自感知压电微夹钳研究

采用双晶片型压电悬臂梁制作一种双悬臂梁结构的微夹钳,可用于微操作系统中的微夹持器．在一般微操作系统中,需要外加微力传感器才能组成闭环控制系统,这必将影响夹钳的工作特性．为简化系统,借助于电荷提取电路提取压电双晶片上的电荷,并通过软件进行状态观测,可直接得到压电夹钳尖端上的夹持力,同时还能观测到夹钳尖端的位移,称其为自感知执行器．实验证明了上述自感知方法的有效性．     

基于柔性铰链的压电微夹钳设计

面向微机电系统(MEMS)微装配设计了一种压电式微夹钳,该微夹钳基于柔性铰链设计,结构简单、紧凑,具有对称结构的两级位移放大机构,其驱动采用叠堆型压电陶瓷.重点对该微夹钳的张合缩放特性进行了理论分析,建立了电压与末端张合量输入输出模型.样机实验表明,驱动电压为140V时,该微夹钳具有约1 260μm的最大张合量,微操作实践表明:微夹钳能实现对不同形状尺寸大小从50~1 260μm范围的微小器件夹持操作.     

基于光致形变材料的光驱动微夹钳

针对目前微夹钳存在的一些问题,提出了一种基于光致形变材料镧改性锆钛酸铅(PLZT)双晶片的光驱动微夹钳.首先对光微夹钳中的核心部件PLZT陶瓷的光致形变特性进行了研究,建立了PLZT陶瓷的新型光致伸缩模型;其次对PLZT双晶片式悬臂梁结构的驱动特性进行了分析;最后对柔性铰链放大结构进行了设计,并对其柔性铰链的承载能力进行了理论计算.计算结果表明,柔性铰链的承载能力满足使用要求,光微夹钳可实现远程光控而不受电磁干扰,可自主控制夹持与释放动作,其放大机构的放大倍数为24倍,且最大钳口距离可达3.880mm,基本满足大部分微型零件的操作需求,具有很好的通用性和适用性.     

基于拓扑优化的微夹钳设计

采用以互能和应变能比值作为目标函数的柔性结构拓扑优化方法完成了微夹钳的概念设计.结合具体的夹持对象和工作环境,在微夹钳概念设计基础上确定了微夹钳的最终结构形式.采用有限元法分析了微夹钳的传动比与夹持力,并在万能工具显微镜下测量了微夹钳原型的传动比与夹持力.试验结果表明:当微夹钳钳口尺寸为0.45mm时,微夹钳的平均传动比为22.89,最大夹持力为356.16mN,并且钳口的位移和夹持力与压电陶瓷的输入位移有良好的线性关系,与有限元计算结果基本吻合.这表明连续体拓扑优化方法在微夹钳的设计中有着重要指导作用.     

光纤悬臂梁式振动传感器的研究

研究了一种新型光纤悬臂梁式振动传感器,这种传感器的光纤悬臂梁带有光纤微准直透镜,提高了光路的光耦合效率,而且,传感器的接收探头采用了“双光路差分结构”,从而大大提高了传感器灵敏度,同时也增强了抗干扰能力。通过实验测试研究了传感器对压电陶瓷激振的响应特性,证实了该传感器对振动测试的能力。 (将发表在《西安理工大学学报》2001 Vol.17 No.2)     

光纤悬壁梁式振动传感器的研究

研究了一种新型结构的光纤悬臂梁式振动传感器,该传感器的光纤悬壁梁带有光纤微准直透镜,提高了光路的光耦合效率,接收探头采用双光路差分结构,大大提高了传感器灵敏度,同时也增强了抗干扰能力,通过实验测试研究了该传感器对压电陶瓷激振的响应特性,证实了该传感器对振动测试的能力。     

具有激振和测振的新型压电微悬臂梁设计

设计了几种新型压电微悬臂梁结构,目的是实现微悬臂梁同时具有激振和测振功能.设计的微悬臂梁尺寸(长×宽×厚)为860μm×300μm×2.11μm;设计了4种可以同时实现激振和测振功能的上电极形状;分析了上电极与信号传递函数值的关系,并对微悬臂梁进行了静态响应、模态分析和谐响应分析.可以看到采用Ⅱ型上电极设计的微悬臂梁既可以实现激振和测振功能,同时具有最佳的静态灵敏度和较高的品质因子,为优化的设计结构.     

三自由度纳米磨削微定位平台的运动学特性

为了克服精密平面磨床进给系统分辨率低而难以实现纳米级磨削加工的不足,设计了一台三自由度微定位平台来实现纳米定位和振动误差动态补偿.该微定位平台采用3个高刚度压电陶瓷驱动器并联驱动,3个弹性铰链实现动平台的导向,利用3个高精度的电容式位移传感器测量动平台的实际位姿.为了深入研究三自由度微定位平台的运动学特性,分别利用欧拉角和RPY角描述动平台的姿态并基于空间解析几何理论,建立了微定位平台的正、逆解运动学模型,得到了传感器测量值和压电陶瓷驱动点的实际位移输出值间的映射关系,分析了不同姿态描述之间的内在联系,并研究了微定位平台受到压电陶瓷驱动器伸长量限制时的可达姿态空间.试验验证了三自由度微定位平台的特性和所建模型的正确性.试验表明该微定位平台的z向最大位移为12μm,章动角随进动角的不同而变化,最大可达130μrad.     

压电微悬臂梁振动能量采集器谐振频率和功率的研究

压电振动能量采集器可将自然界中广泛存在的机械振动能转换为电能,并且一直向微型化电源的目标迈进．为此,以矩形压电微悬臂梁结构作为换能单元,通过时压电层等效电流源和单相桥式整流电路的理论及相关公式的推导,得出微能量功率的计算公式．通过分析看出,在实际设计压电振动能量采集装置时,可采用适当增加质量块质量和减小梁长度的方式来满足整体结构在自然环境中实现低频谐振、获得较大的功率输出的设计要求．     

一种新型惯性式压电执行器研究

设计了一种惯性式压电执行器.该执行器由身体和4个弹性足构成.每个弹性足是一个带夹层的压电双晶片,称之为复合压电双晶片.首先阐述了该执行器惯性冲击式的运动原理;然后从热力学角度推导出复合压电双晶片悬臂梁端部挠度与外电压、外力的关系式;以此为基础建立了执行器的动力学模型,用13个设计参数如压电片的长度、宽度、高度,执行器质量和驱动电压等表征了执行器的运动状态;最后以驱动电压幅值为自变量,固定其他设计参数,得到了电压幅值与执行器平均速度的关系曲线.此理论计算与试验结果基本相符,证明所建立的执行器动力学模型是合理的.     

电火花沉积加工微细结构的研究

论述了一种新的微细电火花加工方法.先确定微细电火花沉积加工工艺参数的选取原则,然后使用铜、钢和钨为电极,在空气介质中沉积出直径0.19 mm、高7.35 mm的微小圆柱体,又通过仅仅改变极性进行有选择性的去除加工.在此基础上提出单圆柱连续沉积策略,得到HIT字符型阵列.实验表明,重力对微细沉积加工的影响微弱,氩气介质有助于提高微圆柱体表面质量.最后的组织结构、能谱和硬度检测等显示,沉积材料致密、坚硬,并呈明显的分层结构.     

MEMS反射镜建模及其控制实验研究

从经典二阶振荡系统的传递函数入手,根据MEMS反射镜的开环瞬态响应实验,对模型的参数进行辨识,考察了模型在静态状况下静电力和弹簧扭矩的关系.推导了阻尼系数和实验曲线之间的关系.这个关系对阻尼系数的辨识不需要考察微镜的尺寸和空气压力,从而可以减轻计算量并且保证了精度.最后,通过仿真和实验结果来验证参数辨识的正确性.在实验和仿真结果中,系统的超调量被大幅度减小,稳定时间可以控制在7 ms以内,验证了模型参数辨识的正确性.     

微机电系统(MEMS)技术及其应用

微机电系统是一个新兴的技术领域.阐述了微机电系统的特点、加工工艺、应用及其现状和发展趋势.     

微机械中新型压电微电机致动机理分析

给出了一种结构简单、易于微型化的新型压电微电机,研究了其致动机理．利用压电学和振动学理论分析了定子各部分及系统的振动位移微分方程;借助于弹性力学和振动分析理论,在分析新型压电微电机的基础上,建立了压电微电机运动学和动力学模型．该模型可用于压电微电机运动过程实验和压电微电机的优化设计中．     

多孔玻璃基材微通道板的实验研究

在光电平板显示屏中需要对平面电子源进行放大，而传统的微通道板因面板小，不能满足器件的要求．本报告了以多孔玻璃为基材的微通道板的制备及其二次电子发射特性的测量结果．     

低速WEDM制备的微织构螺旋微铣刀的铣削实验研究

基于五轴低速走丝电火花线切割机床与回转机构相结合的加工方法，制备了后刀面具有微织构的螺旋微铣刀.建立了微织构螺旋微铣刀微刃单元的切削力理论模型，并开展微织构微铣刀与常规微铣刀的对比实验研究.结果表明:微织构螺旋微铣刀的切削力相对于常规刀具降低了30%~40%，相同加工条件下，微织构螺旋微铣刀所加工的表面粗糙度降低至0.745μm，而常规微铣刀所加工的表面粗糙度为1.130μm.     

基于数据仓库和数据挖掘的人体信息传感／记录／诊断／预测微系统

在分析介绍了微机电系统（MicroElectroMechenicalSystem, MEMS）技术、人体传感器网络技术（Body Sensor Networks）、微型数据存储技术、数据仓库与挖掘技术、网格计算技术的基础上,提出了人体信息传感／记录／诊断／预测微系统（Human body sensing／recording／diagnostics／prediction microsystem,SRDP）的概念,其核心思想是利用MEMS技术、人体传感网络技术和数据存储技术对人体生理参数进行长期检测和记录,通     

MEMS微结构静态测试技术的发展及应用

对国内外众多学者提出的各种微几何量和微机械量的静态测试技术进行了总结,并讨论了其应用场合和测试范围,在此基础上分析得出非接触式光学测试方法受到众学者的青睐,微视觉测量是MEMS静态测试技术的一个主要发展方向。     

基于MEMS压力传感器的微小型空速计

针对微型飞行器体积小、质量轻、能量和带载荷能力有限的特点,设计了微型空速计,包括微小型皮托管和基于微机电系统(MEMS)微差压传感器的低速测量电路,通过机载计算机测量电压信号并计算空速值。该空速计量程为3~26m/s,质量为4.3g,精度±1m/s,已经通过国家气象局计量站进行的测试。目前已成功应用在翼展小于400mm微型飞行器的空速测量上。     

遗传算法在超微电动机参数优化设计中的应用

基于超微电动机的主要参数之间相互限制和约束，提出将遗传算法应用于超微电动机的参数设计，利用遗传算法的特性进行辅助超微电动机设计．首先确定超微电动机的简化数学模型，结合电动机工作环境对其性能的要求，确定超微电动机设计中的评价函数，利用遗传算法在整个参数空间内搜索，得到超微电动机的主要参数，并给出了该超微电动机经实验测量的性能