一种基于谐振式传感的压电叠堆传感执行器的研究

发布时间：2020-01-22 20:51

【摘要】：随着压电智能材料研究与发展的不断深入,利用压电材料实现执行器与传感器的集成一体化势必将成为今后的一大研究趋势。在压电研究领域中,压电陶瓷凭借着压电常数大、稳定性好以及响应速度快等特点被广泛应用于压电执行器的研究和制作;而石英晶体由于具备机械强度高、线性度和分辨率好等优点常被应用于高精度传感器的研究和制作。为此,本文结合两种压电材料的特性,面向机电系统智能测控、精密运动以及微定位领域,从理论研究、仿真分析、实验验证三个角度出发,研制了基于谐振式传感的压电叠堆传感执行器,使其同时具备力、位移的输出和传感功能,并重点分析了执行器部分不同工况对传感器部分力-频特性的影响,以此探究了该类结构的适用范围。本文以压电陶瓷和石英晶体为研究对象,结合压电材料的基本理论实现了基于谐振式传感的压电叠堆传感执行器的结构与封装设计,并建立了压电叠堆结构的数学模型,分析了石英晶振片的基本检测机理。构建有限元分析模型,运用ANSYS软件进行压电叠堆传感执行器频率特性和动力学特性仿真。通过改变石英电极结构的半径和厚度,分析了电极结构参数对石英谐振频率和振动模式的影响,并在此基础上获得了压电叠堆传感执行器的力-频特性曲线;基于模型的动力学特性仿真分析,确定了模型的基本工作条件和输出位移响应特性。运用Multisim软件完成了传感部分振荡差频电路的设计和仿真,通过仿真分析验证了电路的合理与可行性。为了验证理论和仿真分析的正确性,制作了压电叠堆传感执行器样机,设计并搭建实验平台,通过LabVIEW软件对实验信号进行记录和处理,基于实验获取样机在不同激励信号下的位移输出特性。在此基础上,改变执行器部分的工作条件,对传感器部分的力-频特性进行了实验研究,初步探讨了样机正常工作的使用前提。通过实验和仿真结果对比,验证了本文理论与仿真分析的正确性。
【图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文和执行器的集成方式，主要区别在于传和实现。就结构集成型压电传感执行器由两个独立器件承担；相对的，功能集实现传感和执行功能。执行器与压电传感器的探索已相当深入构集成型传感执行器研究方面，Greitm 所示的微型机器人，其微型机械指分为臂梁结构，可实现机械指抓取工件过程中胀系数存在差异，当执行指受到电压驱该机械指属于传感器和执行器结构集成

如图 1-1 所示的微型机器人，其微型机械指分为传感指用硅基悬臂梁结构，可实现机械指抓取工件过程中检测夹硅的热膨胀系数存在差异，当执行指受到电压驱动时发拾取。该机械指属于传感器和执行器结构集成的典型例图 1-1 Georg 等研制的微型机械指结构[24 ] 年 Xu[25]研制了集成位置和微力检测的压电微夹钳，该应变片进行集成，压电叠堆产生驱动信号，采用两片应力的检测，结构示意图如图 1-2 所示。基于位置和力反切换控制方案的设计，成功实现了对微型物体的夹持与
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

【参考文献】

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2 盛p，

本文编号：2572068