准零刚度绝对位移传感器设计及运用

设计了一种准零刚度（QZS）绝对位移传感器。分析了QZS传感器的结构参数,得到了保证QZS传感器特性的参数要求。给定不同激励,对QZS传感器测量精度及响应速度进行了检测,并分析总结QZS传感器的一些不足及其使用范围。将QZS 传感器运用于Stewart平台的速度反馈,通过谐波平衡法得到平台z轴、绕x轴、绕y轴方向的幅频特性曲线。仿真结果表明,QZS传感器能够有效地测量平台z轴、绕x轴、绕y轴方向的绝对位移。     

惯容准零刚度隔振器动态特性研究

将惯容器运用于准零刚度（quasi?zero stiffness,简称QZS）隔振器中,根据惯容器、弹簧与阻尼器的布置形式,提出并联式与串联式惯容准零刚度隔振器。研究两种惯容准零刚度隔振器在简谐力激励下的动态特性,运用谐波平衡法求解系统的动态响应,揭示两个主要的结构参数（惯质比与刚度比）对系统动态特性的影响规律,定义动态位移峰值、力传递率峰值、隔振频带以及高频带的力传递率4个性能评价指标来评价系统的隔振性能。研究表明,相较准零刚度隔振器,并联式惯容准零刚度隔振器的力传递率峰值较小,隔振频带较宽,但动态位移峰值与高频带的力传递率较大;串联式惯容准零刚度隔振器能拓宽准零刚度隔振器的隔振频带,高频带的力传递率都趋于零,但动态位移峰值与力传递率峰值较大。研究内容为将惯容器运用于准零刚度低频隔振领域具有理论指导意义。     

考虑载荷变化的准零刚度隔振器动态特性

为了研究载荷变化对准零刚度隔振器动态特性及隔振性能的影响,首先,分析具有分段非线性特性的准零刚度隔振器静力学特性;其次,引入光滑函数,应用增量谐波平衡法得到准零刚度隔振器的周期解,分析载荷与激励幅值对隔振器动态特性的影响;最后,定义准零刚度隔振器的力传递率,分析载荷与激励幅值对其隔振性能的影响。研究结果表明:当激励幅值较大时,载荷变化会导致响应的常数项在共振区附近出现交叉折叠的现象;载荷与激励幅值的变化会改变隔振系统的共振频率、传递率峰值以及有效隔振频带,但该准零刚度隔振器的隔振性能仍优于线性隔振器。     

电梯用减振器性能参数测试与特性研究评价

通过自主搭建测试平台准确测试减振器的等效阻尼和等效刚度。针对测试过程中减振器表现出的非线性阻尼特性作进一步研究,得出该非线性阻尼特性的产生主要与减振器活塞的位移有关。最后通过采用不同阻尼特性的单自由度隔振系统的仿真,验证了隔振系统的隔振效果,为以后进一步研究隔振系统提供理论依据。     

基于H∞状态反馈的商用车准零刚度空气悬架系统半主动控制

为进一步提升复杂行驶工况下配备空气悬架商用车的综合隔振性能,提出一种基于准零刚度空气悬架新构型的阻尼控制方法。首先,结合气体热力学、悬架动力学理论建立准零刚度空气悬架系统非线性模型,将悬架非线性恢复力表达式通过Taylor级数展开,把1/4车辆准零刚度空气悬架半主动控制模型归纳为考虑刚度参数不确定的线性系统。其次,引入Lyapunov稳定性理论,构建考虑悬架簧载质量加速度、动行程及轮胎动载荷的多目标性能输出指标并考虑受限约束,采用线性分式变换设计H_∞状态反馈控制策略,同时设计基于车身高度传感器为输入的Luenberger状态观测器,并将控制律设计问题转化为线性矩阵不等式的凸优化问题。最后,仿真和硬件在环实验结果表明,所提出的准零刚度空气悬架结构及半主动控制方法行之有效,能在不牺牲悬架动行程和少牺牲轮胎动载荷的前提下大幅降低簧载质量加速度,提升商用车悬架多目标综合性能。     

可变负载的准零刚度隔振器特性

由于载荷变化会削弱准零刚度隔振器的隔振特性,设计了一种可变负载的准零刚度隔振器。首先,阐述了该隔振器的隔振原理,建立了数学模型,分析了隔振器的静力学特性;其次,采用平均法研究了振动的主共振响应,得到了相对位移的幅频特性及振动的位移传递率,并分析了隔振参数对振动特性的影响。研究结果表明：该隔振器可以通过改变准零刚度弹簧的夹角,来适应负载的变化,而且角度增加能削弱共振,降低起始隔振频率;隔振器同时还具有渐硬-渐软特性,能压缩共振频段,降低向下跳跃频率,可变负载的准零刚度隔振器低频隔振性能优于普通准零刚度隔振器。     

准零刚度扭转隔振器振动传递特性研究

针对一种应用连杆弹簧负刚度结构所设计的正负刚度并联扭转隔振器,通过分析其设计参数,得到了其在静平衡位置达到准零刚度的条件。针对所述系统,建立二自由度非线性动力学微分方程,应用谐波平衡法求解了准零刚度隔振器的振动响应。考虑激励幅值、系统阻尼和转动惯量等因素,从扭转振动力矩传递和扭转振动功率流传递两个角度分析了准零刚度隔振系统的非线性振动传递特性。结果表明,此隔振系统具有良好的低频隔振效果,且表现为振动传递的硬特性;从功率流角度的分析还表明,系统的瞬时传递功率流峰值与输入功率流和耗散功率流的变化趋势保持一致。在低于共振区域的低频区间内,隔振系统前后两端的转动惯量对系统振动具有较大影响。最后,对扭转隔振器的振动隔离特性进行了试验验证,试验结果表明,隔振器具有良好的低频振动隔离特性。     

可变负载的准零刚度隔振器特性

由于载荷变化会削弱准零刚度隔振器的隔振特性,设计了一种可变负载的准零刚度隔振器。首先,阐述了该隔振器的隔振原理,建立了数学模型,分析了隔振器的静力学特性;其次,采用平均法研究了振动的主共振响应,得到了相对位移的幅频特性及振动的位移传递率,并分析了隔振参数对振动特性的影响。研究结果表明:该隔振器可以通过改变准零刚度弹簧的夹角,来适应负载的变化,而且角度增加能削弱共振,降低起始隔振频率;隔振器同时还具有渐硬-渐软特性,能压缩共振频段,降低向下跳跃频率,可变负载的准零刚度隔振器低频隔振性能优于普通准零刚度隔振器。     

康复机器人准零刚度隔振特性分析与实验

为了解决康复机器人低频振动对人体的影响问题,提出并设计一种具有准零刚度特性的新型被动隔振机构,它由两个对称的具有负刚度特性的拉伸弹簧并联一个线性正刚度弹簧实现。首先,通过静力学特性,建立此隔振机构的力-位移和刚度-位移关系式,得出机构在静态平衡位置处具有准零刚度特性的参数条件;其次,通过动力学特性,建立其分别在简谐力和简谐位移激励下的非线性微分动力学方程,采用谐波平衡法分析机构参数与激励对系统力传递率、位移传递率的影响;最后,通过实验验证在有、无负刚度情况下,输入与输出的曲线。结果表明,在有负刚度机构的情况下,隔振系统具有一定范围的准零刚度特性,且低频隔振性能较好,达到了高静态、低动态刚度的效果。本研究对机器人低频隔振具有创新性和指导意义。     

新型准零刚度系统的设计、分析与仿真

采用拉伸弹簧组成的负刚度机构与正刚度线性弹簧并联,设计出一种新型的拉伸式准零刚度隔振系统,可用于隔离低频或超低频振动。建立该系统的静力学模型,得到系统具有准零刚度特性时所需满足的条件;与一种压缩式隔振系统的力-位移曲线进行对比;分析垂向弹簧的调节对系统的影响;建立该系统在简谐位移激励下的非线性动力学方程,利用谐波平衡法求得系统的近似响应;与压缩式隔振系统的位移传递率曲线进行对比;探索系统各主要参数对响应的影响;建立Adams动力学模型,通过仿真结果来证明静力学模型的正确性,并模拟基座激励振动,证明了拉伸式准零刚度系统在低频或超低频隔振中的性能远优于线性系统。     

动载体光电平台角位移精密测量方法研究

提出了用位移传感器实时测量动载体光电平台六自由度位移的方法,并推导了该方法的理论公式,即通过坐标变换推导出了平台惯性坐标系、平台固连坐标系及传感器平面坐标系之间的关系,得到了传感器测试信号与平台位移量之间的关系式。通过传感器采集的实时位移值,计算出了平台六自由度位移,并分析了影响该方法测试精度的多个因素,得出了该方法可通过选用不同频带、不同精度的传感器,实现不同振动环境下隔振平台六自由度位移的动态精密测量的结论。理论分析表明,该测量方法简单有效,适用范围广,有较大的推广价值。     

新型准零刚度非线性悬置座椅特性分析与参数匹配

为有效解决车辆传统线性座椅振动舒适性差、非线性座椅成本高且可靠性差的问题,提出了一种基于连杆-剪式隔振机构的新型非线性悬置座椅。利用准零刚度理论建立座椅数学模型,探明座椅可变承载特性、低频隔振特性及其影响规律和关键参数可行设计域,进而提出悬置刚度解析匹配方法和建立减振器非线性阻尼匹配数学模型。通过样机试验对比,验证所建模型和所提方法的正确性及座椅能效。结果表明,新型座椅振动舒适性比传统线性座椅提高了35%且与传统非线性座椅相当;新型座椅成本是传统非线性座椅的一半,且失效条件下舒适性比传统非线性座椅提高14%以上。     

利用双光杠杆测量非等截面光纤布拉格光栅传感器的应变系数

使用单个光杠杆监测传感器应变时,传感器两端的被夹持部位受力后易与电子万能试验机的夹持器产生滑移。为了消除滑移影响以提高测试精度,本文使用两套光杠杆建立了测量弹性受力部位呈非等截面的光纤布拉格光栅(FBG)传感器等效应变系数ηεeff的实验测量系统。测试时,将两套光杠杆的平面反射镜分别安放在传感器弹性受力部位两侧的固定端端面上,测量出两个固定端在受力变形后的相对位移和相应的FBG中心波长变化量。然后,使用曲线拟合法和累加均值法对实验测得的数据进行处理来获得ηεeff。建立了仿真模型,得到了ηεeff预估值并与实测值进行了对比。结果显示:实验测得的ηεeff为0.681 7με/pm,精度为0.91%,与仿真获得的预估值0.672 0με/pm相差仅为1.42%。该方法满足了准确测量非等截面结构FBG传感器应变系数的要求。     

基于结构变形的大型并联六维力传感器精度研究

为了研究结构变形对大型六维力传感器精度的影响,基于螺旋理论及影响系数方法,并借助位姿解建立了考虑结构整体变形条件下Stewart平台六维力传感器测量误差模型,推导出并联六维力传感器测量的Ⅰ,Ⅱ类误差表达式,分析了在不同外载下,六维力传感器Ⅰ,Ⅱ类误差,总结了结构变形和平台自重对传感器测量精度的影响规律,为具有普通球形铰链大型Stewart平台六维力传感器标定方案的选择和精度的改善提供了理论基础.     

寄生式时栅传感器测量不确定度的分析与评定

为了全面分析寄生式时栅误差和不确定度来源,提高寄生式时栅的测量精度,建立符合国际GUM规范检测结果的不确定度评定模型,以84对级的寄生式时栅为研究对象,根据其测量原理分析所测量角度的计算公式,进而将不确定度来源分为插补脉冲个数的误差、插补脉冲信号的量化误差、行波信号的周期误差和环境误差四大类,从理论上建立各不确定度分量之间的理论传递关系,应用现代不确定度理论,推导出合成测量不确定度计算公式。搭建实验平台,利用示波器等仪器的测量结果评定各不确定分量具体数值大小,计算被测角度的合成测量不确定度值。通过与寄生式时栅整圆周的实际测量误差相比较,可以看出利用该评定方法评定的传感器角度测量不确定度与实际误差相符,因此可以用于寄生式时栅传感器的实际评定。     

应用白光共焦光谱测量金属薄膜厚度

为了精确测量自支撑金属薄膜厚度及其厚度分布,提出了基于白光共焦光谱传感器的金属薄膜厚度测量技术.介绍了该技术的测量原理及系统结构,研究了系统的测量不确定度.利用相向对顶安装的白光共焦传感器组、精密位移平台并结合自制的薄膜厚度校准样品,实现了对厚度为10～100 μm的自支撑金属薄膜的厚度及厚度分布的精确测量;通过研究系...     

电感式测微仪的直接数字化处理研究

在引入电感传感器等效电路的基础上,推导了非理想载波和非理想电感条件下,电感式测微仪幅位移与相位移公式,仿真计算给出了相应的数值曲线。针对传统电感处理电路对输出信号近似处理的缺点,提出用同步A/D与椭圆拟合算法同时提取输出信号幅值与相位的方法。根据幅位移与相位移的特点,在实验基础上提出在电感零点附近采用相位移法识别位移,远离零点位置用幅位移法识别位移的方案。实验证明该方法在不换档或改变放大倍数的情况下,不仅极大地提高了测量精度,同时使测量范围覆盖了传感器的整个线性范围。     

电涡流传感器的脉冲激励与双参数检测

采用矩形脉冲作为激励信号,对电涡流传感器在位移检测过程中谐振频率及谐振阻尼的变化情况进行了研究分析.建立了以现场可编程门阵列(FPGA)为核心芯片的检测系统,用于产生所需要的矩形脉冲激励信号以及对传感器响应信号的欠采样.利用8 mm直径的电涡流线圈,对0～10 mm范围内碳钢目标靶的位移响应特性进行了测量,借助短时傅里叶变换分析了响应信号中频率成分的分布情况,同时获得了谐振频率及谐振阻尼的测量值.验证了通过脉冲激励同时获取电涡流传感器双参数检测的可行性.为研制基于电涡流效应的位移传感器及无损探伤传感器提供了一种新思路.     

一种压电陶瓷叠堆执行器刚度测量方法研究

分析了压电陶瓷叠堆执行器(piezoelectric ceramic stack actuator,PCSA)的刚度及其与位移输出的关系。在此基础上,提出了一种通过分别测量PCSA在相同驱动电压下空载时和在给定刚度的弹性框架预紧时的位移输出量,并根据测得的位移输出量解算PCSA刚度的刚度测量方法,建立了相应的PCSA的刚度测量系统原理。通过分析和建立弹性框架的伪刚体模型、刚度方程和应力方程,以达到对弹性框架的刚度特性进行准确设计的目的。利用有限元仿真和实验对提出的PCSA刚度测量方法和建立的系统特性进行了验证和测试。仿真和实验结果表明,根据建立的刚度方程能够对弹性框架的刚度进行准确估计,提出的PCSA刚度测量方法能够实现PCSA刚度的测量。