基于高速摄像的双线性振动陀螺力学特性分析

针对微机械陀螺特征尺寸小、振动频率高,其动态特性难以精确评价的问题,提出了基于高速摄像技术、显微技术与数字图像相关技术的测试方案。并用此方法测量了双线性振动陀螺的固有频率、品质因子、—阶模态振型和杨氏模量。实验数据表明,系统分辨率可达0.01 μm,不同驱动频率下所测振子响应频率误差小于0.023%。     

基于高速摄影动态测试微陀螺振动

针对微机电系统(MEMS)特征尺寸小,常用的动态测试方法和系统还有一定的缺点等问题,本文在介绍MEMS常见的三种动态测试方法的基础上,给出了一种基于高速摄影的微陀螺振动动态测试系统。介绍了系统的硬件架构和软件功能。在动态测试的关键算法上,应用Otsu算法对图像进行分割,使用感兴趣区域(ROI)和不变矩方法得到振动曲线,通过幅频分析得到微机械陀螺的振动特性。实验结果表明:使用这种方法测量振幅的精度达到了0.1 μm;频域测量的重复性和一致性也较好。这种动态测试方法稳定可靠、精度高、抗干扰能力强,可以极大地减少计算量,提高系统运行速度。     

微机械陀螺的动力学特性研究

有关微机械振动式陀螺的动力学特性测试的结果很多,而与微机械振动式陀螺设计相关的动力学特性的定量结果却很少见.文中基于拉格朗日方程建立微机械振动式陀螺的动力学方程,分析其动力学特性,推导其灵敏度与非线性度的计算公式,考虑输入角加速度影响的情况下,分析其带宽特性,并对其带宽特性进行模拟.所得结论对微机械振动式陀螺的设计提供一定的理论依据.     

微机械振动环陀螺

为了减小振动环驱动模态和检测模态的频率差从而提高陀螺性能,提出了一种采用电磁驱动、电磁检测的全对称振动环陀螺结构。采用MEMS体硅工艺完成该微机械振动环陀螺的加工,其结构在保持镜像对称的同时,还保持了中心对称,因此整个结构高度对称,有利于减小模态频率差。为有效跟踪陀螺驱动模态的谐振频率并稳定驱动模态的幅值,设计了闭环驱动控制电路。该电路由低噪声前置放大器、相位调整环节以及自动增益放大器(VGA)组成。测试结果表明,该陀螺两个模态频率差为0.27 Hz,实现了频率较好的匹配。在±200 °/s,测得陀螺灵敏度为8.9 mV/(°/s),分辨力为0.05 °/s,非线性度为0.23%。     

硅微陀螺机械热噪声研究

振动式硅微陀螺仪要在各种噪声干扰下,检测出极其微弱的有用信号.随着硅微陀螺性能的不断提高,机械热噪声对微陀螺的影响愈加显著,决定了振动式硅微陀螺的极限分辨率.本文给出了机械热噪声的产生机理,推导得出机械热噪声等效角速率表达式.分析表明,提高微陀螺的品质因数、增大质量和谐振频率可减小机械热噪声.     

栅结构微机械陀螺运动特性的研究

对一种新型微机振动陀螺原型的运动特性进行了理论分析。采用差分电容信号调制解调方法测量了微机械陀螺驱动和检测模态的幅频特性。理论计算和实验结果表明,在大气状态下,该微机械陀螺驱动模态和检测模态的品质因子具有相近数值,在100左右。测量了驱动模态民激励驱动下,微机械陀螺检测模态的幅频特性,实验结果表明,在无角速度输入的情况下,微机械陀螺在驱动模态和检测模态的谐振模态的谐振频率处发生谐振。     

一种高性能电磁式微机械振动环陀螺

模态匹配和高的品质因数是提高振动环陀螺性能的关键。设计制作了一种电磁式微机械振动环陀螺,采用了全对称的结构以实现模态匹配。通过理论推导建立了陀螺灵敏度和机械噪声的数学模型,分析了陀螺参数对灵敏度及分辨力的影响。采用（100）晶向的单晶硅及MEMS体硅标准工艺加工了陀螺样片,该工艺简单,无需键合。器件频响实验结果表明,所设计的振动环陀螺驱动模态和检测模态频差小于0.5Hz,大气压下品质因数约为500,在1Pa的低真空下达到14000。锁相放大器测试结果表明,在-200 ~200 o/s测量范围内,陀螺分辨力为0.05o/s,灵敏度为0.2uv/ o/s。测试结果表明该陀螺能够实现模态匹配和较高的品质因数,具有较高的性能指标。     

振动轮式微机械传感器非线性力学特性的研究

用能量法计算了振动轮式微机械角速率传感器中梁的力矩—转角的非线性关系 ,分析了在这种非线性影响下的传感器幅频、相频特性。试验结果表明在这种微传感器中确实存在非线性振动现象。用推导出的公式得到的计算数据与试验数据吻合得较好。最后提出了减小微结构非线性特性的措施     

振动轮式微机械陀螺仪中滑膜阻尼机理的研究

对空气阻尼进行定性和定量分析是MEMS器件设计中非常重要的一个步骤，直接影响MEMS器件的动态性能。研究了第三个区域中振动轮式微机械陀螺仪的滑膜阻尼，提出了滑膜阻尼模型，分析了滑膜阻尼的动态性能，包括速度分布、阻尼机制以及由此产生的能量损耗。根据滑膜阻尼分析结果，给出了品质因数的计算公式。试验表明，空气条件下振动轮式微机械陀螺仪品质因数的测试结果与理论值的误差约为16%。研究结果为振动轮式微机械陀螺仪结构设计中定量分析空气阻尼提供了理论依据。     

一种单晶硅振动环陀螺仪的设计与制作

介绍了振动环式陀螺仪的基本工作原理,分析了传统的振动环式陀螺仪所存在的缺陷.并针对这些问题,设计和制作了一种单晶硅式振动环陀螺仪.该陀螺仪采用硅玻璃键合工艺制作,利用振动环作为敏感元件,选取静电激励、电容检测的工作方式.设计陀螺仪的工作频率高于15 kHz,以降低了环境对陀螺仪性能的影响.陀螺仪的制作方法简单,只需要2块掩模板,便于批量化生产.     

振动筛侧板及筛框动态设计

以自同步香蕉形振动筛侧板及筛框为算例,采用有限元的理论和方法,在Pro/E软件中建立三维模型,导入到ANSYS软件中对其进行了模态分析,得到了自同步香蕉形振动筛侧板及筛框的动态特性分布规律,求出固有频率和固有振型,找出侧板及筛框结构上不合理的部位并进行了动力学结构改进,使其固有频率远离工作频率10%以上,证明改进后的设计是合理的,有效地提高了振动筛性能,并可推广应用到类似产品的结构改进。     

高速动车组车轮内孔纵向划伤的试验研究

高速动车组车轮在注油退卸时会出现内孔纵向划伤现象,为研究纵向划伤对车轮压装和退卸的影响,文中对内孔划伤车轮进行试验研究.根据试验数据得出,划伤深度＜ 0.25mm时,内孔划伤对车轮压装和退卸均无明显影响;划伤深度≥0.2mm时,车轮无法满足注油退卸要求.     

单级齿轮传动系统有限元节点动力学模型及高速动态性能分析

研究用有限元节点建模方法建立考虑轴、齿轮转子陀螺效应的单级齿轮传动系统动力学模型,计算得到系统固有特性,与有限元软件和试验测量得到的结果进行对比,三种方法得到的系统固有频率具有一致性,验证有限元节点动力学模型有效性。由转子动力学稳定性理论计算得到系统的涡动临界转速等高速动态性能参数与响应特征,建立的齿轮轴系动力学模型为高速齿轮系统的设计及稳定性分析提供了基础参考。     

基于高速摄像系统的电极丝动态特性实验

针对柔软的电极丝在充满工作液的微细切缝中快速移动加工,很难用常规的实验仪器验证理论模型分析得出的电板丝动态特性结果问题。文中提出了将高速摄像应用到电极丝动态特性实验研究的方法。首先,通过电极丝状态方程的Jacobian矩阵对其固有频率进行理论分析。然后,建立基于高速摄像机的电极丝动态特性实验系统,并提出基于HALCON软件的电极丝图像处理算法。最后,根据三组不同工况,分别进行了电极丝动态特性实验,实验研究结果表明:理论分析得出电极丝频率结果与实验检测结果基本一致;并且在脉冲电源不放电情况下,电极丝向工件加工边偏移振动;工作液可以有效抑制电极丝振动,但对低频振动抑制不显著;同时,电极丝换向移动对其动态特性影响很大。     

高速轮轨黏着特性三维简化数值模型研究

通过对轮轨载荷和运行参数的三维膜厚状态图的分析,发现水介质表现出弹性等黏度特性。为此,应用Grubin简化弹性流体动力润滑模型,结合Greenwood Tripp微观固体接触理论,建立水介质存在时的高速轮轨黏着特性的三维简化数值模型。分析表明,该模型能很好地反映轮轨黏着情况,且求解时不需对雷诺方程反复迭代求解,计算过程简单。研究速度、粗糙度、接触压力以及边界摩擦因数对黏着系数的影响。结果表明,相比于其他因素,速度和粗糙度对黏着系数影响较大,随着速度的增加,黏着系数减小,随着粗糙度的增加,黏着系数先增大后达到一稳定值。     

轮对扁疤对高速列车转向架振动特性的影响

为准确预测高速列车轮对擦伤对车辆性能的影响,基于车轨耦合动力学和非赫兹接触理论,对新旧两种轮对扁疤的几何外形进行数值描述,建立了考虑轮对扁疤的高速列车动力学模型,分析了轮对扁疤激扰对车辆走行部的影响。结果表明,旧扁疤对走行部冲击要大于新扁疤,随着扁疤尺寸的增大,走行部各部件受到的冲击载荷与振动加速度逐渐增大;随着速度增大,轮轨间垂向冲击先增大、后减少;当扁疤长度为10mm,速度为100km/h 时,轮轨垂向力达到最大值;随着速度增加,走行部簧下部件与簧上部件的振动特性差异不断加大。以轮轨垂向力为判断标准时,轮对扁疤尺寸应限制在30mm以内。     

基于结构单元的机床动态特性分析

针对整机动态特性优化,提出基于结构单元的优化方法。首先选用空间占比一致的四种典型筋板结构单元,对比分析研究验证其具备不同的动态特性;然后分别对四种结构单元组成的立柱、床身和整机动态特性进行对比分析研究,验证不同结构单元对其动态特性的影响。结果显示:三边体的单元首阶固有频率最高,四边体的床身较其它首阶固有频率高,三边体的立柱首阶固有频率明显高于其他,三边体的整机首阶固有频率较四边体高出5%。由此可见,三边体的机床具有更好的整机动态特性,在机床优化过程中应优先考虑三边体结构单元。