基于聚焦激波的微结构非接触式激励方法研究

为了解决MEMS微结构非接触式激励的问题,提出了一种基于聚焦激波的非接触式激励方法。该方法的基本原理是利用高压电容空气放电来产生激波,再通过半椭球腔体对激波进行聚焦,从而实现对微结构的非接触式激励。基于该方法搭建了微结构动态特性测试系统,并对矩形等截面和T型单晶硅微悬臂梁的动态特性进行了测试实验,获得了两种微悬臂梁的一阶有阻尼固有频率和阻尼比。实验结果表明:矩形等截面和T型单晶硅微悬臂梁一阶无阻尼固有频率分别为5 912 Hz和2 150 Hz。通过动态测试实验验证了基于聚焦激波非接触式激励方法在MEMS微结构激励上的有效性。

基于空耦超声激励的微结构模态频率温度特性研究

为了研究微悬臂结构弯曲振动模态频率的温度特性,首先针对各向异性材料的等截面矩形微悬臂结构建立了其各阶模态频率温度系数的理论模型;然后搭建了包括激光测振单元、空耦超声激励单元和温度控制单元的非接触式微结构动态特性测试系统;最后利用所搭建的测试系统分别对等截面矩形单晶硅微悬臂梁在室温~300℃时的动态特性进行了测试,获得了微悬臂梁前三阶弯曲振动模态频率随温度的变化规律和频率温度系数。研究结果表明,单晶硅微悬臂梁前三阶弯曲振动模态频率随着温度的升高而呈近似线性的减小,并且微悬臂梁前三阶弯曲振动模态具有几乎相同的频率温度系数,其中一阶模态频率的温度系数为-2.18×10-5/℃,二阶模态频率的温度系数为-1.91×10^(-5)/℃,三阶模态频率的温度系数为-2.01×10^(-5)/℃,前三阶模态频率温度系数的测试结果与理论模型预测值的偏差分别3×10^(-7)/℃,3×10^(-6)/℃和2×10^(-6)/℃。

压电陶瓷驱动的MEMS微结构底座激励方法研究

介绍了基于压电陶瓷底座激励方法的发展现状,总结了激励方法在具体实现方式上存在的问题。压电陶瓷在工作过程中会受到横向剪切力作用,导致压电陶瓷的损坏;弹性底座反复变形会导致微结构脱落。设计了一种由带有球冠状凹槽的上联接块和带有球冠状凸起的下联接块组成的点接触式可动底座结构,并设计了一种由圆柱安装体和三个安装臂组成的弹性底座,制作了基于压电陶瓷的底座激励装置,搭建了微结构动态特性测试系统,并对两种微结构的动态特性进行了测试实验,结果表明改进后的压电陶瓷底座激励装置可以有效的实现对微结构的激励。

基于激波的MEMS微结构底座冲击激励方法研究

为了能够在较高的温度环境中测试MEMS微结构的机械模态参数，本文提出了一种以高压电容空气放电为手段，以激波冲击为特征的底座激励方法。阐述了基于激波的底座冲击方法的原理和具体实现方式，并分析了放电电容、回路电阻、回路电感等参数与激振装置激励能力的关系。设计并研制了可应用在室温环境中的MEMS微结构动态测试装置，并在此基础上研制了高温环境微结构动态测试系统，系统中使用基于激波的底座冲击激励装置对微结构进行激励，采用激光多普勒测振仪获取微结构的振动响应信号。分别测试了两种尺寸的单晶硅微悬臂梁在室温-500％温度环境下的动态特性，结果表明微悬梁的谐振频率随温度的升高而减小，并呈近似线性关系，与其他研究人员的研究结果有很好的一致性，验证了基于激波的底座冲击激励方法的可行性。

低温环境下MEMS微构件的动态特性及测试系统

研究了微机电系统(MEMS)微构件的谐振频率等动态特性在低温环境下的变化规律,从理论上分析了改变环境温度对微悬臂梁谐振频率的影响,并对低温环境下微构件的动态特性测试技术进行了研究。研制了低温环境下MEMS动态特性测试系统,采用半导体冷阱实现低温环境,利用压电陶瓷作为底座激励装置的驱动源,通过底座的冲击激励,使微悬臂梁处于自由衰减振动状态,使用激光多普勒测振仪对微悬臂梁的振动响应进行检测,从而获得微悬臂梁的谐振频率。利用研制的测试系统,在-50℃～室温的环境下对单晶硅微悬臂的谐振频率进行了测试,结果表明,随着温度的降低,微悬臂梁的谐振频率略有增大,其谐振频率的温度变化率约为-0.263 Hz/K,与理论分析的结果基本一致。该测试装置能够有效地完成在-50℃～室温环境下微构件的动态特性测试。

T型硅微悬臂梁频率温度系数的测试研究

为了获得T型单晶硅微悬臂梁的固有频率温度系数,首先从理论上分析了T型微悬臂梁的固有频率随温度的变化规律,并建立了其固有频率的温度系数模型。随后搭建了带有高温环境加载功能的MEMS微结构动态特性测试系统,采用OFV534激光多普勒测振仪获取微结构的振动响应,采用基于压电陶瓷的底座激励方法实现对微结构的激励,在激励装置中采用了一个可动机构,解决了压电陶瓷在高温环境下使用的难题。最后,使用带有高温环境加载功能的MEMS微结构动态特性测试系统,测试了一种典型T型单晶硅微结构的动态特性,测试温度范围为室温~300℃,得到硅微悬臂梁的固有频率温度系数约为-2.71×10-5/℃,与理论分析的结果具有很好的一致性。

底座自适应式压电陶瓷激振装置研究

针对压电陶瓷底座激励装置中可动底座结构的实现方式和微结构的安装可靠性问题进行了研究,设计了一种由上联接块、钢球和下联接块组成的点接触式可动底座结构,以及一种带有L型支撑臂的弹性支承件,制作了基于压电陶瓷的底座激励装置,搭建了MEMS微结构动态特性测试系统,对激励装置的激振性能进行了测试实验,也对3种典型微悬臂梁的动态特性进行了测试实验。研究结果表明:所设计的激励装置能够使底座结构进行自适应调节,微结构安装区域的变形量也被大幅降低了,激励带宽可达到90 kHz,具备良好的激振性能。

基于虚拟仪器的高载条件下MEMS动态测试系统

利用虚拟仪器技术开发了高载条件下MEMS动态测试系统,实现了高载条件的监测与MEMS动态测试的自动控制。设计了高速离心转盘提供高载环境,选用压电陶瓷作为动态测试的激励装置,应用高速导电滑环传输数据。测试中的高频响应信号按DMA方式采集,此过程占用系统DMA资源,与监测相互冲突。提出上位机通过TCP/IP协议控制下位机进行高速采集的方法,解决了冲突问题。本文对系统的总体设计、软件技术、系统功能等方面做出详细阐述。

基于IFOA-KELM-MEA模型的游梁式抽油机采油系统井下工况的短期预测

实现对井下工况的预测是及时掌握抽油井生产状态的有效方法,对提高油井生产效率和降低维护成本具有十分重要的意义。采用混沌理论实现抽油井井下工况的短期预测,首先将所提取的示功图的不变曲线矩特征向量作为预测变量,在证明其数据序列具有混沌特性后,由核极限学习机(kernel extreme learning machine,ELM)建立混沌时间序列预测模型,对其中的几个不确定参数采用改进的果蝇优化算法(improved fruit fly optimization algorithm,IFOA)进行优化选取,IFOA采用全局群体多样进化和局部个体随机变异的策略,最后,对模型所预测的结果进行物元分析(matter-element analysis,MEA),诊断其属于哪种故障类型。由某油田作业区的两口生产井进行实例验证,结果表明所提出的IFOA-KELM-MEA预测模型是合理有效的。

低温环境下MEMS动态测试系统

研制了低温环境下MEMS动态特性测试系统。对低温环境的产生及其关键问题、低温环境下的激励方法、信号检测方法,及高速数据采集方法进行了初步研究。采用半导体冷阱产生低温环境,为防止低温下结霜对测试精度造成影响,测试在真空环境中进行。研制了基于压电陶瓷的底座激励装置,用于低温环境下对微器件激励。采用2种方法用于低温环境下微器件振动响应信号的检测,一种是采用内置敏感元件的方法,被测微器件受到激励后自身输出信号,经高速数据采集单元采集进入计算机;另一种是采用激光多普勒测振仪在低温环境外部进行检测。以LabVIEW为平台开发了测试系统控制软件,实现了微器件激励、数据采集、存储自动化。对系统的总体设计、硬件组成、系统功能、实验研究等方面作出了详细阐述。

电化学机械加工对轴承滚子表面质量及凸度的影响

目的在提高轴承滚子表面质量的基础上获得具有一定凸度的表面轮廓。方法将自主搭建的电化学机械加工(electrochemical mechanical machining,ECMM)平台用于轴承滚子的表面加工,采用中性NaNO_3水溶液作为电解液,设计了L_9(3~4)的正交实验,使用表面粗糙度测量仪对实验前后轴承滚子的表面粗糙度Ra、轮廓最大高度Rz和轮廓凸度进行测量和分析,并利用实验数据分析影响表面粗糙度和凸度的各因素和水平。结果经过ECMM加工后,轴承滚子表面粗糙度Ra值由加工前的0.0874μm降低至0.0247μm,轮廓最大高度Rz值由加工前的0.772μm降低至0.238μm,轮廓凸度由原来的平直表面增加到最大值43.3μm。对于表面粗糙度,电流密度的影响最显著,各因素最佳水平为:电流密度5 A/cm^2,机械作用压力0.20 MPa,运动速度0.24 m/s,磨具号数1000#。对轮廓凸度,电流密度的影响最显著,各因素最佳水平为:电流密度5 A/cm^2,运动速度0.21 m/s,磨具号数2000#,机械作用压力0.20 MPa。结论 ECMM加工方法适用于轴承滚子的加工,可在一次加工中同时提高滚子的表面质量并获得一定凸度的表面轮廓。加工参数对表面质量和凸度影响最大的因素是加工电流密度,优先选择较大加工电流密度的同时要合理选择其他加工参数。

MEMS微构件动态特性测试的激励技术和方法

在微机电系统(MEMS)微构件动态特性的测试中,激励是基本环节,通过激励使微构件振动,并测量和分析振动响应信号,实现对微构件动态特性的测试.由于MEMS微构件的尺寸小、谐振频率较高,限制了传统的激励技术和方法在其动态特性测试中的应用.目前应用在MEMS微构件动态特性测试中的激励技术和方法,根据实现激励的方式不同,归纳为三类:利用外部场能的激励方法、内部集成激励元件的方法和基于底座激励的方法,具体介绍了声波激励、超声激励、静电激励、磁激励、电热激励、光热激励和压电激励等具体激励方式的原理及其特点,并对各种激励方法的特点进行了比较和分析.

电化学机械加工对轴/轴承类零件表面质量影响研究

零件的表面质量对其使用性能具有决定性影响.由于加工机理不同,不同的加工方法对表面质量的影响也不相同.为研究电化学机械加工(electrochemical mechanical finishing, ECMF)方法对轴/轴承类零件表面质量的影响,文章在经过改装的普通车床上进行油石磨削加工和ECMF加工实验,对比了两种加工方法对轴类零件的轮廓算术平均偏差Ra、轮廓最大高度Rz、轮廓单元平均宽度Rsm以及轮廓支承长度率Rmr(c)的影响,并分析了原因.结果表明,ECMF加工是一种有效的加工轴/轴承类零件的方法,在提高加工效率的同时,还可大幅提升零件的表面质量,进而提高零件的使用性能.

一种双桥臂微悬臂梁谐振频率的影响因素研究

为了获得双桥臂硅微悬臂梁的谐振频率随其质量块尺寸的变化规律,首先推导出了双桥臂硅微悬臂梁谐振频率的解析式,并对9组不同尺寸的双桥臂单晶硅微悬梁的谐振频率随附加质量块长度的变化规律进行了分析.结果表明,随着附加质量块长度的增加,悬臂梁的固有频率会逐渐地减小,并且随着质量块长度所占微悬臂梁总长度比例的增大,附加质量所引起的微悬臂梁谐振频率的变化量在总谐振频率中所占的比重呈逐步减小的趋势.

微反应器的结构优化设计与仿真

设计了两步微反应器,对影响反应的几何参数进行了优化。对于微反应器的混合单元,设计了内肋型障碍物结构,用于产生混沌对流,促进样品混合。利用基于有限元原理的数值模拟软件分别对混合单元的障碍物与微通道的高宽比、障碍物宽度与间距的比值和障碍物的宽度进行设计与优化。采用蜿蜒通道作为微反应器的反应单元,研究了反应单元长度、反应时间与初始浓度对反应的影响。以葡萄糖氧化反应为例,设计了一个两步微反应器。

翘曲状态下硅微悬臂梁固有频率的变化规律

为了研究微悬臂梁的翘曲状态对其固有频率的影响,使用有限元分析的方法对小长宽比和大长宽比两种结构尺寸的硅微悬臂梁在不同曲率半径下的前五阶模态固有频率进行了仿真分析.结果表明,翘曲对小长宽比硅微悬臂梁固有频率的影响很小;而对于大长宽比的硅微悬臂梁,当曲率半径为1 mm时,其第1阶,第2阶,第3阶,第5阶模态固有频率的变化率分别为1%,26%,40%和15.8%,当曲率半径为3 mm时,其第4阶模态固有频率变化率为13.7%,可见翘曲对大长宽比硅微悬臂梁固有频率的1阶模态固有频率的影响很小,而对第2、第3、第4和第5阶模态固有频率的影响则十分明显.

磨削对氧化膜去除质量影响的稳定性与敏感性

目的研究磨削参数对电化学加工氧化膜去除质量的影响规律,以及各参数对氧化膜去除质量影响的稳定性和敏感性。方法在试件表面形成均匀一致,无缺陷电化学加工氧化膜的前提下,借助自主搭建的机械磨削实验平台,分别研究磨粒尺寸、工件速度、磨削压强和加工时间对氧化膜去除质量的影响,使用精密电子天平和扫描电子显微镜对实验前后的试件进行测量,结合稳定性与敏感性分析理论对实验结果进行分析。结果不同的加工参数对氧化膜去除程度的影响不尽相同,氧化膜既存在不完全去除的现象,也存在完全去除的现象。扫描电子显微镜结果也显示,不同尺寸的磨粒对氧化膜的破坏程度不同,其表面氧化膜的沟槽深浅不同。结论受氧化膜硬度低、容易去除和基体金属硬度高、不容易去除的影响,氧化膜去除质量随着工件速度和加工时间的增加呈现三次曲线的规律增加,随磨削压强和磨粒尺寸的增大呈线性增加趋势。磨削参数对氧化膜去除质量影响的稳定性与敏感性不同,而且在电化学机械加工生产应用中不改变磨削工具,所以在磨削参数相对值较低的区间,其对去除质量影响的稳定性由大到小(敏感性由小到大)为:磨粒尺寸、加工时间、磨削压强、工件速度。在磨削参数相对值较高的区间,稳定性由大到小(敏感性由小到大)为:磨粒尺寸、磨削压强、工件速度、加工时间。加工中优先选择稳定性高(敏感性低)的参数作为调整电化学机械加工效果的主要因素,可在提升经济性的同时,提高加工精度。

GCr15轴承钢在电化学-机械加工中的电化学特性

GCr15轴承钢的高硬度特性造成其加工过程中刀具磨损快、加工品质不稳定等问题。电化学-机械加工方法在加工高硬度且能导电的材料方面具有独特优势。采用极化曲线法、电化学阻抗谱和莫特−肖特基曲线测试,考察了GCr15轴承钢在NaCl、NaClO_(3)和NaNO_(3)三种电解质溶液中的自腐蚀电位,以及电解质的类型与浓度对GCr15轴承钢电化学特性的影响。结果表明:GCr15轴承钢在NaCl电解液中不存在钝化区,在NaNO_(3)和NaClO_(3)电解液中存在稳定的钝化区,而质量分数为20%的NaNO_(3)电解液更有利于形成稳定的钝化区。在稳态钝化电位区间内形成的钝化膜的厚度和阻抗因钝化电位不同而不同,如何使其更有利于材料的电化学-机械加工有待进一步研究。

高温环境下MEMS微构件动态特性测试技术研究

基于放电激励方法建立了高温环境下MEMS微构件动态特性测试系统，该系统主要由激励装置、激光多普勒测振仪、微构件温度控制系统组成．激励装置利用尖端放电产生的激波激励微构件，通过进给机构调节电极间距以改变激励能量．激励底座是用高温胶粘接而构成的多层结构，包括微构件安装板、十字载台、陶瓷绝缘片和板电极．微构件胶粘在底座上，其振动响应信号由多普勒测振仪测量，计算机对测量数据频谱分析后得到谐振频率．编写了基于LabVIEw的微构件温度控制软件，控制测试时温度．利用该测试系统，测试了微构件在室温～500℃环境下的谐振频率，得到了谐振频率随温度变化规律．

高温环境下微悬臂梁谐振频率温度特性及测试技术研究

对单晶硅微悬臂梁在高温环境下的动态特性进行了理论分析,研制了高温环境下的MEMS动态特性测试系统,采用压电陶瓷作为底座激励装置的驱动源,设计了一个可动的机构,解决了压电陶瓷在高温环境下使用的难题;通过激励装置进行冲击激励,使用激光多普勒测振仪对微悬臂梁的振动响应进行检测,对微悬臂梁受冲击后的时域信号进行分析,获得微悬臂梁的谐振频率。利用研制的高温环境下MEMS动态特性测试系统,在室温至300℃的温度环境下对单晶硅微悬臂梁的动态特性进行了测试,结果表明随着温度的升高其谐振频率会有轻微的减小,验证了理论分析的结果。