压电惯性驱动器惯性冲击力的分析与检测

由于惯性冲击力是压电惯性驱动器产生运动的关键,故本文探讨了方波激励下压电振子的惯性冲击力大小。推导了压电双晶片振子在方波激励下的冲击响应,分析了惯性冲击力的时域特性和幅频特性,分析得到方波激励下惯性冲击力信号频率主要集中在0-500Hz。采用加速度传感器初步测试了压电双晶片振子的加速度参数,测试结果与理论模型相近。结合压电双晶片振子的端部惯性质量计算得到惯性冲击力的数值,利用快速傅里叶算法获得了加速度参数的幅频特性。最后,采用摩擦学的方法对惯性冲击力的数值进行了验证,验证结果表明两种方法的最大相对误差为8.98%,表明加速度传感器测试惯性冲击力是可行的。

压电惯性驱动器理论分析与应用测试

为了探究压电驱动器的输出性能及提高压电驱动机构的性能,该文对“十”字型压电惯性驱动器进行了理论分析与应用测试。首先说明了驱动器结构组成与驱动机理;然后利用弹性力学理论对驱动器进行了理论分析,得出驱动器弹性振动位移表达式,给出了影响驱动器性能的影响因素;最后对驱动器进行实验应用测试,将其用于驱动盲文柔性点显装置。结果表明,该驱动器能较好地实现系统驱动,放大柔性薄膜凸点的位移输出,柔性薄膜触点凸出明显,性能良好。验证了用这种压电惯性驱动器实现系统驱动是可行且有效的。

双向旋转非对称惯性压电驱动器理论与试验研究

以非对称压电惯性驱动器为研究对象,提出一种可形成双向驱动能力的新型非对称惯性压电驱动器。该驱动器通过压电振子的非对称夹持结构,使其向两侧振动时具有不同的系统刚度,当以对称信号驱动时,驱动器在一个振动周期内向两侧的转角不同,连续的往复振动使驱动器可以实现定向转动。根据其运动特征,运用能量守恒定律对压电振子的运动过程进行理论分析,推导出双向旋转驱动器步距角与频率之间的关系式,提出通过采用对称波形、不同频率的电源激励信号,使驱动器实现双向运动的方案。设计制作了旋转驱动器试验样机,搭建了驱动器的测试系统,在不同电压幅值、频率的正弦波激励下对驱动器步距角、转速等进行了测试。试验结果表明,可以通过频率控制实现非对称惯性压电驱动器的双向驱动,在100V正弦电压信号激励下,当频率分别为65Hz和83Hz时,驱动器在两个方向上的最大转速分别为5.23rad/s和0.56rad/s。

具有偏置结构的非对称惯性压电旋转驱动器

为改善惯性压电驱动器输出性能,提出了一种新型具有偏置结构的非对称惯性压电旋转驱动器。在非对称夹持的基础上,定义了一种偏置结构。为了解偏置结构对驱动器输出性能的影响,建立了机构的力学模型方程,推导并仿真分析了驱动器的动力学特性。设计、制作了试验样机,搭建了试验系统;进行了试验测试并与无偏置结构驱动器进行了性能对比。结果表明:偏置距离为15mm时,驱动器输出步距角速度最大。与无偏置结构驱动器相比,驱动电压为100V、23Hz时,驱动器输出最大角速度从3.48rad/s增加至5.39rad/s,增幅达54.88%,驱动器最大驱动力矩从2.41N·mm增加至3.62N·mm,增幅达50.2%;驱动电压为100V,4Hz时,驱动器稳定运行时的承载量达1 300g。理论与试验结果表明,提出的有偏置结构的驱动器具有输出步距角速度和驱动力矩更大的特点。

具有“前进-前进”运动模式的惯性压电驱动器

针对传统压电惯性驱动器普遍存在的回退问题,创造性地提出双振子反向连接的接线方式,在此基础上设计了一种惯性压电直线驱动器。基于这种接线方式,可以使驱动器工作在“前进-前进”运动模式,从原理上彻底消除回退现象。首先,为了更好地理解驱动器的运动特性,深入分析了反接条件下的驱动器的运动原理并初步建立了理论模型。接下来,本文设计并制作了试验样机,搭建了试验系统,进行了一系列试验探究该驱动器在正接(传统的接线方式)、反接(所提出的接线方式)两种接线方式下的运动性能。此外,为了评估驱动器的应用价值,利用斑马鱼胚胎进行了细胞药物注射模拟实验。试验结果表明:相较于“前进-回退”的运动模式,在“前进-前进”的运动模式下,驱动器可以实现无回退,能量转换效率从2.16%提高至2.60%,运动速度从6.08μm/s增大至7.88μm/s,最大偏差为0.12μm,标准偏差为0.0356。所设计的驱动器具有较高的稳定性和能量转换效率,并且完全解决了回退问题,有望用于细胞操作和微电极植入等领域。

机械控制式惯性压电旋转驱动器

以惯性压电旋转驱动器为研究对象,对比研究了非对称式惯性压电旋转驱动器和变摩擦力式惯性压电旋转驱动器的运动特性。分析了两种驱动器的工作原理,设计、制作了试验样机,搭建了测试系统并对两种压电旋转驱动器进行了对比试验测试。结果显示:在8Hz方波电信号的激励下,非对称式压电驱动器的旋转步距大于变摩擦力式旋转驱动器;当驱动电压为100V时,非对称式与变摩擦力式压电驱动器的回退率分别为73.19%、65.67%;在40V、8 Hz的方波激励下,非对称式与变摩擦式压电驱动器的线性度残差平方和与重复性标准差分别为0.031、0.069与0.011、0.063。试验结果表明:与变摩擦力式驱动器相比,非对称式驱动器的输出步距及回退率更大,具有较高的线性度和重复性。

摩擦系数变化式压电叠堆惯性直线驱动器

以压电叠堆和质量块组成的压电叠堆振子为动力元件,通过利用驱动器向左运动和向右运动时接触足与接触面摩擦系数的不同,设计并制作完成了一套摩擦系数变化式压电叠堆惯性直线驱动器.分析了该驱动器的工作原理并对驱动器的运动情况作了详细分析.搭建了专用测试系统,并采用该系统对摩擦系数变化式压电叠堆惯性直线驱动器进行了性能测试.试验结果表明:当频率为10,Hz时,该试验装置最小稳定步长为0.19,μm,最大移动速度为11.82,μm/s,最大承载能力不低于900,g.

实现惯性约束聚变驱动器谐波分离的二元光学元件研究

针对惯性约束聚变驱动器的要求 ,基于二元光学深蚀刻的思想 ,设计并制作成功二元光学谐波分离器。测量表明 ,三倍频光的能量利用率达 75.73%。

用于惯性约束聚变驱动器的色分离光栅-光束采样光栅集成元件的制作

针对惯性约束聚变(ICF)驱动系统特别是其终端光学系统对元件数和元件厚度的限制要求,利用衍射光学元件(DOE)易于集成的优点,提出一种在石英基片的两面分别曝光制作色分离光栅(CSG)和光束采样光栅(BSG)的新方法,仅需一个石英片即可同时实现谐波分离和光束采样的功能.分别采用光学制版和电子束直写的方法制作了色分离光栅和光束采样光栅的掩模,并利用离子束刻蚀的方法加工了色分离光栅-光束采样光栅集成元件.结果表明,此集成元件的三倍频光能量利用率、色分离度以及采样效率等参数均与三倍频光通过色分离光栅、光束采样光栅分离元件时得到的结果相吻合,达到了惯性约束聚变激光驱动器终端光学系统的基本技术指标要求.

误差扩散法设计用于惯性约束聚变驱动器的色分离光栅-光束采样光栅集成元件

针对多次曝光法制作集成衍射光学元件时存在的加工制作复杂,会引入较大的对位误差等问题,基于计算全息中的误差扩散编码原理及部分相干光成像理论,提出采用误差扩散编码方法来设计用于制作浮雕结构集成元件的编码掩模的新方法。给出了利用误差扩散法设计的色分离光栅-光束采样光栅(CSG-BSG)集成元件编码掩模,模拟计算了经部分相干成像系统后的空间像光强分布,并与理想的集成元件面形进行了比较。结果表明,校正后均方差为7.5%,体积偏差为10.2%。

用于氙灯阵列的渐开线翼面反射器

用光线追踪法分析反射翼几何形状对氙灯反射器光传输效率的影响。提出一种新的反射器几何构型仿渐开线型 ,其外形与标准渐开线相似 ,但翼展宽度短于标准渐开线反射器。用蒙特卡罗法模拟氙灯光能量在激光泵浦腔内的反射和吸收过程 ,计算结果显示 :在合理选择反射翼的几何修正系数前提下 ,“仿渐开线型”反射器的光传输效率优于“短翼渐开线型”的光传输效率。在腔长、灯内径等设计约束条件受限的条件下 ,采用“仿渐开线”设计方法 。

高功率激光装置中透镜一阶“鬼”点形成规律分析

高功率固体激光装置的透射元件的表面虽镀有减反膜，但这些膜层并不是完美无缺的，每一表面都反射小部分入射光，这些微弱的剩余反射光称为“鬼”光束。即使每个表面的反射率小于0．1％，对单束能量达千焦量级的惯性约束聚变驱动器来说，一阶“鬼”点仍可达到焦耳量级，极易对元器件造成损害。因此对高功率激光系统设计来说，作一阶“鬼”点位置的定量分析是非常必要的。由于在ICF激光驱动器中使用空间滤波器来滤波，所以在系统中引入透镜，这样在进行激光系统的设计时，空间滤波器透镜的光学设计就显得极为重要。另外，在考虑减小像差的同时必须考虑“鬼”点，特别是一阶“鬼”点的分布问题。

惯性约束聚变靶场编组站大口径光学元件的热变形分析

温度梯度是造成惯性约束聚变(ICF)驱动器中大口径光学元件变形的重要因素之一,靶场编组站是大口径光学元件较为集中的区域。利用靶场编组站周围温度的测量数据,得出了靶场编组站镜架的温度分布及变化特点,应用有限元分析软件对靶场编组站镜架24 h分时段的热应力和变形进行了分析计算,结果表明,靶场编组站镜箱内温度变化趋势基本一致,顶部相对底部温度梯度较大,两侧相对中间温度较高。当靶场编组站内温差为0.01℃左右或局部温差为0.1℃左右时,光学元件的镜面转角小于0.24μrad,能够满足稳定性指标要求。

强激光超高斯光束形成的自聚焦环的分裂与抑制

通过数值求解非线性近轴波方程 ,详细描述了在钕玻璃介质中传输的强激光圆对称超高斯光束形成的自聚焦环 ,并展示了初始光束受到扰动引起环分裂的现象。对于峰值光强一定的光束 ,合理地选择其阶数和宽度 ,可以降低自聚焦成环效应 ,从而降低因自聚焦环分裂在光束边缘出现的细光束对介质造成的成丝破坏。

瞬态温度变化对大口径光学元件的影响

温度瞬变是影响惯性约束聚变(ICF)驱动器中大口径光学元件结构稳定性的一个重要的激励因素。采用多通道高精度温度监测仪对原型装置中编组站大口径光学元件环境温度进行了24 h监测,得到了编组站光学元件环境温度24 h温度变化曲线;采用有限元分析软件建立了光学元件的有限元模型,把温度监测结果作为载荷,对光学元件进行了热结构耦合分析。分析得到了大口径光学元件面形在24 h内的变化曲线,光学元件环境温度24 h内最大变化范围为0.45 ℃,24 h光学元件最大转角变化为1.12μrad。分析结果表明,光学元件转角最大变化已超过打靶对光学元件稳定性的要求,但通过调整打靶时间,缩短光路准直之后打靶的等待时间可有效提高打靶的成功率。

靶场编组站镜箱温度场稳定性影响及优化分析

激光惯性约束聚变(ICF)装置中靶场编组站镜箱内的温度控制是实现光学元件最小变形,保证光束质量的重要环节。建立靶场编组站镜箱数学和物理模型,采用流体动力学分析软件对靶场编组站镜箱内温度场分布进行了数值模拟,计算结果与实测结果吻合。分析了不同鼓风速度v及鼓风角度θ对镜箱内温度场分布的影响及稳定时间,结果表明鼓风速度越大,镜箱内温度场趋于稳定越快,而风速v大于1.3m/s后,稳定时间的减小不明显;鼓风角度对镜箱内温度场稳定影响较大,有最佳值。当鼓风速度v为1.3m/s,鼓风角度θ为20°时镜箱内温度场稳定时间最短,为77min。且在鼓风机关闭后32min内,镜片温差在允许范围内,最大值为0.009K。