高阈值长脉宽响应的微流体惯性开关

为了实现智能武器电源管理，针对正常发射和勤务跌落两种典型的加速度信号，提出了一种高阈值长脉宽响应的微流体惯性开关。该开关主要由环形微通道和三级毛细阀组成，具有识别两种典型加速度的能力，并在正常发射后坐加速度的作用下实现可靠接通。首先，介绍了开关的设计概念及工作原理。然后，采用湿法刻蚀和磁控溅射金属技术制作了样机。最后，结合有限元仿真和样机实验验证了开关的功能。有限元仿真分析表明：该开关在幅值为12000g，脉宽为300 μs的勤务跌落载荷下保持断开，在幅值为20000g，脉宽为4 ms的后坐载荷下可靠接通，开关阈值为3300g。实验结果表明：该开关在幅值为12800g，脉宽为219 μs的勤务跌落载荷下保持断开，开关的静态阈值为3257.2g~3317.3g,开关的理论阈值为3590.9g，理论公式能较好地预测开关的阈值。     

齿形结构的长脉冲敏感型微加速度开关

针对智能武器电源管理系统对开关闭锁和断开的要求,提出了一种长脉冲敏感型微加速度开关。该开关带有齿形结构的悬空质量块和齿形导杆,通过质量块和导杆在运动过程中相互碰撞实现能量耗散,从而具有在高幅值窄脉冲加速度作用下保持断开,在低幅值长脉冲加速度作用下可靠闭锁的功能。介绍了开关结构和工作原理,对开关进行了理论分析和有限元分析,并对开关模型进行了简化。采用UV-LIGA技术制作了开关样机,利用样机试验和有限元分析相结合的方法验证了开关的功能。有限元仿真结果表明,该开关在3 000 g/3ms半正弦加速度作用下可靠闭锁。旋转台离心试验显示,开关的静态闭锁阈值为2 385.3 g~2 475.6 g。落锤冲击试验和有限元仿真结果均表明,开关在15 000 g/0.3ms半正弦加速度作用下没有闭锁。得到的结果表明该开关满足设计要求,能够应用于对加速度脉宽有区分要求的场合。     

基于阿基米德螺旋线的低g值微惯性开关

低g值惯性开关是一种对线加速度敏感并在施加的加速度作用下完成闭合的惯性装置。由于微小尺寸的限制,低g值(1-30 g)惯性开关只能设计为微质量块和低刚度支撑梁的结构。为了获得低刚度,设计了基于阿基米德螺旋线的平面螺旋梁结构。微开关由一个带触点的基座、一个惯性敏感单元以及框架和封盖组成。惯性敏感单元则由一个居中的质量块和支撑它的螺旋梁组成。在加速度作用下可动的质量块发生位移,与其下的触点接触,实现开关的闭合。惯性敏感单元采用有限元软件ANSYS进行分析,采用UV-LIGA工艺制作。进行了离心试验以获得低g值惯性开关的闭合门限。经3次测试,闭合门限值分别为21.22,21.39和21.20g,平均值为21.27g。测试结果表明,低g值惯性开关具有0.5g的闭合精度,多次测试重复性较好。     

惯性微流体开关阈值特性与响应历程的数值仿真

根据变矩形截面微通道惯性微流体开关的结构和工作机理,建立了水银液滴在临界状态下的开关静态阈值模型。采用VOF模型,考虑了表面张力作用和接触角效应,模拟了水银液滴在微通道中的动态时间历程,较准确地反映了液滴形状连续变化中的关键特征。通过对水银液滴速度随时间变化的跟踪,验证了开关具有阈值特性。仿真分析了微阀门宽度、微通道深度等结构参数对加速度阈值的影响,从而验证了阈值解析公式。当接触角为130°至170°时,数值仿真结果显示开关的响应时间随着接触角的增大而减小。讨论了不同网格尺寸对开关动态过程仿真计算结果的影响,结果曲线表明在仿真设置条件下计算结果对网格尺寸依赖较小。     

电容式高过载微机械加速度计的设计与实验

针对某些高过载应用场合对微机械加速度计抗冲击能力的要求,设计了一种三轴向抗冲击的梳齿电容式闭环微机械加速度计。通过分析带止档的闭环加速度计冲击响应过程,提出在敏感方向使用悬臂梳齿结构作为柔性缓冲止档可以缓冲冲击过程中微结构间的接触碰撞;在非敏感方向采用结构模态和阻尼分离的设计可减小冲击变形,耗散冲击能量。马歇特锤冲击实验表明,该加速度计能够分别承受3个轴向幅值为13 200g,脉宽约102μs的的加速度冲击,冲击前后偏置漂移在5mV以内。该闭环加速度计在±10g的非线性优于500×10-6,1.5h偏置稳定性为0.27mg。设计的样机基本满足高过载环境下惯性测量的要求。     

MEMS惯性开关的系统级仿真

提出一种基于静电控制,具有阈值可调功能的微电子机械系统(MEMS)惯性开关。采用CoventorWare软件中的Architect模块对MEMS惯性开关进行系统级建模与仿真。分析了多物理耦合场下MEMS惯性开关的动态响应特性,得到阈值加速度和电压的对应关系曲线。结果表明:通过改变初始电压,可以调节开关阈值大小;对开关进行了系统级的模态分析和谐响应分析,MEMS惯性开关的工作频率范围在22.901 kHz以内且具有抗击104g正弦加速度的能力。     

动态接触角对水银微流体惯性开关的影响

针对传统微机械开关存在信号跳变、触点易磨损等缺点,设计了一种基于MEMS技术的水银微流体惯性开关。为了更准确地反映微通道中水银液滴在惯性力作用下的动态响应历程,基于Bracke、Jiang和Seebergh动态接触角模型编写用户自定义函数(UDF),并根据VOF-CSF多相流数值计算方法,采用FLUENT软件讨论了动态接触角对开关阈值特性和响应时间的影响,模拟了水银液滴在微通道中连续变形的动态过程。仿真结果表明,分别采用Bracke、Jiang和Seebergh模型所得阈值加速度之间的偏差较小,另外与设置静态接触角相比,三种不同模型使得阈值加速度分别增大了4.3%、3.2%和5.4%。     

基于非硅衬底的微机电系统惯性开关的研制

以非硅表面微加工技术为基础,在玻璃衬底上设计和制造一种简单可靠并有反向冲击保护的单向一次触发微机电系统(Micro electro-mechanical system,MEMS)惯性电学开关.该设计采用连体蛇形弹簧将可动电极(质量块)悬空固定,用挡块作为反向冲击保护,其敏感方向为平行于衬底面的水平方向,整个器件使用成本较低而又方便的叠层电镀镍工艺制作.通过对弹簧一质量块系统运动过程的理论分析和有限元仿真,研究器件阈值加速度与其质量块厚度的关系,并用落锤试验对封装器件的阈值加速度以及峰值为100g(g=9.8 m/s2)半正弦冲击下的响应进行了测试,得到该微开关的阈值加速度分布在58g～72g,基本符合预期设计的60g阈值加速度要求,响应时间约为10-4s量级,与有限元仿真结果吻合较好.     

一种加速度开关设计

加速度开关又称G开关,是感受加速度并完成致动的一类惯性器件.文中回顾了Rolamite机构的发明过程以及Rolamite机构的用途;介绍了Rolamite开关的工作原理;分析了Rolamite开关的力学特性;详细论述了Rolamite开关的结构设计以及装配工艺;对Rolamite开关原理样机进行了振动、冲击、离心试验;试验表明Rolamite开关具备较高的精度(5 g±0.5 g)和接触可靠性,能够负载较强电流(＞0.5 A),接触电阻小于1 Ω,具备一定的抗冲击 (20 g/8 ms不闭合)能力.     

磁流变液技术在惯性开关中的应用研究

将磁流变液技术应用到惯性开关的设计研发中,利用磁流变液粘度和剪切屈服强度的可控性,将磁流变液的工作区域限定在一个特定长方体区域内。磁流变液惯性开关是一个活塞结构,活塞动子为开关的动电极,活塞壳为开关定子电极。开关动子电极在做闭合运动时需要克服磁流变液的粘性力,因此开关动子电极必须具有一定大小的能量才能与定子电极接触,该临界能量值即为开关阈值。该阈值的大小与磁流变液粘度大小有关,因此可以通过改变外部磁场来改变磁流变液的粘度,进而改变磁流变液惯性开关的阈值。阐述了开关的新型结构与机理,并用实验对开关机理进行了论证。实验证明,开关理论模型与实验数据相符。     

基于全面析因试验设计的永磁微加速度开关接触可靠性分析

针对一种新型磁力微加速度开关设计方案,建立了该开关系统的动力学方程,给出了影响开关动作的永磁力、表面接触力计算公式。采用四阶Runge-Kutta法对加速度激励下开关工作过程中永磁力、质量块与触点接触压力等参数的变化规律进行了仿真,对接触压力进行了极差分析和方差分析。选取微加速度开关的3个结构参数（悬臂梁宽度、质量块质量和永磁铁体积）作为关键因素,基于全面析因试验方法设计了该开关27种不同结构参数的水平组合,结果表明：微加速度开关3个结构参数中对接触可靠性影响大小的顺序为永磁铁体积V、悬臂梁宽度w、质量块质量m;可靠性最高的最佳结构参数水平组合为W3m3V1,即W=0．70mm、m=2．00g、V=5．38mm^3;在置信度为99％的情况下,悬臂梁宽度W、永磁铁体积V和质量块质量m对微加速度开关接触可靠性均有显著的影响。     

一种全金属六自由度隔振平台的研究

某航空器的高精度测量器件对振动非常敏感,其隔振系统可在高真空、极端温度环境下实现多自由度的隔振。文中提出了一种全金属六自由度隔振平台,该平台利用一种筏式金属橡胶阻尼器作为Steward机构的滑动副,实现了全金属的六自由度隔振性能。研究者采用动态增量非线性分析系统计算了这种隔振系统的随机振动响应特性,仿真结果验证了其原理的正确性。研发了原型机并测试了其性能指标,测试结果表明：在40～2000 Hz的宽频域内,该原型机能够有效衰减X、Y、Z三轴向的随机振动能量,各轴向随机振动的总均方根加速度由2.2 g衰减到1 g以下,该原型机也可衰减三个轴向的角振动能量。研究成果可解决目前多自由度隔振系统对极端环境适应性差的技术难题,成果可直接应用于特殊环境下的隔振技术领域。     

The effect of gravity acceleration on non-automatic weighing systems

Weighing systems belong to the group of force transducers and give the mass value of a body by exploiting the gravity force, that is, the weight force acting on the body. Its value is obtained from the relation existing between the deformation of an elastic body and the force exerted on it, although other relations are also possible but seldom used. The gravity force depends on the acceleration due to gravity, which is a geophysical quantity varying at different sites.

Gravity acceleration variations on the Earth (equal to about 0.53%), mainly due to the shape and the rotational motion of the globe, depend on latitude, altitude and the density of the terrestrial crust, which is the cause of the so-called Bouguer or gravity anomalies. Consequently, since g can be considered an influencing quantity, it can be taken into account in the use of weighing systems, when transported from one place to another, whenever its variations are of the same order of magnitude as that of the instrument accuracy. The most direct way of taking account of such variations is to correct the scale value of the system when the g value at the place of use is known and then to modify the scale of the system when it is transported elsewhere. Such an operation is conventionally avoided when the territory within which the system is operated is divided into zones of use or gravity zones (as established by the EEC Directive 90/384), where the minimum, maximum and mean values of g are known. The correction based on the average local value having been made, the weighing system can be moved and its accuracy remains within the limits of g variation in the site selected for use.

In the present paper general criteria are examined that may be adopted for establishing the number of the zones of use, in particular as regards the Italian territory, for which a proposal has been advanced and is compared with the solutions applied by other countries.     

微段加工柔性加减速算法研究

提出了一种基于5阶段S型曲线柔性加减速的微段加工新方法,在保证加速度连续的条件下,无需对减速点进行判断,提高了加工效率。提出了两个微段自适应性加工模型。仿真和实验结果表明,在加工过程中,新方法提高了加工效率,且保证了加速度的连续,实现了柔性加工。     

核电站阀门限位开关用微动开关的研制

分析了核电站高温及辐照环境使用的限位开关结构及技术要求,重点对其主要部件微动开关的自主设计进行了介绍。自主开发的微动开关,具备较好的耐辐照、耐高温、耐机械磨损和耐电弧腐蚀性能。结合自主化研发创新的关键技术,针对微动开关材质选择及触点工艺的改进进行了阐述。     

105g压阻效应阵列式加速度微传感器硅悬臂梁结构分析

在已有10^5g压阻效应阵列式加速度微传感器版图设计的基础上,应用有限元理论及相关软件,对版图中的硅微悬臂梁进行了模态分析和结构动态计算。将宏观理论应用到微观结构分析中;并对该种结构的加速度传感器的样品进行了冲击实验,得到实验曲线。对计算分析与实验结果进行了比较,指出并分析了误差可能出现的方面。