基于PZT力传感检测的（微）纳米环境中PZT驱动位移感知研究

摘要

纳米科学技术的重要性已成为世界性共识，成为世界关注的重要科技前沿。人们在对纳米世界的认识与改造中，需要借助一系列的工具，其中微驱动器PZT的优良性能已经得到了广泛的认可。但是由于它存在着迟滞、蠕变和非线性等不足，影响到纳米级系统驱动的静态和动态性能。在微定位与微驱动中使用PZT驱动器时，若采用传统的基于驱动电压的控制模型和控制方法必然存在重复定位精度差、非线性位移等缺点，使得基于压电陶瓷驱动的定位与驱动系统成为一个复杂的非线性系统，给系统的控制带来了困难，限制了压电陶瓷的进一步应用。因此本文针对微(纳)环境下PZT驱动器由于其固有的非线性不足，研制一种能检测PZT驱动力的传感器，根据驱动器形变力的唯一性，通过基于力反馈控制方法解决PZT的非线性和迟滞效应，将力/电压校正为线性模型，为PZT驱动器的实时线性化的控制提供一种简单易行的方法。 本文是以国家自然科学基金重点项目“纳米环境中机器人化操作的理论体系与实现方法”为研究背景，以中国科学院合肥智能机械研究所机器人传感器实验室多年来在力传感器和测力平台的研究工作为基础，进行能获取PZT实时驱动力信息传感器的研制。 本文的主要研究内容如下： 1.检测PZT驱动力的传感器结构设计：根据PZT驱动器的刚度高，驱动力大，驱动位移小等特点，结合项目中驱动器的安装方式，设计了一种基于对称柔性铰链框架式结构的力检测传感器。通过理论计算，设计了传感器的形状及放大比，利用有限元法分析了该传感器静态和动态性能。 2.传感器软硬件系统设计：针对传感器系统要进行实时、高速的信号采集、分析和双向通讯的特点，以C8051F040单片机为核心对传感器的硬件和软件系统进行了设计。主要包括传感器力信号的采集、处理以及上下位机通讯的CAN总线系统的设计。 3.传感器性能分析：通过实验室的砝码重锤式六维力传感器标定平台对该传感器进行了动态以及静态性能的标定。文中介绍了利用该平台传感器标定的基本原理与步骤，给出了传感器的标定及校准数据的优化方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1纳米科技研究的意义与发展趋势

1.2 PZT驱动器的国内外研究现状

1.2.1迟滞机理分析研究现状

1.2.2迟滞算子描述压电陶瓷迟滞现象的研究

1.2.3拟合压电陶瓷迟滞曲线模型

1.2.4压电陶瓷驱动器控制方法的研究现状

1.3选题背景和章节安排

1.3.1选题背景及意义

1.3.2章节安排

第二章(微)纳米环境下PZT的驱动力检测以及传感器的结构原理

2.1压电陶瓷驱动力的特点以及检测方式

2.1.1压电陶瓷的基本特性

2.1.2压电陶瓷驱动器的力检测

2.2柔性铰链的特点及其应用

2.2.1柔性铰链的介绍

2.2.2柔性铰链的应用

2.3位移放大原理及放大机构的设计

2.4本章小结

第三章力传感器的设计及静、动态仿真实验研究

3.1传感器弹性体的结构设计

3.1.1传感器外形结构的确定

3.1.2柔性铰链参数设计

3.1.3传感器材料的确定

3.2几种方案及结构参数的设计与理论计算

3.3传感器的有限元分析

3.3.1有限单元法结构分析原理及应用

3.3.2应用有限元法的求解步骤

3.3.3四种方案的对比分析

3.3.4传感器贴片处的厚度和位置的确定

3.4传感器的模态分析

3.5本章小结

第四章系统的信号采集、处理及数据传输

4.1系统总体设计

4.2系统的硬件设计

4.2.1单片机的选择

4.2.2信号调理电路

4.2.3接口模块

4.3软件设计

4.3.1软件总体设计

4.3.2数据采集软件设计

4.3.3数据处理程序设计

4.3.4 CAN总线通讯软件设计

4.4本章小结

第五章传感器的标定

5.1传感器的静态特性标定实验

5.1.1传感器静态标定的基本知识

5.1.2标定方案和标定装置

5.1.3标定实验

5.2传感器的动态特性标定实验

5.2.1传感器的动态标定方法

5.2.2传感器的动态标定实验

5.3本章小结

第六章工作总结和展望

6.1工作总结

6.2工作展望

参考文献

硕士期间的主要工作及成果

致谢