压电微夹钳钳指位移与夹持力的检测

为避免在利用压电微夹钳夹持微对象过程中可能造成微对象的损伤或脱落,提出用电阻应变片来检测压电微夹钳的钳指位移与夹持力。采用柔性杠杆放大机构设计了微夹钳,该微夹钳结构微小且紧凑、钳指可平动、指尖夹持灵敏度高。基于悬臂梁弯曲变形理论及有限元方法,分析了用于检测钳指位移与夹持力的微夹钳弹性敏感单元的应变特性。分析结果表明:敏感单元的最大应变部位靠近其底端,钳指位移与夹持力同敏感单元的应变成正比;实验标定了钳指位移与夹持力同弹性敏感单元应变的关系,标定结果表明两种关系均为线性关系;最后实验测试了钳指位移与夹持力的大小。结果表明:在150V的最大电压下,不夹持微对象时钳指的最大位移为78.35μm,夹持Φ0.3mm、长8mm的微轴时钳指的夹持力为9.24μN。

四自由度压电自感知微夹钳的设计

为提高压电微夹钳操作的灵活性,省掉用于检测其位移的外部传感器,该文设计了一种新型的四自由度压电微夹钳,并采用自感知方法获得其钳指位移。首先,基于两组空间垂直交叉的横向逆压电效应,设计了在夹持方向和垂直夹持方向上同时运动的四自由度压电微夹钳新结构;其次,基于压电晶片在电压作用下发生变形的同时在其表面产生电荷的思想,提出了电荷积分的自感知方法获取压电微夹钳的钳指位移;最后,通过实验测试了压电微夹钳的静动态特性及位移自感知特性。实验结果表明,基于自感知方法获得的位移与基于传感器获得的结果具有较好的一致性。

压电自感知微夹钳

研制了不需要外部附加微位移与微力传感器、采用自感知方法来获取压电微夹钳的钳指位移与夹持力的压电自感知微夹钳。根据压电陶瓷晶片在驱动电压与外力作用下发生变形会在其表面产生电荷的思想,提出了基于积分电荷的钳指位移与夹持力的自感知方法;基于Jan G.Smits的压电悬臂梁弯曲变形理论,给出了钳指位移与夹持力的自感知表达式,即用钳指上压电陶瓷晶片表面的电荷来表达钳指位移与夹持力。设计了获取晶片表面电荷的积分电路,给出了其平衡条件为晶片电容与其绝缘电阻之积同积分电容与反馈电阻之积相等。自感知验证实验结果表明:修正后在31.59μm最大钳指位移范围内的自感知位移最大偏差为0.78μm;在35.91mN最大钳指夹持力范围内的自感知夹持力的最大偏差为0.24mN。实验结果验证了所提自感知方法是有效的。

基于柔性放大机构的压电微夹钳研究

基于钳指可平动并能感知钳指位移与夹持力的要求,采用柔性放大机构对压电微夹钳进行了结构设计。基于ANSYS的压电耦合场分析技术,对压电微夹钳的静动态特性进行了分析表明,在200V的最大驱动电压下,钳指最大位移为233.9μm;在20V的阶跃驱动电压下,钳指的稳态位移为20.6μm,响应时间为0.1s;通过实验对压电微夹钳的静动态特性进行了测试,结果表明,在150 V的驱动电压下,钳指位移为78.4μm,夹持0.3mm×8mm微轴所产生的夹持力为9.2mN。