较优, 在30 Hz时获得最大输出压力(25 kPa); 串联组合四泵工作时, 分别在35 Hz和55 Hz获得了最大压力(23.5 kPa)和最大流量(13.5 mL/min); 并联组合双泵工作时, 双泵都位于组合首位(AC)时性能较差; 并联组合四泵工作时, 分别在50 Hz和60 Hz获得最大输出流量(22 mL/min)和最大输出压力(12.6 kPa); 通过串并联以及泵工作数量的切换获得了芯片水冷系统的冷却效果, 不同的组合方式以及泵工作数量可以获得不同的冷却效果。获得了组合式压电驱动芯片水冷系统的驱动参数, 为计算机芯片有效散热提供一条新途径。

气泡滞留会严重地损害微型压电泵的输出性能, 因此减少气泡滞留将有效地提高压电泵系统的稳定性和可靠性。泵腔作为气泡滞留的主要区域, 同时是决定输出性能的重要元素, 所以改变腔高将对气泡滞留产生重要的影响。本文从气泡压力降和输出压力两个方面建立数学模型, 以此分析腔高对气泡滞留的影响规律, 最后通过气泡滞留实验进行验证。实验结果表明, 腔高为0.15 mm时, 压电泵具有优良的输出性能和排气泡能力, 在进入120个0.02 mL气泡后, 压电泵仍具有稳定的输出压力(8.1 kPa)和输出流量(4.2 mL/min); 腔高为0.05 mm和0.20 mm时, 压电泵在进入一个气泡后即丧失了工作能力, 排气泡能力差, 而腔高为0 mm和0.10 mm时, 压电泵分别进入47和70个气泡后丧失了工作能力。实验表明选取合理的腔高可以有效地减少气泡的滞留。

为改善惯性压电驱动器输出性能, 提出了一种新型具有偏置结构的非对称惯性压电旋转驱动器。在非对称夹持的基础上, 定义了一种偏置结构。为了解偏置结构对驱动器输出性能的影响, 建立了机构的力学模型方程, 推导并仿真分析了驱动器的动力学特性。设计、制作了试验样机, 搭建了试验系统; 进行了试验测试并与无偏置结构驱动器进行了性能对比。结果表明: 偏置距离为15 mm时, 驱动器输出步距角速度最大。与无偏置结构驱动器相比, 驱动电压为100 V、23 Hz时, 驱动器输出最大角速度从3.48 rad/s增加至5.39 rad/s, 增幅达54.88%, 驱动器最大驱动力矩从2.41 N·mm增加至3.62 N·mm, 增幅达50.2%; 驱动电压为100 V, 4 Hz时, 驱动器稳定运行时的承载量达1 300 g。理论与试验结果表明, 提出的有偏置结构的驱动器具有输出步距角速度和驱动力矩更大的特点。

为进一步提高聚合物复合材料热导率, 采用多尺度数值预测法研究了微注塑聚酰胺/碳纤维（PA66/CFs）散热器内部CF的流动诱导取向及其对制品热导率的影响规律。首先, 利用Moldflow获取CF取向张量, 并以Comsol Multiphysics构建与之对应的复合材料微元胞。利用正交实验法研究熔体温度、模具温度、最大注射压力及注射流率对微散热器热导率的影响。然后, 对预测数据进行分析获得最优注塑参数组合。最后, 对优化结果进行模拟实验, 验证了多尺度数值预测法的有效性。结果显示：上述各参数重要程度由大到小依次排列为熔体温度、注射流率、最大注射压力和模具温度; 最佳组合为熔体温度360 ℃、模具温度70 ℃、最大注射压力220 MPa及注射流率3×10–4 cm3/s。 另外, 流动诱导热导率变化最大值达0.36 W/(m·K), 为基体热导率的1.5倍。得到的研究结果为从工艺调控的新角度来改善聚合物复合材料的导热性能提供了理论依据与数据支撑。

设计了针对薄膜太阳能电池柔性不锈钢衬底的电化学机械复合抛光法以满足其对表面粗糙度、光反射率和有害物质扩散的要求。首先, 设计并制造了一种用于平面加工的复合阴极刀具, 理论分析了它的材料去除机理。然后, 结合法拉第原理和黏着摩擦理论分析了电化学腐蚀行为和摩擦力作用行为, 解决了电化学腐蚀和机械去除钝化膜的匹配一致性问题。最后, 以50 mm×50 mm×0.3 mm规格的304不锈钢为阳极工件, 对提出的方法进行了实验验证。结果显示: 对衬底加工20 min后, 其表面粗糙度Ra从124 nm降到10 nm; 表面反射率从加工前的56.8%提高到62.4%; 表面金属氧化层的形成(氧化铁和氧化铬), 有效阻挡了Fe和Cr离子的扩散。实验显示, 提出的方法是处理柔性不锈钢表面的有效方法, 成本低、效率高

以惯性压电旋转驱动器为研究对象，对比研究了非对称式惯性压电旋转驱动器和变摩擦力式惯性压电旋转驱动器的运动特性。分析了两种驱动器的工作原理，设计、制作了试验样机，搭建了测试系统并对两种压电旋转驱动器进行了对比试验测试。结果显示：在8 Hz方波电信号的激励下，非对称式压电驱动器的旋转步距大于变摩擦力式旋转驱动器；当驱动电压为100 V时，非对称式与变摩擦力式压电驱动器的回退率分别为73.19%、65.67%；在40 V、8 Hz的方波激励下，非对称式与变摩擦式压电驱动器的线性度残差平方和与重复性标准差分别为0.031、0.069与0.011、0.063。试验结果表明：与变摩擦力式驱动器相比，非对称式驱动器的输出步距及回退率更大，具有较高的线性度和重复性。

针对现有导盲设备存在的检测效果差, 系统复杂, 不便携带等问题, 开发了基于单一Kinect传感器的导盲系统。该系统能够同时检测地面和头部之间的所有障碍物, 并将准确的路况信息通过语音传递给用户, 以实现导盲作用。该系统运用深度图像翻转算法和障碍物识别算法来识别地面障碍物、地面坑洞、悬空障碍物3种类型的障碍物; 同时运用深度图像过滤算法和障碍物距离计算算法来确定有效范围内障碍物的位置。设计制作了导盲试验样机, 在复杂室内环境多个场景下对障碍物的识别和检测进行了实验测定。实验结果表明: 该导盲系统能够在一定范围内较为准确地识别面积大于10-3 m2的障碍物及高度差超过0.02 m的坑洞, 经过图像过滤可将用户身高以内, 宽度1 m内的障碍物的最佳避障路线通过语音传递给用户, 满足了导盲需求。该系统的应用不仅对导盲具有重要作用, 对机器人自主行走也有参考意义。

由于惯性冲击力是压电惯性驱动器产生运动的关键, 故本文探讨了方波激励下压电振子的惯性冲击力大小。推导了压电双晶片振子在方波激励下的冲击响应, 分析了惯性冲击力的时域特性和幅频特性, 分析得到方波激励下惯性冲击力信号频率主要集中在0~500 Hz。采用加速度传感器初步测试了压电双晶片振子的加速度参数, 测试结果与理论模型相近。结合压电双晶片振子的端部惯性质量计算得到惯性冲击力的数值, 利用快速傅里叶算法获得了加速度参数的幅频特性。最后, 采用摩擦学的方法对惯性冲击力的数值进行了验证, 验证结果表明两种方法的最大相对误差为898%, 表明加速度传感器测试惯性冲击力是可行的。

设计了以非对称机械夹持压电双晶片振子为驱动元件, 支撑面之间正压力可以改变的非对称夹持惯性压电旋转驱动器。分析了该驱动器的运动机理, 建立了非对称夹持压电双晶片振子的仿真分析模型, 研制了实验装置, 并采用ANSYS仿真分析和试验测试对比的方式, 探讨了非对称夹持压电双晶片振子在对称方波激励电信号作用下的瞬态加速度响应情况。仿真分析和试验测试结果表明, 在对称方波激励电信号作用下, 非对称夹持压电双晶片振子具有较好的惯性冲击特性。试验研究了变正压力非对称夹持惯性压电旋转驱动器在不同旋转角度和激励电信号频率条件下的工作性能, 结果表明: 在夹持差为4 mm, 激励电信号电压为30 V, 激励电信号频率为5 Hz, 压电振子与接触平面之间夹角为50°时, 研制的压电旋转驱动器能够明显减少惯性压电旋转驱动器回退的现象, 可实现稳定单向旋转。

设计了一种采用3个结构尺寸不同的压电振子进行电信号-音频信号转换的三分频式压电骨传导助听装置，该装置可以适应较宽的工作频率范围。对压电振子进行了模态仿真分析和谐响应仿真分析，得出了压电振子最佳振型和谐振频率，确定了各个压电振子的工作频率段。根据仿真结果设计制作了三分频压电骨传导助听装置试验样机，对样机的幅频特性和响度进行了试验测试。结果显示: 助听装置中低频、中频和高频压电振子的最大振动幅值分别为86.08 μm、34.24 μm和1.545 μm，且处于各自振动频率段内; 低频、中频和高频压电振子在各自频段内响度最大，各频段的最大响度值依次为69.1 dB、98.3 dB和117.1 dB。由于3个压电振子同时工作时，各频段声音都能得到较好的响应，因此拓宽了声音的响应频域。