介电型EAP驱动的转动关节研究

基于介电型电活性聚合物(EAP)的优点,设计、实现了该材料驱动的转动关节。根据介电型EAP的变形原理设计、制作了圆柱形驱动器,其输出最大位移约为11mm,伸长应变达到33.8%,并对输出力-位移特性进行测试。基于该型驱动器实现了转动关节,转角约为±13°,堵转力矩为19.6mN.m,将转动关节应用于爬行机器人,并对试验结果进行分析。     

EAP换能单元发电量的影响因素分析

电活性聚合物(EAP)作为一种新型电活性软体功能材料,具有多种优点,用于能量收集具有巨大的应用潜力。该文从宏观和微观两个层面阐述了介电材料用于能量收集的机电转化原理,以EAP换能单元为例,说明了EAP换能单元怎样将机械能转化为电能,并阐述了介电弹性体发电机理,为后面EAP换能单元的发电提供理论依据。以其他学者研究得到影响EAP换能单元发电量的因素为基础,通过正交试验得到EAP换能单元发电特性和最佳工作条件,并对试验的可靠性进行了分析。实验结果表明,各因素对EAP材料发电的影响大小顺序为:EAP膜面积>拉伸位移>预加电压>预拉伸率>EAP膜厚度。换能单元最佳工作条件为预加电压1 000 V,预拉伸率400%,拉伸位移4 cm,膜面积62.41 cm~2,EAP膜厚度1 mm。     

差动电容敏感式力学传感器的信号提取电路

通过对加速度计的研究,开发了一类利用差动电容敏感的力学传感器的信号检测电路。在电路中给出了所使用的电子元器件,并进行分析求解,给出了电路的输出电压和传感器信号拾取电容变化量之间的正比例关系。经过实验测试,当电容变化0.01 pF时,就有10 mV的输出电压。故该电路可以检测微弱电容的变化,特别是电容变化量为0.01~1.00 pF的小电容变化。     

加速度传感器信号处理集成电路的研制

设计并制作了一种用于差分电容式加速度传感器的信号处理电路.该电路具有模拟和脉宽调制两种输出方式,能够将差分电容的变化通过模拟电平和输出脉冲信号的占空比表征,实现了对差分电容式加速度传感器信号的测量.电路中集成了自检测驱动单元.电路采用4 μm P阱CMOS工艺制作.初步测试结果表明:在1～5 pF内,电路的灵敏度为10.7 V/pF,可满足大多数差分电容式传感器信号处理的要求.     

基于Comsol的电容传感器仿真研究

本文首先通过麦克斯韦方程推导出电容传感器检测的理论基础,以及采用Comsol Multiphysics软件仿真电容传感器物理性质的方法。从而辨别出封闭圆柱体内介电物质的形状及位置。在此基础之上,本文还对比分析了封闭圆柱体内放入不同介电常数物质检测出的电容值。验证了Comsol Multiphysics仿真电容传感器的有效性。也证明了此软件是学习工程电磁场过程中很好的辅助工具。     

基于压力分布测试的电容式压力传感器北大核心

针对0-0.3 N压力的大小与分布测试,设计了一款电容式压力传感器。通过ANSYS仿真与Matlab数据分析,确定传感器单个敏感单元半径为80μm,腔高0.5μm,膜厚2.5μm。阵元内敏感单元呈行列排布。设计工艺加工流程与版图,并进行干法刻蚀、减薄和键合等关键工艺加工。使用阻抗分析仪和压力计搭建测试平台,结果显示加工得到的压力传感器初始电容平均值为38.03 pF,阵列内电容一致性良好,灵敏度为9.5 pF/N,线性度良好,连接配套数据处理电路可实现压力分布测试。初步满足在小量程压力条件下测试要求,验证了该传感器结构的可靠性,为制备小量程压力传感器奠定基础。     

加速度传感器信号处理集成电路的研制

设计并制作了一种用于差分电容式加速度传感器的信号处理电路。该电路具有模拟和脉宽调制两种输出方式 ,能够将差分电容的变化通过模拟电平和输出脉冲信号的占空比表征 ,实现了对差分电容式加速度传感器信号的测量。电路中集成了自检测驱动单元。电路采用 4 μmP阱CMOS工艺制作。初步测试结果表明 :在 1～ 5 pF内 ,电路的灵敏度为 10 .7V/ pF ,可满足大多数差分电容式传感器信号处理的要求。     

加速度传感器信号处理集成电路的研制

设计并制作了一种用于差分电容式加速度传感器的信号处理电路。该电路具有模拟和脉宽调制两种输出方式，能够将差分电容的变化通过模拟电平和输出脉冲信号的占空比表征，实现了对差分电容式加速度传感器信号的测量。电路中集成了自检测驱动单元。电路采用4μmP阱CMOS工艺制作。初步测试结果表明：在1～5pF内，电路的灵敏度为10．7V／pF，可满足大多数差分电容式传感器信号处理的要求。     

基于电压积分翻转电容法的微位移测量

微小位移测量在工业控制、机械制造等领域应用广泛。本文提出了一种基于电压积分翻转电容法的微位移测量方法,该方法利用平行板电容器充放电的特性,使输出电压根据电容的不同容值而发生周期性的反转,产生相应频率的输出波形。该系统由位移测量电极板、电压积分翻转电路、低通滤波电路和MCU模块组成。位移测量电极板位移变化时其电容发生相应改变,电压积分翻转电路将电容变化值转化为输出信号的频率变化值。低通滤波电路将输出信号滤波,降低高频噪声的影响。MCU模块计算出频率变化值对应的微小位移变化值。实验结果表明：由线性回归分析,基于电压积分翻转电容法的微位移测量,其线性度误差为2.16%,相对误差为0.06%,与其他基于电容的位移测量方法相比,线性度误差比基于电容式传感器的微位移测量法小0.09%,比ZNXD型电容式传感器位移测量法小0.64%;相对误差比基于电容式传感器的微位移测量法小0.26%,比ZNXD型电容式传感器位移测量法小0.14%,比平板式电容器位移测量法小0.36%。相比之下,本文的具有较好的线性度误差和相对误差。     

阻抗型无线无源声表面波传感器的研究

介绍了一种新型的阻抗负载型无线无源传感器,该传感器由声表面波器件与作为负载的外接传感器构成,采用声表面波器件进行信号传输。在工作时,外接传感器阻抗值的变化使声表面波器件反射回波特性也得到改变,通过检测该回波特性的变化,实现无线无源传感。基于耦合模模型的分析方法,得出了其级联P矩阵形式。针对电阻型和电容型两种不同类型的负载,分别对传感器进行了仿真分析和实际测试。试验结果表明,当电容型传感器作为负载时,可以以相位作为探测基准。     

MEMS三维静动态测试系统

采用集成频闪成像、计算机微视觉和显微干涉技术,研制了微机电系统(MEMS)三维静动态测试系统。系统可进行MEMS面内刚体运动、表面形貌、垂向变形和离面运动的测量。对于面内运动测量,提出了基于立方样条插值的亚像素步长相关模板匹配算法,从MEMS视觉图中提取面内位移,匹配精度为0．02pixels。对于离面运动测量,采用Hariharan 5步相移干涉(PSI)算法和去包裹算法,离面运动测量分辨率可达1nm。通过对Si微压力传感器膜和Si微陀螺仪的静动态测试,验证了系统的适用性和可靠性。     

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。     

Polarization retention and switching in ferroelectric nanocapacitors with defects on tensile substrates

We analyze the effect of defects on the polarization stability and switching of epitaxial nanocapacitor ferroelectric films on tensile substrates using a thermodynamic approach. Defects are either frozen-in dipoles of the p-type or trapped space charges. The retention of the in-plane ferroelectric polarization does not suffer nearly at all from the possible presence of dead layers or polar defects but is dramatically impacted by relatively high densities of space charge. Switching is a strong function of defects as well as the presence of a bottom electrode. The out-of-plane dielectric displacement exhibits a spike during switching of the in-plane polarization in films with bottom electrodes but nearly disappears otherwise. Such an effect during polarization reorientation along the film plane could be tailored as a sensing signal. The hysteresis and domain characteristics as a function of interface conditions and defects are discussed for BaTiO₃ strained on tensile substrates.     

透射虚栅计量法及其在液面微变形测量中的应用

提出了一种非接触式结构光测量液面微变形剖面曲线的方法。基于几何透射虚栅变形的原理,推导了液面离面变形与水底虚栅面内位移之间的数学关系。将一张单向几何光栅(频率为1～5line/mm)置于盛有已发生变形的水的透明水槽下方,并在水槽上方布置电荷耦合器件(CCD)相机,记录下因液面离面变形而产生的透射虚栅变形图。使用条纹中心算法对所采集的变形栅图进行细化、赋级和插值运算,可得到该虚栅图的位移矢量场。将之代入所推导的数学关系式中,即可迭代求得液面的离面变形剖面曲线。运用该方法对一分硬币漂浮于水面时引起的液面离面变形剖面曲线进行求解绘制,所测得结果与已有文献的结果相比较相差仅为2%,证明了该方法的有效性和可行性。     

载频电子散斑位移场分离技术研究

提出了载波调制分离位移场的方法.在双光束电子散斑干涉(ESPI)中增加参考光,使这路参考光为两光束所共用.通过偏转物体引入载波调制条纹,具有条纹对比度高的优点.物体加载后,载波条纹受物体变形的调制而发生弯曲变形.实验时,两束光各自独立地对变形物体进行测量,采集物体变形前后的条纹,利用傅里叶变换法,可分别解调得到包含离面和面内位移信息的2幅位移图.理论分析表明,只需简单的位相运算,就能够将面内位移场与离面位移场分离.利用典型的周边固定、中心加载的圆盘实验,表明了该方法的可行性;周边固定、中心加载的圆盘变形所包含的面内位移大小与离面位移相比,大约低1个数量级.     

Combinatorial and probabilistic fusion of noisy correlation measurements for untracked freehand 3-D ultrasound

In freehand 3-D ultrasound (US), the relative positions of US images are usually measured using a position tracking device despite its cumbersome nature. The probe trajectory can instead be estimated from image data, using registration techniques to recover in-plane motion and speckle decorrelation to recover out-of-plane transformations. The relationship between speckle decorrelation and elevational separation is typically represented by a single curve, estimated from calibration data. Distances read off such a curve are corrupted by bias and uncertainty, and only provide an absolute estimate of elevational displacement. This paper presents a probabilistic model of the relationship between correlation measurements and elevational separation. This representation captures the skewed distribution of distance estimates based on high correlations and the uncertainties attached to each measurement. Multiple redundant correlation measurements can then be integrated within a maximum likelihood estimation framework. This paper also introduces a new method based on the traveling salesman problem for resolving sign ambiguities in data sets resulting from nonmonotonic probe motion and frame intersections. Experiments with real and synthetic US data show that by combining these new methods, out-of-plane US probe motion is recovered with improved accuracy over baseline methods using a deterministic model and fewer measurements.      

改进的激光散斑照相法实验研究

激光散斑照相法是实验力学中应用众多的光学测量技术中的一个分支.由于激光散斑照相技术不需要参考光即可实现物体表面形变的测量,与激光全息术相比具有特别的优点,但传统的激光散斑照相法对离面位移不敏感,一般只局限于对面内位移的测量.本文着重于激光散斑技术的应用领域的拓展和激光散斑照相过程的改进,提出一种改进的激光散斑照相方法,并用于对离面位移的测量,用实验验证了所提方法的可行性,将其与传统激光散斑照相法和激光离焦散斑照相法的结果比较,实验表明这种改进在测量微小离面位移方面是有效的且具有更高的精度和可靠性.     

三维相移电子散斑干涉中的位移场分离研究

提出一种可将离面位移与面内位移分离的方法。在双光束电子散斑干涉(ESPI)中增加参考光,使其为两光束所共用。实验时,两束光各自独立地对变形物体进行测量,结合相移技术,可分别得到包含离面和面内位移信息的2幅相位图。理论分析表明,只需简单的相位运算就能够将面内位移场与与离面位移场分离。典型的3点弯曲梁实验证实了该方法的可行性。     

基于电容传感器的精密压电微位移系统研究

利用高精度的电容传感器设计了一种带有位移反馈的压电陶瓷精密微位移系统,极大地矫正了压电陶瓷的非线性。设计了高精度的位移检测电路,实时采集电容传感器的电容量并转换成数字信号反馈给DSP,形成位移信息的闭环。结合带有前馈补偿的PID闭环控制策略,矫正压电陶瓷的非线性特性,进而实现微位移系统精密定位。对设计研制的微位移系统进行试验测试,结果表明:位移检测电路的电容分辨率可达0.000 1pF,微位移系统定位精度优于5nm,校正后迟滞误差低于1.0%。