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复合石英摆线微应变执行器设计

唐钰璇  
【摘要】:在“中国制造2025”的大背景下,大力提高科学仪器的精度是中国传统制造业可以转型升级,智能制造技术与装备能够创新发展的必然趋势。振动是影响仪器精度的重要因素,特别是光学设备和光学元器件极易受振动影响,非常小的振动会导致聚焦不清晰;较大一点的振动会引起随时间变化的不清晰;非常大的振动甚至会造成系统结构的破坏。微小振动的隔离是超精密测量/测试仪器的核心技术之一,也是仪器精度能够进一步提升的瓶颈。单摆隔/减振系统作为引力波探测系统地震隔离装置中的重要部分,是仪器精度能够进一步提升的研究热点。而高性能执行器的研发是隔微振技术研究的关键。本课题针对科学仪器精度提升的发展要求,从隔/减振技术方面入手,在单摆隔振系统的基础上,进行了复合石英摆线微应变执行器的设计研究。本文的主要研究工作如下:首先,从分析超磁致伸缩材料(GMM)的磁机耦合特性和光纤光栅(FBG)的应变特性入手,建立复合石英摆线微执行器的磁机耦合模型;在此基础上,分析单摆隔减振系统的基本原理,进而得到复合石英摆线的隔微振原理,为复合石英摆线微应变执行器的设计提供理论依据。然后,研究探讨超磁致伸缩材料与光纤光栅石英摆线的耦合方式,提出了利用复合粘贴和磁控溅射镀膜两种制备复合石英摆线的方式,并利用金相显微镜分别观察两种方式制备的复合石英摆线的膜厚和均匀度,总结两种制备方式的优缺点。接下来,设计优化复合石英摆线微应变执行器的结构,在实验室已有的UOI-CtlG v4.2 GMA驱动部分的基础上,设计优化了结构;并利用COMSOL等软件仿真复合石英摆线微应变执行器的整体磁场,并仿真磁场与镀膜厚度和复合石英摆线形变量之间的关系。最后,搭建了复合石英摆线微应变执行器的实验系统,测量微应变执行器的相关指标和减振效果,得到其分辨力为0.1μm,对应的激励电流分辨力为0.25A;行程为-0.92μm~5.96μm,对应的激励电流范围为-2.25A~7.5A灵敏度为0.74μm/A,重复性为2.27%;复合石英摆线微应变执行器具有减振效果,能够将振动幅度压缩至原始振动信号的26.85%。


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