【摘要】：隨著壓電智能材料研究與發(fā)展的不斷深入,利用壓電材料實現(xiàn)執(zhí)行器與傳感器的集成一體化勢必將成為今后的一大研究趨勢。在壓電研究領(lǐng)域中,壓電陶瓷憑借著壓電常數(shù)大、穩(wěn)定性好以及響應(yīng)速度快等特點被廣泛應(yīng)用于壓電執(zhí)行器的研究和制作;而石英晶體由于具備機械強度高、線性度和分辨率好等優(yōu)點常被應(yīng)用于高精度傳感器的研究和制作。為此,本文結(jié)合兩種壓電材料的特性,面向機電系統(tǒng)智能測控、精密運動以及微定位領(lǐng)域,從理論研究、仿真分析、實驗驗證三個角度出發(fā),研制了基于諧振式傳感的壓電疊堆傳感執(zhí)行器,使其同時具備力、位移的輸出和傳感功能,并重點分析了執(zhí)行器部分不同工況對傳感器部分力-頻特性的影響,以此探究了該類結(jié)構(gòu)的適用范圍。本文以壓電陶瓷和石英晶體為研究對象,結(jié)合壓電材料的基本理論實現(xiàn)了基于諧振式傳感的壓電疊堆傳感執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)與封裝設(shè)計,并建立了壓電疊堆結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,分析了石英晶振片的基本檢測機理。構(gòu)建有限元分析模型,運用ANSYS軟件進(jìn)行壓電疊堆傳感執(zhí)行器頻率特性和動力學(xué)特性仿真。通過改變石英電極結(jié)構(gòu)的半徑和厚度,分析了電極結(jié)構(gòu)參數(shù)對石英諧振頻率和振動模式的影響,并在此基礎(chǔ)上獲得了壓電疊堆傳感執(zhí)行器的力-頻特性曲線;基于模型的動力學(xué)特性仿真分析,確定了模型的基本工作條件和輸出位移響應(yīng)特性。運用Multisim軟件完成了傳感部分振蕩差頻電路的設(shè)計和仿真,通過仿真分析驗證了電路的合理與可行性。為了驗證理論和仿真分析的正確性,制作了壓電疊堆傳感執(zhí)行器樣機,設(shè)計并搭建實驗平臺,通過LabVIEW軟件對實驗信號進(jìn)行記錄和處理,基于實驗獲取樣機在不同激勵信號下的位移輸出特性。在此基礎(chǔ)上,改變執(zhí)行器部分的工作條件,對傳感器部分的力-頻特性進(jìn)行了實驗研究,初步探討了樣機正常工作的使用前提。通過實驗和仿真結(jié)果對比,驗證了本文理論與仿真分析的正確性。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文和執(zhí)行器的集成方式，主要區(qū)別在于傳和實現(xiàn)。就結(jié)構(gòu)集成型壓電傳感執(zhí)行器由兩個獨立器件承擔(dān)；相對的，功能集實現(xiàn)傳感和執(zhí)行功能。執(zhí)行器與壓電傳感器的探索已相當(dāng)深入構(gòu)集成型傳感執(zhí)行器研究方面，Greitm 所示的微型機器人，其微型機械指分為臂梁結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)機械指抓取工件過程中脹系數(shù)存在差異，當(dāng)執(zhí)行指受到電壓驅(qū)該機械指屬于傳感器和執(zhí)行器結(jié)構(gòu)集成

如圖 1-1 所示的微型機器人，其微型機械指分為傳感指用硅基懸臂梁結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)機械指抓取工件過程中檢測夾硅的熱膨脹系數(shù)存在差異，當(dāng)執(zhí)行指受到電壓驅(qū)動時發(fā)拾取。該機械指屬于傳感器和執(zhí)行器結(jié)構(gòu)集成的典型例圖 1-1 Georg 等研制的微型機械指結(jié)構(gòu)[24 ] 年 Xu[25]研制了集成位置和微力檢測的壓電微夾鉗，該應(yīng)變片進(jìn)行集成，壓電疊堆產(chǎn)生驅(qū)動信號，采用兩片應(yīng)力的檢測，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-2 所示�；谖恢煤土Ψ辞袚Q控制方案的設(shè)計，成功實現(xiàn)了對微型物體的夾持與
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP212

【參考文獻(xiàn)】

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2 盛p，

本文編號：2572068