MEMS三维微触觉力传感器标定方法

针对一种微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)三维微触觉力传感器,采用悬臂梁弯曲变形获得了标准微小力信号,通过测量传感器敏感梁弹性导致的传感器测杆的微小位移量,对标定过程中的误差进行了补偿,实现了三维微触觉力传感器的精确标定.建立了MEMS三维微触觉力传感器标定系统,对悬臂梁的弹性系数进行了标定,对传感器测头输出的微小电压信号设计了线性化的信号调理电路.标定过程中考虑了由于传感器敏感梁弹性变形导致的传感器测杆的微小位移量对标定精度的影响.采用高精度的纳米测量机(nano-measuring machine,NMM)对传感器测杆的位移特性进行测量,利用该参数对传感器的力特性系数进行误差补偿,最后根据传感器输出的初始电压和力特性系数建立了传感器的力特性输出方程.     

光杠杆纳米微位移测量系统中的信号处理

本文提出了一种基于光杠杆原理非接触式的纳米级微位移测量系统.该系统通过光学方法对微位移量进行放大,光学放大倍数高,该系统的理论分辨率可达4nm,实际测得静态分辨率小于10nm.信号处理采用基于高精度一维PSD的信号探测电路,并且通过设计有效地抑制了噪声和干扰.实验中使用PZT作为被测物的微小位移驱动器,与电容测微仪JDC-Ⅱ所测数据进行了验证比较,系统所测得的数据证明了其正确性和可行性.并且该系统受温度影响小,结构简单,便于使用MEMS技术集成和微型化.     

小型自感应原子力显微镜测头及其标定

设计了一种小型轻敲式自感应原子力显微镜(AFM)测头以实现微/纳尺度下的几何量测量.轻敲式测头采用石英音叉式自感应探针,通过自身的电信号输出检测悬臂梁的振幅变化,无需额外的光学传感器.设计了测头的微弱自感应信号放大电路,并补偿音叉寄生电容对测量的干扰.机械结构紧凑便于将测头固定于光学显微镜下观察测量情况,同时屏蔽外界的干扰.利用显微激光多普勒测振系统,标定了测头机电耦合系数为145 nm/V,由此可以计算测头工作频率下悬臂梁的振幅.搭建了以纳米测量机(NMM)为高精度定位平台的测试系统,利用该系统对测头进行进/退针实验,标定测头的灵敏度为0.47 nm/mV,NMM内置的干涉仪保证标定直接溯源至"米"定义.实验表明测头的非线性误差小于1%,测量范围在百纳米级.     

一种适用于原位纳米力学测试的AFM测头

设计并制作了一种适用于原位纳米力学测试的原子力显微镜(AFM)测头.测头由光学检测系统和Z向压电陶瓷微位移机构组成.其中光学检测系统采用光杠杆与显微镜同轴光路检测探针形变,压电位移机构内置电容传感器可实现探针进给量的闭环控制.标定实验表明该测头闭环位移分辨力优于10 nm,在标定范围内具有很好的线性.利用该测头对某型微悬臂梁法向弹性常数进行了测量,测得值与采用具有溯源性的标定方法所得结果一致.     

基于相位差法共焦式测头的研究

文章在研究了共焦法测量传感器及其测量系统的基础上, 提出了一种通过测量连续两个峰值信号的相位差来计算被测表面位置的方法。该测头采用振动音叉调整系统的焦点位置, 用参考臂光路提供参考信号。这种测头舍弃了微型位移传感器, 简化了系统结构, 降低了成本。测量范围为±0 1mm, 动态特性为336 点/s, 测量强反射表面允许的最大倾角为±12°。     

高精度凸轮轴自动检测仪电路及程序设计

介绍了由高精度光电编码器、多个光栅位移传感测头、计算机、计算机接口电路及精密机械构成的光、机、电一体化多测头凸轮轴自动检测仪检测原理，多路信号动态采样电路、键槽中心检测电路、分度采样计数控制电路以及凸轮升程误差理论计算软件程序的设计。     

纳米三坐标测量机接触式测头预行程测量

提出了一种用于纳米三坐标测量机接触式测头预行程测量的方法.确定了预行程需侦测接触点和触发点两个关键点.为了对该高灵敏度的测头进行标定,整个实验系统需要3个基本条件：纳米级驱动器,高分辨率传感器和多级速度控制算法.本研究使用一种超声波马达HR4在同一平台上实现大行程粗略驱动以及微位移调整.位移测量使用光栅传感器LDGI（linear diffraction grating interferometer）,其分辨率可达1nm.在测试过程中采用高速逼近和低速触发,使用＂双触发＂方式获得触发点位置.接触点位置的侦测使用开关电路.触发信号和位移信号由同一块数据采集卡同步采集.实验表明,使用该方法测量预行程,单方向重复性在±5nm以内.     

基于峰值检测的MEMS器件微弱电容检测电路

针对MEMS器件研制中微弱信号的检测问题,提出了一种适用于电容式MEMS器件的微弱电容检测电路.此电路采用峰值检测技术,原理及结构简单;只检测待测电容的变化量,既可用于差分式检测,也可应用于单一待测电容的情况.首先利用正弦载波信号和微分电路对电容量进行载波调制,再通过减法电路得到幅值与电容变化量成比例的正弦信号,最后采用峰值检测方法解调信号,得到直流量输出.利用微小可调电容进行标定,结果表明检测电路的线性度良好,灵敏度约为3.631V/pF,精度达到0.2%.利用该检测电路检测MEMS陀螺上振动频率为2.85kHz的梳齿驱动器的电容量变化,输出信号频率为（2.85±0.02）kHz,误差低于0.7%,说明该电路能够应用于MEMS器件的微弱电容检测.     

VXI总线的蠕变测试系统

介绍了具有先进ＶＸＩ仪器总线的材料蠕变测试系统。由于设计了为测位移差动变压器初级线圈提供幅度高度稳定的方波信号的方波发生电路以及采用了场效应管从测位移差动变压器输出的方波信号中解调出与位移相应的直流电平，提高了位移测量精度；由于设计了“电位移动”电路，把现场热电偶的电势无损耗地移至测量主机内，保证了温度测量的可靠性，虚拟ＰＩＤ调节器软件使温控设备大大简化。     

用于纳米级表面形貌测量的光学显微测头

为了满足纳米级表面形貌样板的高精度非接触测量需求,研制了一种高分辨力光学显微测头。以激光全息单元为光源和信号拾取器件,利用差动光斑尺寸变化探测原理,建立了微位移测量系统,结合光学显微成像系统,形成了高分辨力光学显微测头。将该测头应用于纳米三维测量机,对台阶高度样板和一维线间隔样板进行了测量实验。结果表明：该光学显微测头结合纳米三维测量机可实现纳米级表面形貌样板的可溯源测量,具有扫描速度快、测量分辨力高、结构紧凑和非接触测量等优点,对解决纳米级表面形貌测量难题具有重要实用价值。     

非接触大位移动态测量系统设计及实现

提出一种结构轻巧,驱动及处理电路简单,性能良好的非接触大位移动态测量方案．设计以PSD光电位置敏感器件为核心,利用半导体激光器、透镜成像装置组成的测试系统,突破了由于PSD尺寸因素而影响其测量范围的限制;并给出了信号处理电路．实验表明该系统测量范围宽、测量精度高、结构简单．     

Measurement of absolute displacement by a double-modulation technique based on a Michelson interferometer

A novel method is presented for of measuring absolute displacement with a synthesized wavelength interferometer. The optical phase of the interferometer is simultaneously modulated with a frequency-modulated laser diode and optical path-length difference. The error signal originating from the intensity modulation of the source is eliminated by a signal processing circuit. In addition, a lock-in technique is used to demodulate the envelope of the interferometric signal. The displacement signal is derived by the self-mixing technique.     

方波激励的无铁芯多分段电感位移传感器

传统的差动变压器式电感位移传感器存在着铁芯惯量大、线性范围小、对正弦波激励电源的品质要求高、正弦波发生及传感信号提取电路复杂等问题。本文提出了一种具有多抽头螺管线圈和轻质滑环结构的电感位移传感器 ,取消了铁芯 ,采用方波激励 ,由简单的运放电路合成传感信号 ,并利用传感器自身提供的温度信号进行温度补偿 ,克服了传统差动变压器存在的问题。实验结果表明 ,这种传感器具有优良的综合性能     

基于PC／104总线的飞机整流锥襟翼自动检查仪设计

为实时测量整流锥锥位和襟翼的收放角度,设计了基于PC/104总线的飞机整流锥襟翼自动检查仪;给出了硬件系统构成和各组成模块的功能,设计了信号调理、转换电路;利用Turbo C2.0构建的软件系统在DOS操作系统下实现整流锥和机动襟翼的自动检查以及检查数据的处理和显示;针对襟翼系统检查量大且复杂的特点,说明了襟翼自动检查的过程.使用结果表明,该检查仪满足根据大气参数自动检查整流锥和襟翼系统的需求,提高了检查效率与准确性.     

基于石英音叉探针的原子力显微镜测头开发

基于石英音叉探针开发了一种自感应原子力显微镜(AFM)测头。该测头通过自身输出电信号检测悬臂振幅变化,无需外部光学检测部件,易于集成。针对测头设计了微弱电流提取及寄生电容补偿电路。利用商业化锁相放大器实现了对测头幅度信号的获取。在此基础上对测头在调幅模式下的力-距离曲线和分辨力进行了测试。利用锁相放大器内置的PID模块实现了调幅模式下对样品表面形貌的测量。实验证明,该测头灵敏度为0.624 mV/nm,分辨力优于2 nm。     

基于多普勒效应的激光微位移测量系统

介绍了一种可进行动态微位移测量的激光微位移测量系统。该系统以多普勒效应为理论基础，以He-Ne激光器为光源，配置了判向变频系统、CCD视频信号的高速动态采集系统、微机处理系统及干涉图像处理软件包等，较传统测量方法其精度、误差、灵敏度及稳定度都有较大提高，并实现了微位移的全自动测量。     

基于涡流方法的智能螺纹检测仪的研制

针对目前存在的内螺纹人工检测工作量大的问题,采用基于单片机技术的涡流方法研制了一种智能螺纹检测仪。先设计了一个简单的阻抗测量电路,建立了探头对不同螺纹状态试样和试验频率的阻抗图,然后通过分析该阻抗图找出了适合于用幅度法检测的频率范围,最后通过对探头施加合适的正弦激励信号,用测量探头两端电压的方法完成螺纹检测。对给定的螺纹试样检验结果表明,该仪器可以准确地判断出试样的半牙、无牙和合格状态,并能给出相应的输出信号。     

岩石破裂电磁辐射监测系统研制

为满足有关岩石破裂电磁辐射研究的需要,研制一套电磁辐射监测系统。该系统由电磁感应探头、信号调理电路和数据采集系统组成,可对频率在1kHz~1MHz内的微弱电磁场进行监测。电磁感应探头可感应空间中某一方向的电磁场变化,并将其转换成电信号;信号调理电路对探头输出的电信号进行放大、滤波,并实现放大滤波电路与计算机的电气隔离;数据采集软件基于LabVIEW编写,用于对监测到的信号进行记录和显示。实验结果表明：该系统性能稳定,操作简便,能够有效地监测岩石破裂所产生的电磁辐射,对岩石、混凝土等材料的力-电-磁研究具有重要意义。     

电容式物位计中挂料问题的研究

传统电容式物位传感器在测量导电介质时,无法消除电极挂料对测量的影响,本通过分析电极挂料的等效电路,提出了带有电极挂料的物位计测量电路,并指出一定的初始条件和测量条件下,测量电路的输出电压仅与物位电容有关,而与电极挂料无关,这为今后进一步研制开发新型电容式物位计,消除电极挂料的影响提供了理论依据。