高分辨率压电陶瓷微位移检测电路设计与实现

为提高压电驱动的大口径快摆镜控制精度,采用了电阻式应变传感器(SGS)和基于锁定放大信号调理方法来检测压电执行器微位移,该微位移检测电路包括集成在压电内部的电阻式SGS,前端信号调制放大电路、带通滤波去噪电路、相敏解调电路和低通滤波电路等,最后搭建系统验证并利用小波分解重构的方法对微位移信号进行噪声分析。试验结果表明,该系统检测的压电执行器微位移信号良好,噪声满足实际工程中压电陶瓷(PZT)执行器的24nm位置分辨率的要求。     

一种大容性负载的压电陶瓷驱动电源设计

压电陶瓷作为微定位系统的动能器件,可达到纳米级的位移精度。针对位移驱动型压电陶瓷的大容性负载特点,基于PA92设计了一种高精度、大电流的动态驱动电源。通过电容超前反馈、隔离电阻结合反馈及相位补偿等方式提高了电源的稳定性。分析结果表明,该电源能有效应用于纳米级定位系统中,在大容性负载时具有良好的动态性能,输出电压精度可达0.5 mV。     

压电陶瓷微位移器件迟滞模型的研究

在通过统计物理学角度分析压电陶瓷迟滞规律的基础上，结合数学建模方法，提出了一种简单实用的压电陶瓷迟滞数学模型。并设计了压电陶瓷实验控制系统，对迟滞数学模型进行了验证，实验结果表明，此模型可以有效减小压电陶瓷的迟滞非线性误差，提高压电陶瓷微位移的控制精度，本研究有助于实现基于压电陶瓷的高精度开环微位移控制。     

压电陶瓷管驱动三自由度微操作手的研究与应用

基于机构、驱动、检测一体化的设计思想，研制出压电陶瓷管驱动的三自由度微操作手，研究了微操作手的建模、驱动与位置检测，给出了静力学建模公式，研制出双极性压电陶瓷驱动电源、微位移检测电路，并构成高精度位置闭环控制系统，实现了纳米级微动定位。最后以微操作手为核心构成微操作机器人系统，通过微操作手的微动调整，成功完成了直径为Φ0.2mm轴孔零件的微装配任务。     

基于压电驱动的纳米级精密定位系统的研究

利用压电陶瓷致动器作为驱动元件设计了X-Y两自由度精密定位工作台,并利用有限元分析法对机构进行了优化设计,采用电阻应变片作为微位移检测传感器,在此基础上设计了闭环控制器,该控制器包括压电陶瓷驱动单元、微位移传感器检测单元和中央处理单元,最后利用PID控制法进行了闭环控制实验研究。实验结果表明,本系统具有较好的控制品质和优异的动态性能,在对10μm×10μm两自由度工作台的控制中,闭环控制精度达10nm,阶跃响应的稳定时间小于8ms。     

压电式执行器用于超精密进给机构的技术研究

通过对压电陶瓷微位移执行器动态特性问题的研究,设计了一种可微机控制的数字高压信号源作为电压调节器、压电陶瓷作为驱动器的精密微动平台。针对高精度的定位和进给需要,设计了数字闭环控制系统,引入数字比例-积分-微分(PID)模糊控制器以提高系统的动态特性。实验表明,该控制系统简单、可靠、实用,所提出的校正方法对改善压电陶瓷微位移执行器的动态特性有显著效果,现已将其用在磨床进给机构中。     

人工全膝关节置换术后早期感染的治疗

设计一种以压电陶瓷为驱动,通过柔性机构放大输出位移的精密定位工作台.给出了该精密定位工作台的结构模型,建立了精密定位工作台的位置输入输出方程,分析和计算了柔性铰链微位移放大机构的位移放大倍数.通过仿真确定工作台各自由度的变形量与压电陶瓷驱动器伸缩量之间的关系与运动特性.结果表明,该精密定位工作台能实现定位误差为0.1 μm的高精度定位.通过与3点支撑微位移放大机构工作台的比较,显示出4点支撑微位移放大机构工作台可减小交叉耦合的影响.     

柔性铰链位移放大机构在活塞加工中的应用

针对活塞加工中快速刀具伺服机构高频响、大位移和高精度的特点，提出了一种基于压电陶瓷的新型单自由度柔性铰链微位移放大机构，对单轴柔性铰链和机构进行了刚度计算；为了提高控制精度，利用Maxwell模型对压电陶瓷非线性建立数学模型，利用反馈-前馈控制法消除了以切削力为主的干扰信号的影响，仿真实验证明该系统达到了活塞加工中高速进给的要求。     

高精度大功率压电陶瓷驱动关键技术

压电陶瓷驱动电源是压电陶瓷微位移系统中的关键部件。以高压功率放大器PA93为核心,提出了一种新型高精度、大功率压电陶瓷驱动电源,适合驱动大行程、大推力压电陶瓷致动器。重点阐述了电路的设计方案,对复合放大电路进行了特性分析。实验结果表明,该驱动电源具有精度高,输出电压高,电流大,稳定性好的特点。当驱动等效负载电容为24 μF的压电陶瓷时,在0~100 Hz频率范围内实现了0~10 V信号到0~100 V信号的动态放大,输出电压精度优于3×10-5,最大输出电流350 mA。     

一种基于厚膜陶瓷电容的微位移传感器

为深入研究微纳米环境中物体的受力与运动状态,实现微纳米环境下的位置感知与位移操作,建立纳米尺度下位移、力检测的理论方法,研制了一种基于厚膜陶瓷电容的微位移传感器。通过采用厚膜混合集成工艺将信号处理电路与厚膜电容芯片一体化集成,即用厚膜电路替代PCB电路板,以达到降低由于温度效应和寄生电容等导致的非线性误差,提高传感器的分辨率和稳定性的效果。传感器性能标定实验结果表明,0~1 000nm量程范围内位移检测分辨率优于2nm,传感器稳定性得到显著提高,能够用于检测纳米级微小位移变化量。此外,还从材料物理属性和电路优化设计等方面分析了一体化集成的厚膜电路相对于PCB电路板的优越性。     

基于互相关的实时煤粉流量监测系统

工业高炉煤粉喷吹过程中的煤粉传输流量难以监测,容易产生锅炉煤粉输入不均匀及堵塞的问题。为了实时监测煤粉传输管道中的准确流量,文中提出一种基于互相关和电容检测的高精度煤粉流量监测系统。该系统主要包括微弱电容检测电路和电容传感器两部分,设计两层屏蔽的电容传感器,并搭建了高精度、低噪声的数模混合电容检测电路。使用保留互相关特征的滤波算法对电路输出的信号进行滤波,滤去干扰信号的同时保留互相关算法需要的特征波动。结合互相关算法给出的流速和电容检测系统输出转换的浓度值即可获得准确流量,再通过CAN总线实现多管道煤粉流量监测。实验结果表明,该系统实际应用中的煤粉传输重量误差能够控制在约5%,具有良好的精度,能适应复杂工程环境的需求。     

基于单片机的电容式位移测量系统研制

本文介绍了基于单片机的电容式位移测量系统的基本原理,设计了电容式位移传感器的调理电路和AD采样及串口通信电路,采用LABVIEW设计了与＂信号与测试技术＂课程配套的实验操作界面,对所设计测量电路和传感器自带电路的测量数据进行了分析比较。实验结果表明,该测量系统具有精度高、操作简单和测量过程透明等优点,完全符合课程实验教学的实际需求。     

基于AD7150微位移电容传感器的研究

利用了集成芯片AD7150完成了对微位移电容传感器的电容采样。对AD7150芯片设计了相应的外接电路,为了增强电路的抗干扰能力,加入相应滤波电路;通过单片机模拟I2C通信方式来进行AD7150的读写控制。测量结果给出了10 pF以下不同标称电容值的电容,误差在2.5%以内。初步实验结果表明,当接入双叉电容传感器探头时,电容值随测量距离的增大而增加;在不同位移量下,传感器的灵敏度不同,距离越近,灵敏度越高,最大灵敏度为686 fF/mm,给出了不同情况下的灵敏度分布,并总结了影响电容传感器工作的电路要点。     

一种具有较大电容动态测量范围的接口电路

针对应用广泛的电容式传感器信号采集问题,提出了一种具有较大电容动态测量范围的高精度电容式传感器接口电路。该接口电路包括一个电容式有源电桥,以及用于将电容直接转换为频率的张弛振荡器,电路的频率输出用于确定微湿度传感器的响应特性。在基于薄膜的电容湿度传感器上进行了测试,实验结果表明,相比现有的类似电路设计,提出电路的结构更加简单且具有更大的电容测量范围和较高的精度,在1 p-600 p测量范围内的精度（误差百分比）<-2.14%,接口电路灵敏度为4.91 Hz/ppm,且输出频率与电容变化成线性关系。     

基于差动式电容传感器的车辆载荷检测系统

针对传统车辆载荷检测系统存在的不足,提出了一种电容式车辆载荷检测系统,该系统的载荷检测传感器采用差动式结构,大大提高了测量的灵敏度和非线性,电容测量线路采用差动脉冲宽度调制集成测量电路,数据的采集和处理采用自带A/D转换器的STC89LE516AD单片机芯片,数据通信采用无线通信模式。这种载荷检测系统结构简单、成本低廉、安装方便、性能可靠、测量电路简单、抗干扰性好,可用于交通数据的采集和便携式测量,具有良好的使用前景。     

基于Pcap01的MEMS电容压力传感器测量电路设计

基于TDC原理文中提出了一种用于MEMS电容式压力传感器的微弱电容测量电路。该电路以微处理器STM32F103为控制核心,通过SPI总线对Pcap01芯片进行时序控制,完成电容数据的采集、分析、处理和显示。该电路具有体积小、抗干扰性强、分辨率高和刷新频率高的特点。通过对10 pF以下的固定电容和MEMS电容式压力传感器测量验证新电路的性能。实验结果表明,电路在10 Hz刷新频率下有效精度位为16位,分辨率可达61 aF。     

提高电感传感器测量灵敏度的方法

电感位移传感器被广泛应用于微小位移量检测中,但在一些工程中现有传感器的测量精度和灵敏度达不到测量要求。针对这一问题,对传感器前段信号处理电路进行改进,在传感器上下线圈并联电容形成LC电路,利用LC电路谐振效应改善电路的性能,以提高信号源头的灵敏度;采用Multisim软件对半桥和全桥电路在并联不同大小的电容后的性能进行仿真,并用Matlab对生成的曲线进行最小二乘拟合,比较得出使电路性能最优的电容值和并联方法。结果表明在损失微小线性度的情况下可将灵敏度提高一倍。     

基于STM32的新型皮革厚度测量装置的研制

针对皮革制品厚度检测过程中存在的传统式人工读秒表测试方法误差大、测量精度差、测量分辨率低等诸多问题,设计并实现了一种基于栅式测量技术的新颖实用型皮革厚度测量装置。使用STM32F103C8T6单片机作为主控制器,选取高精度容栅式位移传感器为测量载体;根据QB/T2709-2005要求及装置内部组成结构,分别对其核心电路、控制系统、机械平台进行了研究、设计和制作;对各类皮革进行了测试,分析了影响测量皮革厚度参数的系列因素。结果表明：该装置性能稳定、测量准确迅速,其测量精度为0.001mm。     

新型磁驱动增大检测电容的高精度MEMS惯性传感器研究

增大传感器振子的质量和静态测试电容可以减小电容式MEMS惯性传感系统的噪声,而深度粒子反应刻蚀工艺由于复杂的工艺原因,当深宽比较大时,不能刻蚀出大质量和大初始电容的传感器.据此,本文研究了一种磁驱动增大检测电容的MEMS惯性传感器,通过电磁驱动器,传感器的静态测试电容可以大幅增加,在梳齿电容上刻蚀阻尼槽后,其机械噪声达到0.61μg每根号赫兹,仿真其共振频率为598Hz,静态位移灵敏度为0.7μm每重力加速度,基于硅 玻璃键合工艺,制作了栅形条电容式惯性传感器,并用电磁驱动的方式测试其品质因子达到715,从而验证了制作工艺的可行性和电磁驱动器改变传感器初始静态测试电容的可行性.