一种新型的光纤传感器的研究—对微位移的非接触测量

应用光纤传感技术设计一种新型光纤传感器。该传感器可用于表面粗糙度和微小位移的非接触测量。本文论述了其对微位移的测量。在该传感器特有的“零”工作点对信号采用差分放大处理,能实现对微位移的非接触测量,并具有纳米(10~(-?)m)级的分辨率。     

基于三角形和杠杆原理的柔性铰链放大机构

为克服单一的杠杆铰链放大机构的弧形位移输出和三角形铰链放大机构放大倍数小等缺陷,设计了1种综合三角形铰链与杠杆铰链结构性能优点的放大机构,理论推导了放大机构的位移放大比公式,开展了有限元仿真和实验研究。实验测试表明:当所采用的压电叠堆驱动装置驱动电压为80 V时,所设计的新型柔性铰链放大机构最大输出位移达85.36μm,放大倍数为4.5与理论值为5.40的放大倍数和有限元仿真为4.774的放大倍数相近,较理论值和仿真值误差率分别为16.67%和5.74%。新型放大机构具有较大的放大倍数和位移呈直线输出等优点。     

单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器

在双排结构纳米时栅位移传感器的研究基础上,提出了一种单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器。通过直接构造一个匀速运动的交变电场来产生行波信号,解决了双排结构所具有的串扰问题和安装问题;采用差动感应极片来拾取信号,可有效地消除共模干扰。用微纳加工工艺制作了一种多层薄膜的单排差动结构的纳米时栅传感器样机并进行了性能测试,最终在200 mm的量程范围内取得了±150 nm的测量精度。对比双排结构的纳米时栅传感器,这种新型的纳米时栅传感器测量精度、信号稳定性及抗干扰能力得到明显的提高,并且在尺寸减小的同时拓展了有效量程,因此在产品化的过程中更具有应用前景。     

全柔性微位移放大机构的设计与分析

微机械放大器中常采用全柔性微位移放大机构来实现输出位移的放大,且大多采用短臂柔性铰链连接各构件。设计了一种对称的长柔性杆微位移放大机构,结合弹性力学和Bernoulli-Eu-ler假设,推导出该放大机构的力位移计算公式及放大比公式。对影响该机构放大比的关键因素进行了分析,通过实例分析得到该机构中的长柔性杆角度与输出位移之间的关系。同时用有限元方法对该实例进行了仿真分析,并对两种方法所得结果进行了分析比较。     

两级对称式柔性铰链位移放大机构的设计与分析

介绍一种新型柔性铰链位移放大机构;对该机构进行了应力分析和位移损失分析,建立了位移放大数学模型,并用有限元分析软件进行了试验验证;计算出位移放大机构所允许的最大输入位移,指出对称式位移放大机构存在着较大的内部约束反力,指出其位移损失与外部负载呈线性关系。     

基于驻波调制方法的新型时栅位移传感器

现有的时栅位移传感器利用三相电机绕组方式形成行波磁场,再通过切割磁力线感应出行波电场,最后通过比相得到位移量.为了摆脱时栅位移传感器的三相电机绕组方式,简化测量工作机理,进行了磁路分析并设计了新的机械结构,采用驻波调制方法直接得到行波电场.实验表明按该方法设计的传感器达到了较高的测量精度,简化了制作工艺,降低了成本,推进了时栅进一步发展.     

基于球对称环型阵列传感器的扭矩测量系统

针对恶劣环境下机械转轴扭矩动态测量问题,利用交流电磁感应原理,采用球对称环型阵列器件和专门的磁电式检测器,构造一种新型的非接触扭矩测量传感器。文章设计了传感器的结构并对测量原理进行了分析,给出了测量系统框架结构。通过磁性钢球作切割磁力线运动,引起感应信号的周期性变化,实现位移信号到电信号的转换,得到了两路具有相位差的扭矩信号,对信号进行了放大、调相和整形处理,并给出了相应的方法和处理电路。     

线性霍尔传感器技术及其在气动定位控制中的应用

为了克服线性位移动态测量中机械结构磨损大、精度低等缺点,研制了一种低功耗线性位移霍尔传感器,具有功耗低、线性度好、精度高、抗干扰性强等优点.同时,基于线性霍尔传感器技术和新型压电阀控制技术,推出了一款国产新型霍尔式智能气动控制器.与传统连杆式产品相比,具有一系列优点,譬如无接触、无机械磨损、滞后小、结构简单可靠、运行寿命长、精度高等[1-2].     

差动电容小位移传感器的研究

设计了一种差动电容式位移传感器,它可对微小位移进行测量.设计了传感器的机械框架以及信号处理电路,主要包括正弦激励电路、转换桥路、信号放大电路、精密整流电路和滤波电路.对传感器的工作原理进行了分析,对电路参数进行了计算.该传感器结构简单、使用方便、成本低.实验结果表明测量范围为0～0.6 mm,具有很好的线性度.     

双层纳米光栅微位移检测仿真

针对现有光栅位移传感器分辨率和精度难以提高、体积较大的难题,设计了面内和离面位移检测的双层纳米级光栅结构。用严格耦合波理论分析了单层纳米光栅的衍射特性,通过Gsolver软件对面内和离面的双层纳米光栅结构进行模拟仿真。仿真结果表明:这2种双层纳米光栅结构的0级透射光和反射光的衍射效率随第二层纳米光栅结构的位移移动量周期性变化,通过探测纳米光栅的衍射效率来获得面内或者离面的位移移动量。     

面向点胶技术位移放大机构的设计与分析

设计了一种适用于点胶技术的位移放大机构,并采用了一种全新的位移放大比计算公式作为结构设计的理论依据。通过实验测试发现放大比的仿真结果与实际值误差在10%以内,最后通过点胶平台测试了该放大机构点胶的可行性以及点胶的一致性。     

垂直型多级位移放大机构设计与力学解析建模

针对压电位移放大机构在垂直方向较难实现大行程、高频带宽度的问题,结合两个复合菱形机构、两个杠杆机构以及一个普通菱形机构,提出了一种垂直型多级位移放大机构。基于能量守恒方法和弹性梁理论建立了位移放大比和输入/输出刚度解析模型,根据拉格朗日方程推导了固有频率解析模型。通过有限元法对解析模型进行了验证,所建立的位移放大比解析模型有较高的预测精度,可为大行程垂直型柔顺平台的优化设计提供参考。与文献中的位移放大机构性能对比结果表明,提出的垂直型位移放大机构具有更好的静动态平衡性能,其位移放大比可达43.29,同时保持一个较高的固有频率561.28 Hz。     

柔性二级差动式微位移放大机构优化设计

微位移放大机构常常用来扩大压电陶瓷致动器的行程范围。鉴于差动式微位移放大机构具有"小结构大倍数"的特点,设计了一种新型二级差动式杠杆微位移放大机构。应用矩阵表示法对其进行了运动静力学分析,在此基础之上,以柔性铰链的分布位置及其几何特征参数为优化变量,并以提高位移放大比和减小最大应力为目标函数建立一种双目标优化模型。机构经过优化设计后位移放大倍数高达48倍,并对其进行有限元仿真分析,计算结果为44倍,理论模型与有限元模型的误差小于10%。结果表明：提出的优化模型具有准确性和高效性,同样可适用于其他柔性铰链机构的优化设计。     

Design and development of compliant mechanisms for electromagnetic force balance sensor

Compared with the lever-type amplifier, the rhombus-type amplifier has attracted more attention by virtue of large displacement amplification ratio, compact structure, and linear output displacement. In this paper, a novel electromagnetic force balance sensor (EFBS) based on the rhombus-type amplifier is presented to measure the mass with high precision. First, the structure and operating principle of the EFBS are described, and the requirements for the design and manufacture of the amplifier are put forward. Then, the analytical models of the two-stage rhombus-type amplifier are given out, and two guiding mechanisms are analyzed and modeled. Furthermore, the validity of the established model is verified by finite element analysis (FEA). Thanks to the theoretical guidance, an electromagnetic force balance sensor based on the two-stage rhombus-type amplifier and double parallelogram flexure mechanism is designed and tested. The experimental results demonstrate that the developed EFBS can measure the mass of the objects with high precision, and also verifies the correctness of the analytical model. This provides a new concept for the structural design of the EFBS.     

Analytical modeling, optimization and testing of a compound bridge-type compliant displacement amplifier

This paper investigates a flexure-based compound bridge-type (CBT) displacement amplifier for piezoelectric drives. In addition to the advantages of large amplification ratio and compact size, the CBT amplifier has a larger lateral stiffness and is more suitable for actuator isolation and protection than the ordinary bridge-type amplifier. An analytical model for amplification ratio calculation is established based on the Euler-Bernoulli beam theory because other simple theoretical approaches cannot predict the ratio properly. The reason why those approaches fail is discovered by resorting to the elastic model. The input stiffness and resonance frequency of the amplifier are also analytically modeled and verified by finite-element analysis (FEA). The derived models are utilized to optimize the amplifier structure through particle swarm optimization (PSO) to obtain a large resonance frequency subject to other performance constraints. The performances of the fabricated amplifier with optimized parameters are confirmed by both FEA simulation and experimental studies. Because an output displacement over 1 mm is achieved by the designed amplifier, it is employable to develop micro/nanopositioning stages with a cubic millimeter sized workspace.     

时栅位移传感器的动态特性研究

为了解决时栅角位移传感器的动态测量问题,在基于静态的时栅位移传感器电磁仿真的基础上,通过引入运动单元模块,建立了时栅位移传感器的动态电磁仿真模型。通过分析时栅位移传感器的感应电动势幅值信号和感应频率信号,得到了动态条件下的时栅位移传感器感应电动势幅值和频率与转子转速的关系,并测算了磁场式时栅位移传感器在激励频率为400Hz的情况下,理论上能够达到的极限转速为8r/min。实验结果表明,转子转速在0～8r/min时传感器动态误差为±1.4″,速度超过8r/min时传感器精度开始恶化,转子转速为10r/min时传感器误差为±8.2″。     

Computational parametric analysis and experimental investigations of a compact flexure-based microgripper

This paper presents a flexure-based piezoelectric actuated microgripper for high precision grasping/releasing tasks. The design of the microgripper consists of a three-stage amplification and transmission mechanism, and the parallel grasping technique. A bridge-type mechanism and two sequential lever-type mechanisms are symmetrically connected to amplify the output displacement of the embedded piezoelectric actuator. The parallelogram mechanisms assist in linearizing the output displacement of both jaws of the microgripper. The computational analysis is conducted to investigate the effect of the dimensional parameters on the characteristics of the microgripper. A computational parametric optimization methodology is established to achieve the required attributes of the microgripper. The design optimization resulted in a compact design, a high displacement amplification ratio, and a large output displacement of the microgripper. The experimental studies are conducted to investigate the key characteristics of the microgripper such as the displacement amplification ratio, the output displacement, tracking performance. Further, the parasitic motion, input-end and output-end motion resolution of the microgripper are identified. The experimental results indicate that the compact microgripper can achieve a high displacement amplification ratio and large output displacement with a high positioning accuracy.     

基于柔度比优化设计杠杆式柔性铰链放大机构

分析与研究了柔性铰链的柔度特性,用于柔性放大机构的优化设计。提出了一个通用的柔度比参数λ,探讨了具有不同柔度比λ的柔性铰链主要输出位移形式的灵敏度,分析了它对常用柔性铰链的柔度特性的影响规律。然后,以柔性铰链的柔度比λ为基本参数,在考虑柔性铰链转动中心偏移量的基础上,推导了二级杠杆式柔性铰链放大机构放大率的理论计算方法,并依据柔性铰链的柔度比特性提出了柔性放大机构的优化设计方法。开展了有限元仿真和实验研究。结果显示,优化后的柔性放大机构的放大率比优化前的放大率分别提高了0.234和0.23。实验表明,依据柔性铰链的柔度比λ对柔性放大机构进行优化设计能够有效地提高柔性放大机构的位移放大率与工作行程,进而提高放大机构的末端运动及定位精度。     

磁致伸缩位移传感器检测信号分析

实验研究了磁致伸缩位移传感器的探测电压信号,以便提高磁致伸缩位移传感器的检测精度。分析和验证了波导丝材料、驱动脉冲电流、检测线圈等参数对磁致伸缩位移传感器输出电压的影响规律。对检测线圈进行了优化设计,基于实验数据确定了传感器的各项参数值。实验发现磁致伸缩系数大、魏德曼效应显著的Fe-Ga材料作为波导丝,可明显提高电-磁-机械能的转换效率,获得较大的检测电压信号。研制了新型Fe-Ga波导丝磁致伸缩位移传感器样机,并与Fe-Ni波导丝传感器进行了性能对比。结果表明,与Fe-Ni波导丝相比,Fe-Ga波导丝磁致伸缩位移传感器的检测信号明显增强,信噪比显著提高,其检测电压信号幅值比Fe-Ni波导丝检测电压信号幅值提高了40mV,相应的传感器精度提高了2倍。     

新型双臂菱形压电柔性机构理论设计与建模

针对目前传统菱形位移放大机构的输出刚度、固有频率和位移放大比无法同时提高的问题,提出了一种双臂复合菱形柔性机构,并介绍了其理论设计与建模方法。基于欧拉-伯努利梁理论和卡氏第二定理,推导出双臂复合菱形柔性机构的位移放大比和刚度解析模型,利用拉格朗日方程建立了该柔性机构的固有频率解析模型,并通过商业有限元软件验证了解析模型的准确性。根据理论计算结果,通过电火花切割工艺加工出复合柔性机构,并与相同尺寸参数的传统菱形位移放大机构进行实验比较研究。实验结果表明,压电双层臂柔性机构的固有频率为1330Hz,位移放大比为4.2,同时提高了固有频率和放大比。此外,所建立的位移放大比和固有频率力学解析模型可以为新型压电柔性机构的优化设计提供理论指导。