基于应变片的压电微夹钳微力检测单元设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究的目的及背景

现代科学技术，特别是物理学、材料学以及光学在近几十年来取得的长足进步，使得人们研究微观世界的奥秘成为可能。微机电工程、光学与光电子工程、精密工程、生物医学工程以及纳米科学和技术等领域的迅猛发展迫切需要能够在亚毫米级、微米级甚至纳米级空间代替人类进行操作的机器人系统。微机器人技术作为这种需求的产物，已成为现代前沿科学和工程领域的关键技术之一，也是当今国际机器人学术界研究中一个崭新的亮点。

微机器人是一个概括的说法，它限定了机器人工作的空间是微观世界，区别于在我们宏观世界操作和运动的机器人系统。根据外形尺寸和用途的差异，微机器人可分为微型机器人和微操作机器人。微型机器人是指外形很小，便于在微小空间进行可控操作的微型机械。日本东京工业大学的一名教授对微型和超微型机械的尺寸作了一个基本的定义：机构尺寸１～100毫米为小型机械；10微米至1毫米为微型机械；10微米以下为超微型机械；而微操作机器人的外形尺寸未必很小，但其操作范围和精度却可以达到微米、亚微米级甚至纳米级。微操作不是宏操作在尺寸上的简单缩小，它具有自己独特的特点与规律[1]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

本次毕业设计是基于应变片的压电微夹钳微力检测单元设计。通过收集分析有关资料，了解压电微夹钳的基本原理与微力检测方法；对应变片的布片方式进行研究，建立适合微夹钳的布片方式；通过对微夹钳传回来的电信号进行调理、采集；绘制相应的电路图；最后将得到的信号传递到上位机显示出来。

2.2 研究目标

本次毕业设计是对压电微夹钳的微力单元进行检测。根据压电双晶片构成的悬臂梁的压电效应和逆压电效应对微夹钳传递回来的位移信息和力信息进行调理。对位移信息和力信息进行对比说明检测的正确性；实现对微夹钳的微力的检测。

2.3 技术方案

1. 微夹钳的结构主要包括以下部分:位移传递/放大机构、夹爪、驱动器、力反馈传感器和基座。大多数情况下位移传递/放大机构和夹爪为一体。本次毕设采用压电驱动微夹钳。

微夹钳的工作原理如图1所示。给钳指施加图中所示的驱动电压，当作用于上侧晶片的电场E方向与晶片电极化强度P方向相反时，晶片伸长；作用于下侧晶片电场E方向与晶片电极化强度P方向相同时，晶片缩短，于是使整个钳指向下偏转；另一个钳指极化方向与图中所示相反。当施加相同的驱动电压时，钳指便向上偏转。从而实现夹持操作。

2.针对微夹钳的微力检测:压电晶片的布局采用惠斯通全桥分别测量X、Y、Z三个方向的力。当微夹钳夹持对象时，便要受到微对象的反力作用，这时微夹钳在驱动电压作用下所产生的位移会转换为力。当被夹持微对象尺寸一定是，随着驱动电压的增大，由钳指位移变形所转换而来的力也增大。

图2 设计流程框图

1. 根据逆压电效应，输入驱动电压使微夹钳完成夹持操作。

2. 微夹钳的位移传感器和力传感器会传递回来微夹钳的位移信号和应变力的信号。

3. 对位移传感器和力传感器传递回来的信号进行信号的放大，滤波等调理。拟采用三运放高共模抑制比放大电路，和低通滤波器等调理电路。

4. 信号采集装置将模拟信号转换成数字信号，以便于与上位机完成通讯。

5. 与上位机进行通讯，将微夹钳传递的信号传递到计算机上。通过LabVIEW显示具体的力的大小。

3. 研究计划与安排

第1－4周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需基本原理及技术方法。确定方案，完成开题报告。

第5－8周：基于压电微夹钳结构和原理的微力检测方法与实现技术、需求计算。

第9－14周：检测电路设计、单片机电路设计、关键元器件选型及布置优化、编制程序。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 王守杰,宗光华.微操作机器人与宏微观[j].自然辩证法研究，1998,24（9）：24～27.

[2] 张培玉,武国英,郝一龙等. 微夹钳研究的进展与展望[j]. 光学精密工程, 2000,8(3): 292～296 .

[3] 于东英. 微电子机械系统研究的新动向[j]. 机械设计与研究, 1997, 14(1): 46～47 .