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第一章 绪论1

一、现代执行器概念1

二、现代执行器的定义2

三、执行器的分类2

四、执行器的地位与作用3

五、现代执行器的发展现状与动向5

六、关于执行器的学科建设问题11

参考文献11

第二章 现代执行器的理论基础13

2.1 执行器的构成13

2.1.1 执行器的构成法13

2.1.2 执行器与被控制对象的关联15

2.1.3 执行器的数学模型及其建摸方法16

2.1.4 信号选择机能与选择方式19

2.1.5 执行器的标定基准与精度传递22

2.2 执行器与传感器(A S)的统一理论22

2.2.1 A S 的效应的可逆性22

2.2.2 A S 的物性效应及其模型23

2.3 机电耦合效应与电磁效应的相似性32

2.4 机电耦合二次感生效应解析33

2.4.1 静态情况(从正压电效应开始)34

2.4.2 静态情况(从逆压电效应开始)34

2.4.3 试验验证35

2.4.4 结论37

2.5 执行器基础件的设计原理37

2.5.1 执行器用基础件的分类37

2.5.2 弹性构件的刚度及灵敏设计37

2.5.3 柔性铰链构件有限元分析42

2.5.4 微小柔性结构的拓扑优化44

参考文献60

第三章 执行器的性能与质量评价62

3.1 执行器的静态特性63

3.2 执行器的动态特性65

3.2.1 执行器的频率响应特性66

3.2.2 执行器的阶跃响应特性67

参考文献68

第四章 压电式执行器69

4.1 压电执行器的晶体物理基础69

4.1.1 压电材料的发展69

4.1.2 几种常用压电材料70

4.1.3 压电效应70

4.1.4 广义压电方程77

4.2 压电陶瓷执行器的驱动79

4.2.1 压电陶瓷的电压驱动79

4.2.2 压电陶瓷的电荷驱动82

4.2.3 压电陶瓷的电荷控制85

4.3 压电叠堆执行器原理与设计87

4.3.1 压电叠堆结构与特点88

4.3.2 压电叠堆的振动规律89

4.4 小型高频压电激振器的设计实例91

4.4.1 结构设计91

4.4.2 谐振频率计算91

4.4.3 特性测试92

4.5 压电双晶执行器原理与设计92

4.5.1 基本结构与原理92

4.5.3 静态和动态特性94

4.5.2 压电双晶元件的支撑94

4.5.4 谐振特性96

4.6 压电式直线振动给料器的设计实例97

4.6.1 结构设计97

4.6.2 实验结果与分析98

4.7 压电振动执行器控制电路设计实例100

4.7.1 控制电路的特点100

4.7.2 自动控制电路的组成及工作原理100

4.7.3 控制电路原理101

4.8 压电执行器的应用103

4.8.1 校准用压电高频振动台103

4.8.2 压电双晶执行器在光电开关中的应用104

4.8.3 压电叠堆执行器在显微镜自聚焦中的应用105

4.8.4 在摆动式 CCD 图像摄取中压电双晶执行器的应用107

4.8.5 压电叠堆执行器在 VTR 磁头上的应用108

参考文献108

第五章 自感知执行器(SSA)111

5.1 自感知执行器概念111

5.2 自感知执行器的原理与技术关键112

5.2.1 压电自感知执行器物理基础112

5.2.2 感知信号与执行器控制电压之间的耦合113

5.2.3 自感知执行技术关键114

5.3 基于电桥电路的自感知执行器114

5.3.1 无源电桥114

5.3.2 有源电桥114

5.3.3 应用115

5.3.4 电桥电路的自感知执行器改进方案119

5.4 基于观测器的自感知执行器122

5.4.1 线性状态观测器123

5.4.2 建立迟滞模型对迟滞非线性进行补偿125

5.4.3 有迟滞补偿的状态观测器结构126

5.4.4 试验装置及试验结果126

参考文献127

第六章 超声波执行器129

6.1 驻波型超声波执行器129

6.2 行波型超声波执行器130

6.2.1 旋转式行波超声波执行器131

6.2.2 直线式行波超声波执行器134

6.3 圆筒形超声波微电机135

6.4 悬臂式超声波微电机138

6.5.1 用于照相机自动聚焦的超声电机140

6.5.2 用于手表的超声电机140

6.5 超声波执行器的应用140

6.5.3 用于汽车上的超声电机141

6.5.4 用于纸张传送的超声波电机141

6.5.5 小型与微型压电超声电机142

6.5.6 用直线式超声电机驱动的 X-Y 分度台142

参考文献142

第七章 磁致伸缩执行器144

7.1 磁致伸缩现象及产生机理144

7.1.1 磁致伸缩现象及产生机理144

7.1.2 磁致伸缩唯象方程式147

7.2 超磁致伸缩材料特性及其驱动方法149

7.2.1 超磁致伸缩材料149

7.2.2 超磁致伸缩材料的特性150

7.2.3 超磁致伸缩材料的驱动形式158

7.2.4 基于电流的控制模型及驱动方法161

7.2.5 基于磁感应强度的控制模型及驱动方法162

7.3.1 超磁致伸缩执行器(GMA)164

7.3.2 超磁致伸缩执行器的应用164

7.3 超磁致伸缩执行器的研究及应用164

7.4 具有磁场与位移感知功能的超磁致伸缩微位移执行器169

7.4.1 执行器总体结构与工作原理169

7.4.2 执行器微位移感知功能的原理及实现171

7.4.3 超磁致伸缩微位移驱动系统175

7.4.4 微位移驱动系统的实验结果及性能指标180

参考文献182

第八章 形状记忆合金执行器186

8.1 形状记忆效应186

8.2 形状记忆合金的变形190

8.3.1 NiTinol 合金的热力学模型及特征量表征192

8.3 NiTinol 合金特性192

8.3.2 NiTinol 合金性能及影响因素197

8.4 形状记忆合金的热-机械特性200

8.5 形状记忆合金执行器设计202

8.6 形状记忆合金在振动控制领域中的应用207

8.6.1 应用 NiTi 形状记忆合金进行振动的主动阻尼控制207

8.6.2 应用形状记忆合金进行系统谐振频率控制210

8.7 形状记忆合金驱动的自适应机翼213

8.8 形状记忆合金薄膜219

8.9 形状记忆合金薄膜的单元互联执行器219

8.10 冷轧法制备 SMA 薄膜工艺及其互联执行器222

8.10.1 冷轧法制备 SMA 薄膜222

8.10.2 SMA 薄膜单元互联的二维微执行机构223

8.11.1 硅基 NiTi 薄膜微夹持器结构设计及工作原理234

8.11 SMA 薄膜驱动硅基微夹持器234

8.11.2 硅基 NiTi 薄膜微夹持器制造工艺235

8.11.3 NiTi 薄膜驱动硅微夹持器238

8.11.4 微夹持器及微操作系统的应用242

参考文献244

第九章 仿生执行器246

9.1 聚合物人工肌肉执行器246

9.2 气动肌肉执行器251

9.2.1 结构251

9.2.2 系统模型251

9.2.3 人工肌肉执行器性能评价252

9.2.4 系统测试和结果253

9.3 聚砒硌和聚苯胺的执行器253

9.4 人工肌肉与生物肌肉的性能比较255

参考文献256

第十章 微型执行器257

10.1 微型执行器的概念与特点257

10.2 微执行器的制作工艺259

10.2.1 超精密机械加工技术259

10.2.2 能量束(三束)加工技术259

10.2.3 IC 加工技术260

10.2.4 LIGA 技术261

10.2.5 准 LIGA 工艺263

10.3 典型微执行器264

10.3.1 微马达264

10.3.2 微型泵269

10.3.3 微型阀270

10.3.4 微夹钳272

10.4.1 显微成像微操作系统概述274

10.4 微操作系统274

10.4.2 系统组成275

10.4.3 立体成像275

10.4.4 实验277

10.5 电流变效应微液动执行器278

10.5.1 电流变效应与电流变体性能278

10.5.2 电流变(ER)微执行器原理278

10.5.3 压电控制执行器280

10.5.4 LIGA 微执行器的控制281

参考文献282

第十一章 微机器人及其执行器284

11.1 微机器人与 MEMS 的关系284

11.2.1 微机器人的概念285

11.2 微机器人的概念、特点及分类285

11.2.2 微机器人的特点286

11.2.3 微机器人的分类286

11.3 微机器人的关键技术问题287

11.3.1 微执行器287

11.3.2 微传感器288

11.3.3 能量的供应288

11.3.4 控制系统289

11.4 几种微机器人和微执行器289

11.4.1 压电式微机器人及其微执行器289

11.4.2 静电力和电磁力微机器人及微执行器291

11.4.3 形状记忆合金(SMA)微机器人及微执行器292

11.4.4 气压驱动微执行器293

11.4.5 直流微马达驱动293

11.4.6 其他形式的微执行器294

11.5 微传感器295

11.6 能量的供应296

11.7 控制系统297

11.8 四足管道微小机器人299

11.8.1 结构和运动机理299

11.8.2 试验测试和讨论300

参考文献301

第十二章 执行器的电-气信号变换304

12.1 电-气转换器的发展背景及总体方案304

12.1.1 国内外电-气转换器的研制和发展状况304

12.1.2 薄膜电子式电-气转换器总体方案305

12.2 气路系统的研究和设计307

12.2.1 喷嘴挡板机构原理与选择307

12.2.2 气路结构310

12.2.3 气路静态转换特性实验318

12.3 弹性元件320

12.3.1 弹性元件的结构形式与材料性能320

12.3.2 弹性材料的选择与实验323

12.3.3 胶粘剂325

12.4 直流磁路326

12.4.1 磁路结构选型326

12.4.2 磁路分析与结构参数优化326

12.5 电路的设计与分析329

12.5.1 信号的输入329

12.5.2 电路设计329

12.6 电-气转换器的性能测试333

12.6.1 性能测试333

12.6.2 现场运行情况335

参考文献335