一种基于谐振式传感的压电叠堆传感执行器的研究

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。

目录

第1章 绪 论

1. 1 课题背景及研究意义

1. 2 国内外研究现状

1. 3 国内外研究现状分析

1. 4 本课题的主要研究内容

第2章 压电传感执行器的数学建模与结构设计

2. 1 引言

2. 2 压电式执行器的数学建模

2. 3 石英谐振式传感器的理论基础

2. 4 压电传感执行器的结构设计及封装

2. 5 本章小结

第3章 压电叠堆传感执行器的仿真分析

3. 1 引言

3. 2 有限元分析模型的构建

3. 3 石英晶振片的频率特性分析

3. 4 压电叠堆传感执行器动力学特性仿真

3. 5 石英晶振片振荡差频电路设计和仿真

3. 6 本章小结

第4章压电叠堆传感执行器的实验研究

4. 1 引言

4. 2 实验系统的设计与搭建

4. 3 压电传感执行器的位移输出特性

4. 4 压电叠堆传感执行器的力传感特性

4. 5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢