直圆抛物线复合铰链柔度研究

提出了一种新型柔性铰链:双边直圆抛物线复合铰链,建立了其理论结构模型,利用卡氏第二定理及微积分理论对铰链的主要性能指标柔度和转动精度进行计算,并取实际参数对柔度及转动精度进行了理论计算及有限元分析,同时对影响铰链性能的结构参数进行研究,结果表明:铰链柔度及转动精度的理论值与有限元分析值相比较,一致性大于92%,且铰链柔度随最小切割厚度t的变化最大。作为一种新型铰链与其他柔性铰链进行了对比,直圆抛物线铰链融合了直圆铰链与抛物线铰链的优点,当cL/2时,铰链具有较强的转动性能及较弱的载荷敏感性,且热适应能力更强。所设计的直圆抛物线铰链为包括空间环境使用的支撑结构柔节的设计提供了指导。     

切向双脚架-运动学支撑结构的柔度研究

为了实现高精度的运动学支撑结构的设计,研究了切向双脚架-运动学支撑结构的柔度。介绍了切向双脚架-运动学支撑结构的设计原理。根据单边直圆柔性铰链的柔度公式,推导了双脚架在X、Y和Z轴方向的等效柔度Cx、Cy和Cz的解析式。采用有限元分析和试验验证的方法,对双脚架的柔度解析式进行了分析验证。结果表明:解析式结果与有限元结果、试验结果基本一致,且误差均小于9.8%。研究了单边直圆柔性铰链的柔槽深度R和最小厚度t对双脚架柔度Cx、Cy和Cz的影响,得到了双脚架的等效柔度均与柔槽深度R成正比,与最小厚度t成反比的结论。为空间相机上的科学仪器的切向双脚架-运动学支撑结构的设计提供理论参考。     

单边抛物线形柔性铰链的计算与性能分析

提出了一种单边抛物线形柔性铰链,以力学卡氏第二定理和微积分为理论基础,推导了单边抛物线形柔性铰链柔度和转动精度的闭环解析公式,利用有限元的方法对柔性铰链的解析公式进行校验,结果表明:有限元方法与闭环解析式的结果基本一致.并对单边抛物线形柔性铰链的性能进行分析,得出了结构参数对其柔度性能的影响关系,并通过对双边抛物线形柔性铰链比较,分析了单边抛物线形柔性铰链的转动能力、转动精度和对轴向载荷的影响等性能,为柔性铰链在结构紧凑、大位移场合的工程应用提供了有价值的参考.     

微柔性铰链转动能力和精度特性研究

对柔性铰链的转动能力和精度特性等方面进行了理论分析和研究,给出了柔性铰链的柔度矩阵和精度特性矩阵的计算公式,得到表示柔性铰链转动能力的变形量方程和表示精度特性的位移方程。用VC++实现了相应的参数化程序。提出了铰链内各柔度间的比值概念,为定量地比较柔性铰链的性能提供了依据。并给出了两种MEMS柔性铰链的分析实例。     

快速反射镜椭圆弧柔性铰链多目标优化设计

在快速反射镜柔性铰链优化设计中,为保障反射镜精度和稳定性,应尽量提高柔性铰链工作轴转动柔度和非工作轴转动刚度。以某快速反射镜的椭圆弧柔性铰链为研究对象,首先利用最小二乘法和积分思想推导了三个转动轴的转动柔度公式,与有限元法对比,二者最大相对误差小于6.8%,解决了矩形截面扭转柔度积分过于复杂的问题;其次基于改进的非支配排序遗传算法（NSGA-II）对三个转动轴进行了多目标优化设计,达到设计指标,所得最优解和求解效率较传统算法有了明显提高,其中Pareto解求解效率较多岛遗传算法(MIGA)提高了14.3%,较粒子群算法(PSO)提高了25%;最后对NSGA-II算法所得最优解进行了有限元验证,结果表明二者最大相对误差小于6.5%,吻合较好。     

小型反射镜柔性镜座柔度分析

为了进行小型反射镜柔性镜座的柔度研究。首先利用伴随变换建立柔性镜座的柔度矩阵,推导出轴向、侧向某方向柔度分别为9.58×10-8m/N、1.38×10-8m/N,并用有限元分析软件MSC.Patran/Nastra仿真得到轴向柔度1.00×10-8m/N、侧向柔度1.33×10-8m/N。之后假设镜座与模拟镜之间连接处柔度矩阵为6×6对角阵。将此矩阵组合至镜座柔度理论模型中,得到侧向柔度关于连接处柔度矩阵对角线元素的表达式。通过对侧向柔度实验数据进行非线性拟合得到其数值,并计算出其正交方向与轴向柔度分别为4.039×10-7m/N、2.20×10-7m/N与实测值4.136×10-7m/N、2.25×10-7m/N比较,分别相差9%、2%,证明了简化的正确性与方法的可行性。本文利用优化的方法对柔度实验数据进行了非线性拟合,避开了可能的各向异性等具体的物理性质,直接在数学上建立其柔度模型,同时,对工程中类似问题的求解提供了指导;本文对于柔性镜座的分析对于项目之后的分析与装调也有重要意义。     

倒圆角三角型两轴柔性支撑设计

为提高压电陶瓷驱动的快速反射镜的回转精度,对倒圆角三角型柔性支撑进行研究。首先利用卡氏第二定理推导出倒圆角三角型柔性铰链柔度和回转精度理论计算公式;然后建立倒圆角三角型柔性铰链和两轴柔性支撑的有限元模型,并进行仿真分析得出柔度和回转精度的仿真值。将仿真值与理论值进行比较,其结果表明,最大误差在8%以内,验证了所推导公式的准确性。对比直圆型柔性支撑,在保证柔度的前提下,倒圆角三角型柔性支撑的回转精度提高了40%,具有重要的工程实用价值。     

两轴正交圆切口单轴柔性铰反射镜支撑结构

在实际工程应用背景下,基于实际材料参数测试结果,借助有限元分析手段系统分析了切口半径r和最薄切口部位厚度t对圆切口单轴柔性铰柔度系数和等效转动半径dc的影响趋势,并归纳总结出简化的圆切口单轴柔性弯曲变形计算模型。为验证该模型的可靠性,搭建了相应的实验装置。与实测值相比,简化模型的计算误差优于10%,可满足工程应用要求。在此基础上,提出了基于圆切口单轴柔性铰链的两轴反射镜柔性支撑结构简化计算模型,该模型可大大减少经典理论模型的计算工作量,为此类反射镜柔性支撑结构的参数化设计和尺寸优化提供了参考依据。     

分布柔度桥式位移放大机构静动力学性能研究

该文对分布柔度桥式位移放大机构的放大比、刚度特性及固有频率等静动力学性能进行了研究。首先,根据柔性梁单元的刚度矩阵建立了该放大机构的位移放大比及其输入刚度解析模型。随后根据柔性梁的变形曲线方程,通过求解变形曲线对时间的导数,得到梁上任一点速度以获得柔性梁在机构振动过程中动能表达,在此基础上,利用拉格朗日法建立了具有3个广义坐标的桥式放大机构的振动方程,并得到其工作方向的固有频率。最后利用有限元与实验方法对其动力学性能进行了测试。实验结果表明,解析计算结果与有限元分析及实验结果较吻合,证明了所建立的解析模型的准确性。     

蜂巢柔性导向结构设计及分析

柔性铰链导向机构作为压电驱动器基本导向及保护单元,被广泛应用于各类复杂柔性机构中,然而现行导向机构仍存在许多不足。该文设计了一种基于蜂巢柔性铰链的对称结构用于压电驱动器运动导向,采用有限元法详细分析了其动静态运动特性。着重研究了机构性能对关键结构参数的依赖规律,给出了相应经验设计公式以用于指导其参数最优设计。所设计的蜂巢柔性导向机构具有机构紧凑,易于实现大行程导向,反应速率快等优点,具有重要的工程实用价值。     

一种基于柔性铰链的FBG加速度传感器

为了适应光纤传感器在采煤机中的应用,提出了一种基于柔性铰链的光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器,其质量块通过柔性铰链和基座连接。基于传感器的结构模型,从理论给出了传感器的灵敏度和谐振频率公式,并讨论了结构参数对传感器灵敏度和谐振频率的影响,还利用有限元法分析了传感器的静态和动态特性。实验表明,本文传感器的谐振频率为2kHz,峰-峰值灵敏度为22pm/g,横向抗干扰度小于10%,适用于1kHz以下加速度的测量。     

Inverse kinematic modeling of a coupled flexure hinge mechanism

An inverse kinematic model of a micro-motion stage with three degrees-of-freedom motion is presented. The XYθ stage uses three piezoelectric actuators and a monolithic flexure hinge mechanism which is designed to provide large θ motion. The stage design has a coupled hinge mechanism which causes a difficulty in motion control. This paper describes a computer based inverse kinematic model of hinge mechanism and the experimental verification for the model. In particular, it presents a kinematic calibration procedure for improving the accuracy of the model. It is shown that the simulation and experimental results are very similar to each other and they also demonstrate that the inverse kinematic model can be used for open loop control of the stage within 5% error. The open loop control of the stage provides 7.6 and 8.2 nm positioning resolution over the total range of 41.5 and 47.8 μm along the X- and Y-axis, respectively, and 0.057 arcsec rotational resolution over the total range of 322.8 arcsec about the θ-axis.     

基于柔性铰链结构的高灵敏度低频光纤光栅加速度传感器

设计了一种基于柔性铰链结构的光纤光栅加速度传感器,进行了结构理论分析,并构建有限元模型仿真分析了传感器的加速度传感特性。基于F-P滤波器构建了具有温度自补偿功能的光纤光栅加速度检测系统,并通过增加反馈控制电路,对F-P滤波器进行反馈控制,实现了系统的零点自温度补偿。对系统的特性进行了实验测试,结果表明:系统对加速度的连续激励信号和冲击激励信号均有良好的动态响应,系统的固有频率为380.0 Hz,动态响应范围可达65.6 dB,频率响应范围为10.0 ~240.0 Hz,灵敏度为236 pm/g,所设计的加速度传感器具有较强的横向抗扰能力,干扰方向灵敏度仅为工作方向灵敏度的3.5%。     

Design and performance test of the fast-steering mirror with flexure hinge used in vehicle track-launch system

To accurately launch laser, a fast-steering mirror (FSM) with flexure hinge is designed. First, actuators, angle sensors and flexure hinge were designed or selected respectively according to requirements of vehicle track-launch system. Then, the servo control system with two closed loops was projected after fine manufacturing and assembling. Finally, the pointing precisions of FSM on the static and vibrancy platforms were tested. The results show that the designed FSM with pointing error range on the static platform is less than 0.9″, and less than 44.5″ on the vibrancy shaker, which can meet the requirements of vehicle track-launch system application.     

一种基于新型双轴圆弧铰链的二维FBG加速度传感器

为了实现大跨度桥梁中拉索构件的二维(two-dimensional, 2D)振动信号高精度测量,本文设计并研究了一种小型化的新型2D光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)加速度传感器,以解决现有FBG加速度传感器体积与质量较大的问题。所设计的FBG加速度传感器主要由含有质量块的双轴圆弧铰链、4个固定支架,以及刻有4段阵列FBG的光纤组成。通过建立FBG加速度传感器的动力学普遍方程,得到灵敏度与固有频率的理论数值,另外辅以Abaqus软件对其进行有限元仿真以验证理论推导的结果。实验测试数据表明,FBG加速度传感器的固有频率约为500 Hz,双FBG的布置使其灵敏度可以达到595.2 pm/g,此外对称推挽的圆弧铰链设计还具有优异的横向抗干扰和温度自补偿性能。最后以某中承式钢管混凝土拱桥为实际工程案例,使用所设计的2D FBG加速度传感器实现了吊索索力的有效测量。     

新型环树融合的无源光网络的应用研究

随着接入网带宽需求和业务支持需求的快速发展,环形结构的无源光网络(PON)的应用越来越重要,更长距离、支持更多光网络单元、与环形网络无缝融合已经成为PON在城域网中继续发展的3大要求.文章详细论述了新型环树融合拓扑结构的PON的原理及关键技术,讨论了这种新型结构的典型应用,总结了不同方案的优缺点,为未来接入网与城域网更深层次的融合发展的研究提供参考.     

A novel hybrid coupler based on antiresonant reflecting opticalwaveguides

A novel hybrid coupler based on the antiresonant reflecting optical waveguides (ARROWs) is presented. This device consists of two parallel antiresonant reflecting optical waveguides with a tapered outermost cladding layer. Such a device can provide advantageous features of low radiation loss, low crosstalk at the output end, and compatible core dimensions and indexes with single-mode optical fibers. The staircase approximation and the eigenmode expansion analysis are used to analyze and optimize this device. In our design on a Si-substrate, radiation losses below 0.38 dB and extinction ratios below -20 dB for two waveguide channels are achieved. The beam propagation method (BPM) is also used to verify our design and analysis results     

Detection system based on a novel large area hybrid detector

A system level implementation of a large area hybrid detector is presented. The detector used in this system consists of an array of hydrogenated amorphous silicon photodiodes directly connected to a CMOS readout chip, which is vertically integrated over the sensor array using flip-chip bonding. In particular, the proposed solution relies on a stack of interconnection layers, deposited on top of the photodiode array, to route each individual pixel output to a separate pre-amplifier channel. This avoids the need for a geometrical matching between the sensor array and the chip contact pads. As a consequence, conventional non-pixelated readout chip can be used and easy-scalable large area detectors can be produced. The CMOS chip is connected to an electronic board, providing the interfaces needed to read the signals as well as providing voltage references and power to the chip. The signals are collected and pre-processed by an FPGA chip, providing a very compact and flexible setup.     

一种新型混合结构X频段宽带功分器

分析了不对称槽线混合结构T型接头的传输特性,设计了一种由不对称槽线混合桥结构组成的X频段宽带功分器,应用于8~10.3 GHz频段。该功分器主要包括微带-槽线过渡结构和不对称槽线混合桥结构,在实现电磁能量耦合传输的同时还具有良好的功率分配性能。电路没有引入专门的相移电路就可实现可调的相移。电路仿真结果表明,在工作频段内,回波损耗优于-15 dB,插入损耗优于-5 dB,隔离度优于-5.8 dB。测试结果与仿真结果基本吻合,证明了设计的有效性。