四自由度压电微夹钳的结构设计及尺寸参数优化

为提高微夹钳操作微对象时的灵活性,探索四自由度压电微夹钳的实现问题,将制成相应形状并分割驱动电极的两片压电陶瓷晶片进行粘结,制作出微夹钳,并将两组空间垂直交叉的横向逆压电效应作用于钳指上,使单个钳指产生夹持方向和垂直于夹持方向的微位移,从而使整个微夹钳(两个钳指)具有4个自由度.在综合考虑微夹钳输出位移、固有频率、制作工艺的情况下,采用有限元分析方法,对钳指长度、宽度、厚度进行了优化,对优化后微夹钳的输出位移和振型进行了分析.对微夹钳的输出位移进行了测试,结果表明:在60 V的最高驱动电压作用下,左、右两钳指沿夹持方向的最大位移分别为25.6μm、24.3μm,沿垂直于夹持方向的最大位移分别为32.1μm、30.9μm;两钳指的输出位移具有良好的重复性.     

一种非对称式压电驱动微夹持器

针对微管类(直径0~300μm)零件的夹持需求,基于有限元分析设计了一种非对称式压电驱动的微夹持器.该微夹持器采用柔性铰链实现压电陶瓷输出位移的传递和放大.采用平行四杆机构实现夹钳末端的平行移动.通过检测柔性铰链处应变的方法,间接地测量夹持力和位移信息.微夹持器的实验特性显示位移的放大倍率为5.6倍,夹持器末端夹钳可以实现平行移动.力和位移标定实验中显示夹持力的分辨力在2.41 m N,位移的分辨力在0.22μm,且力/位移与应变具有很好的线性关系.采用增量式PID的控制算法对系统进行力/位移的闭环控制.以微型玻璃管(直径150μm)夹持为例,系统的阶跃响应实验显示,系统的力/位移控制可以实现无超调.实验结果表明增量式PID控制算法可以实现对本微夹持器力/位移的准确、稳定控制.     

基于自感知反馈的压电微夹钳PID控制

为了避免应用外部传感器,采用自感知方式实现压电微夹钳的闭环控制.压电微夹钳钳指在电压与外力作用下输出位移并在其表面产生电荷,据此提出了基于电流积分的钳指位移自感知方法;将PID控制器中的矩形积分改为抛物线积分,对偏差的微分改为对输出的微分,设计出了压电微夹钳的改进PID控制器,并将其同自感知反馈方式相结合,设计出了压电微夹钳的自感知反馈控制系统.实验结果表明:在自感知反馈控制作用下,压电微夹钳对5μm阶跃参考位移的响应时间为0.34 s,若不考虑噪声影响,稳态误差几乎为零;在最大位移为14.1μm的任意波形参考位移的作用下,压电微夹钳的自感知反馈控制亦可取得良好的控制效果,其稳态误差中线在-0.06~0.05μm之间变化.     

驱动刚度非线性对双检测微陀螺性能的影响

驱动刚度非线性的存在会导致幅频曲线出现典型的非线性硬化特性,从而影响双检测微陀螺检测输出信号和灵敏度的稳定性。为对比线性刚度和非线性刚度对微陀螺检测输出的影响规律,首先求解线性刚度下系统的稳态响应,其次采用多尺度法求解非线性动力学方程的近似周期解,并考虑科氏力对检测输出的影响,在此基础上探讨驱动刚度立方非线性对双检测微陀螺系统主共振的幅频曲线、共振频率、灵敏度的影响规律。研究发现:驱动模态共振频率与刚度非线性及振动峰值密切相关;刚度非线性越强,固有频率的漂移量对振幅的变化就越敏感。较弱的驱动刚度非线性就会导致检测一和检测二在驱动模态频率处的幅值大幅下降,由此对微陀螺的输出信号产生极大影响,降低了微陀螺检测信号的稳定性,并与基于线性设计的灵敏度值产生极大的偏差。     

静电致动圆形微泵膜片的变形计算

针对静电驱动微泵（micropump）多能量域系统仿真中存在计算量大的问题,基于弹性力学小挠度变形理论和微机电系统中的静电驱动理论,建立了静电力驱动下圆形微泵膜片（membrane）的变形曲面方程,采用伽辽金加权残值法得到膜片变形和泵腔容积变化的半解析式,结果显示膜片的变形和泵的容积变化与驱动电压的平方成正比．采用本文公式建立微泵系统宏模型（macromodel）或集中参数模型,有助于提高微泵系统仿真的计算效率．     

一种压电致动微夹钳及其开环位移特性

微夹钳是微装配与微操作过程中直接与被操作对象相接触的末端执行器,对微装配与微操作任务的完成起着决定性作用．介绍了一种采用压电致动的微夹钳的工作原理、结构组成及实验原型,该微夹钳采用一种基于双边和单边直圆柔性铰链的单片柔顺机构实现微位移传递／放大功能,同时实现微夹钳夹爪平行移动．针对本文研究和开发的一种微夹钳的原型建立了实验装置并进行了开环位移特性测试．实验结果表明,微夹钳的夹爪能够实现平行移动,夹爪的输出位移与输入位移呈线性关系,且微夹钳单边夹爪输出位移最大可达150μm．     

振动固定板结构体积位移的获取

在低频时控制振动板结构的体积位移是降低结构总声功率的一种有效策略.提出一种阵列式压电式传感器的设计方法测量固定板体积位移.通过对PVDF传感器阵列输出信号设计的加权系数,使PVDF传感器阵列输出信号为相应结构体积位移.结果表明这种阵列式PVDF传感器的加权系数与施加在振动板表面的外激励力性质(如激励力类型、位置等)无关.并且分析了影响阵列式PVDF传感器的各种因素及其适应性.     

基于叉指电容阵列模块的宽量程微纳力源装置

微纳牛顿量级的标准力源是微纳力测量和量值溯源装置中的核心部件,如何在较低电压下获得稳定的宽量程标准微纳力源,是提高微纳力测量装置测量准确度、扩大测量范围需解决的重要技术问题.利用叉指电容结构,通过引入叉指电容阵列的方法,设计了一种能在较低电压下输出宽量程标准微纳力值的力源.经分析表明:该装置能在较低恒定电压下实现稳定的...     

利用PVDF阵列测量结构曲率模态的实验

提出利用PVDF阵列直接测量结构曲率模态。在振动梁表面均匀布置一组PVDF压电薄膜,测量结构在外加点激励作用下的动态响应,得到频率响应函数,进而通过模态软件对数据进行分析,得到其曲率模态。数值分析和实验结果表明：利用PVDF阵列可以有效地测量得到结构的曲率模态,且方法与激励力位置无关。由于方法操作简便,PVDF压电薄膜附加质量可忽略不计,与常规通过模态振型计算曲率模态的方法相比具有明显优越性。     

侧壁压阻式力传感器的研制与标定

在对现有微操作中夹持力问题进行分析的基础上,提出了一种基于面内侧壁压阻的力传感器加工方法,成功地在MEMS微夹持器上集成了压阻式的力检测传感器,对夹持力的检测反馈实现了微操作的闭环控制.该方法利用离子注入工艺和深度反应离子刻蚀（DRIE）工艺相结合制作检测梁侧壁压阻,改善了侧壁压阻工艺与其他工艺间的兼容性问题.最后通过压电叠堆驱动平台结合精密电子秤对压阻传感器进行了标定.测试表明,这种微力传感器加工技术可以很好地与其他工艺相兼容,力传感器的灵敏度优于72V/N,分辨率优于3μN.