本文是一篇硕士毕业论文，硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加强调作者思想观点的独创性，以及研究成果应具备更强的实用价值和更高的科学价值。共分为12大类。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇硕士毕业论文，供大家参考。
优秀代写硕士毕业论文篇一
第 一 章 绪论
1.1 研究背景及意义
20 世纪以来纺织工业迅速发展，为扩大社会就业、促进农业和其他产业的发展做出了巨大贡献[1]。随着物质水平的提高，作为重要民生产业的纺织品的需求也在不断的增加，使得纺织纤维的产品产量和产品种类持续增长，因而纺织领域的工业技术和装备水平得到了快速地提升[2]。 在纺织品需求量增大的同时，对于纺织品质量的要求也在不断地提高，主要表现在纱线的强力和外观。在纺纱最后的络筒阶段，一方面需要将多个管筒上的纱线汇集起来，做成容量较大的筒纱，以增加纱线卷装的容纱量，另外一方面，需要将纱线上有瑕疵的地方进行剔除，即将影响纱线质量的部分纱线剪断[3]。为了提高纱线的质量，这两种情况都需要将两条断纱端头完美的连接在一起。这就要求寻找良好的纱线接合方式。 目前，较好的纱线接合的方式主要有机械捻接和气动捻接。机械捻接主要是利用旋转件搓捻或者包缠的方式将两根自由的纱头接合。由于纱线端头的退捻和加捻是通过高频率的摩擦完成，所以机械捻接一般应用于一些特殊材质的纱线如棉氨纶包芯纱、细高支纱、紧密纺纱等[4]。气动捻接则是以气流为媒介，将两根纱头在旋转气流作用下完成退捻，之后退捻的纱头被引入闭合的加捻腔内，伴随着压缩气流进入加捻腔后，腔内形成的旋转气流将两根断纱接合[5]。因而气动捻接因其成本低、操作方便、维护保养简单等特点，比其它方式应用更加广泛。 空气捻接器的型号较多，这主要由所接合的纱线的特性决定的。凭借着优良性能在纺织企业得到广泛应用的新型纤维，以其所制成的各种功能的纺织用品越来越受到大众的欢迎。为了提升新型纤维无结纱的捻接强力、减少强力不匀率和纱线表面毛羽，提高无结纱的质量和可织性，新型空气捻接器、喷气式毛羽减少装置、智能型槽筒、跟踪式气圈控制器和栅栏式张力器相结合的开环式张力控制系统等络筒新技术得到了很好的应用[6]。 虽然市场上捻接器型号很多，但是捻接器及纱线的捻接原理都大似相同。同时虽然整个纱线的捻接过程解释起来并不困难，但是对于捻接过程中气流特性和纱线的动力学特性却难以进行定性描述。一方面主要是由于退捻腔和加捻腔内复杂的流体动力学分析找不到可靠的理论支撑。
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1.2 国内外研究综述
气动捻接是以压缩空气为媒介在退捻腔和加捻腔中先后形成不同的旋转气流场，使纱线端头完成纤维的退捻及随后解捻纤维的加捻[10]。而纱线捻接质量主要表现在纱线的捻接外观和纱线的捻接强度。由于影响纱线捻接质量的因素有很多，所以国内外的许多学者对于纱线在气流场中的运动机理做了大量的研究。因为国内气动捻接技术相对于国外起步较晚，所以对于空气捻接器的制造工艺大多是对国外技术的引进，对气动捻接技术这一块的理论研究则相对比较薄弱。目前国内研究主要着重于捻接器机构运行原理，以及结构参数及工艺参数对纱线捻接质量影响的研究。李颖、叶国铭利用机构分析和设计方法描述了纱线捻接的机构运动，并通过对捻接过程中纱线的抓取和导引机构的运动剖析设计出导纱空间机构，为空气捻接器机构的设计和改进提供理论基础[11]。肖新华、史明华则分析了自动络筒机捻接机构的传动原理，并运用 Pro/ENGINEER 对其主要零件进行了三维建模和虚拟装配，并在此基础上对捻接机构装配模型进行动态仿真分析[12]。田方圆通过对空气捻接器气体驱动机构的工作原理及运动过程的分析，建立了空气捻接器驱动构件及腔体的热力学和动力学模型。并采用Ronge-Kuta 方法对仿真模型进行求解，分析了不同因素对气阀动态过程的影响，以及气体在腔内的状态变化及瞬态特性。此外通过搭建的实验台，对理论模型进行了实验验证[13]。杨钊采用矩阵法推导了空气捻接器运动机构的关系方程，并使用 JMP 软件对纱线捻接影响因素进行了分析。同时运用 UG/Open GRIP 二次开发工具实现了捻接腔的参数化设计 [14]。
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第 二 章 气动纱线捻接过程
2.1 前言
在纺织行业中，气动技术被广泛地应用于各个领域。其中包括转杯气流纺纱，涡旋气流纺纱，喷气织机气流引纬，空气捻接器气动捻接等[39-41]。而在这些应用中，空气捻接器的气动捻接则成为实现纱线断头以无结头接合并改善纱线质量的一项关键技术[42]。由气动退捻和气动加捻两个过程构成的气动式纱线捻接是一个涉及多根纤维在流场作用下的复杂运动过程。在气动退捻过程中，压缩气流在退捻腔几何结构的影响下，转变成螺旋气流并迫使腔内的纱头解捻成散开的纤维须条。当两根解捻的纱线端头拖入加捻腔后，加捻腔内形成的螺旋气流则引导两束解捻纤维须条相互缠绕，最终得到一根无结头的捻成纱。
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2.2 气动纱线退捻过程
如图 2.1(a) 所示，空气捻接器的主要关联构件包括：夹纱器，主腔盖，由进气管和退捻管组成的退捻腔，剪纱器和加捻腔。在捻接器运行前，两根纱线以相互叠合的方式平行放置在捻接器沟槽内。随着进气阀的打开，两端的剪纱器在凸轮机构的驱动下将纱线尾端剪断。随后由进气管流出的压缩气流将纱线端头吹进退捻管内，并在退捻管内转变成螺旋气流迫使纱头完成纤维的解捻，如图 2.1 (b)。如图 2.2(a)，随着纱线端头退捻的完成，在牵引杆和夹纱器拖杆的拖拽下，解捻的纱线断头以相互平行的方式被引入到加捻腔内。然后在凸轮的驱动下主腔盖被关闭，加捻气路被打开。压缩气流从进气孔进入加捻腔后转化成的螺旋气流。在腔内气流的作用下，解捻的纤维须条以螺旋的方式相互缠绕。最终形成如图 2.2(b) 所示的无结头的捻成纱。
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第 三 章 关键结构参数对纱线退捻效果的影响 .............. 8
3.1 前言 .......... 8
3.2 几何模型及仿真建模 ........ 8
3.3 数值仿真算法 ....... 9
3.3.1 边界条件 .............. 10
3.3.2 网格无关性 ........... 11
3.4 仿真结果分析 ..... 12
3.5 纱线退捻的实验研究 ...... 19
3.6 本章小结 ............ 22 第
四 章 捻接腔内气流场特性对纱线捻接质量的影响 ............. 23
4.1 前言 ........ 23
4.2 数值仿真 ............. 23
4.2.1 仿真模型 ..... 23
4.2.2 仿真方法 ..... 24
4.3 结果和讨论 ......... 24
4.4 实验方法 ............. 30
4.5 本章小节 ............. 31
第 五 章 加捻过程中纤维运动及结头形成机理的研究 ............. 32
5.1 前言 ........ 32
5.2 仿真和实验方法 ............. 32
5.3 结果与讨论 ......... 35
5.4 本章小结 ............ 44
第 五 章 纤维运动及结头形成机理的研究
5.1 前言
由前文的研究可以看出，解捻纤维之间的缠绕特性将决定最终捻成纱的捻接质量。可是在加捻过程中，多根纤维在加捻腔内的交缠行为十分复杂。这是一个涉及接触-碰撞的动力学以及流体-固体相互作用的计算难题。因此一个令人信服的定量理论分析是很难进行的。虽然通过计算流体力学软件计算出气流场特性，并进而基于流场特性推断出纤维捻接的行为具有一定的价值，但是定性地定义湍流模型和计算数值算法仍然有些困难，这也就有可能产生一个不充分或者不适合的流场特性以及捻接行为的阐述[45]。此外，虽然捻成纱的包缠模型能够描述气流特性对最终捻成纱强度的关系，但是加捻腔内的捻接过程以及相对应的纤维运动依旧没有清晰地揭露。因此为了进一步研究解捻纤维在加捻腔内的运动特性以及结头的成形机理，本章采用流场仿真及可视化实验相结合的方法来揭露纤维运动的加接过程。图 5.1 显示了纱线纱头退捻成纤维须条后引入加捻腔的示意图。如图 5.1(a) 所示，两根相对的由解捻须条构成的样纱以叠合的方式被引入到加捻腔内，且每根纱线尾端都由夹纱器夹紧固定。如图 5.1(b) 呈现的是加捻腔内解捻须条的叠合关系。如图两根纱线的解捻须条都相对平行，且纤维须条的中间部分覆盖住了呈现中心对称分布的进气口 1 和 2。当气流由进气口进入加捻腔后，气流在腔内几何结构的影响下转变成螺旋气流并促使纤维须条的自由端头缠绕到相对的另一根纱线上。随着须条自由端头在螺旋气流作用下不断地缠绕，无结头的捻成纱最终形成。
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总结
气动纱线捻接是以空气为媒介，实现两根断纱以无结头形式捻接成型的重要技术。整个纱线的捻接过程涉及到多根柔性纤维接触碰撞以及和螺旋气流场的耦合作用，对于柔性体在流体中运动的分析具有借鉴意义。本文首先运用流体仿真分析和可视化的实验方法对退捻腔内纱线纱头的退捻效果进行分析。进而总结出退捻腔的结构参数对捻成纱捻接效果的影响规律。其次，借助于捻成纱包缠模型和加捻腔内的流场分析，总结出加捻腔的工艺参数对于纤维包缠效果的影响规律。最后通过加捻腔的流场特性和可视化实验相结合的方法，分析出待加捻纤维须条在加捻过程中的运动特性以及结头形成机理。通过本文的研究工作，所得的结论主要有以下几个方面：
（1）以退捻腔的结构参数对纱线纱头退捻效果影响规律的目的出发。通过对建立的退捻腔流体仿真模型的仿真结果的数据分析，可以总结出进气喷嘴切角 β，进气喷嘴旋转角 α，以及进气喷嘴中心相对退捻管中心的偏距 e 决定了退捻腔内的气流形态。其中，进气喷嘴切角 β 被设计来诱导从进气喷嘴喷射出的轴向气流分出一部分转换为径向气流。随着由轴向和径向组成的气流进入退捻管后，与壁面发生碰撞而转变成周向气流。而进气喷嘴旋转角 α 和偏距 e 共同影响着气流在退捻管壁面上的入射角并以此改变周向气流的强度。这也就影响着最终纱头的退捻效果。
（2）基于透明退捻腔的可视化的实验平台，通过高速摄影仪对纱头运动捕获的实验结果进行验证了退捻腔的结构参数对纱线纱头退捻效果分析的结果。即旋转角和偏距能够有效地诱导的周向气流强度。随着周向气流强度的增大，纱头退捻不完全的现象将有效地改善。但是随着周向气流强度的增大，有可能导致纱头上纤维过度退捻。
（3）根据流体仿真软件对于加捻腔的流体计算分析结果，由加速流道进入旋转流道的喷射气流在与加捻腔壁面发生碰撞后形成涡旋气流，并作为包缠力来驱使解捻纤维包缠到原纱条干上，并基于此得到了不同涡旋强度下的捻成纱包缠模型。
（4）基于强力测试平台，通过对不同进气压力下捻成纱的捻接强度进行测试，验证捻成纱包缠模型的可靠性。不断增大的进气压力，有效地改善了解捻纤维的包缠效果以避免纱线端头的不充分捻接。然而随着进气压力持续地增长，过度的捻接也会发生。
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参考文献(略)
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第一章 绪论
1.1 引言
电源是位于市电和用电负载之间的中间环节，能够向用电负载提供高质量的稳定的电力供给[1]。可以说，电源是工业生产的基础性环节。发展至今，可以说电源技术已经成为了一门涵盖各个不同学科的，并归纳演绎，独立为一支的特有学科。而且，其本身涵盖了巨大的市场，在工业、农业、服务业等产业，以及国防和科研等领域发挥重要作用。最早追溯到上世纪七十年代，交流稳压电源就已近存在了[2]。最早的稳压电源都是属于机械调压式稳压器，其控制原理是采用机械的方法，改变变压器的线包接触点的位置，从而改变其匝数比，起到调节输出电压大小的目的。常见的类型为继电器开关类型和碳刷位置变化类型。机械调压式稳压器的具有调压范围大的优点，但是与此同时，工作方式也决定了其存在机械磨损，寿命较短，控压精度低，体型大而笨重，输出波形失真等等的缺点。尤其是控压精度，往往达不到 1%。随着我国科技和经济的高速发展，工业和自动化水平的提高，以及计算机基础的普遍，通信技术的广泛，社会大环境对稳压系统提出了更高的要求[3]。日新月日的用电负载，首先对电源供电的连续性和稳定性有了更高要求。尤其是在各大城市用电紧张的情况下，如何提供稳定连续的电源供给，是一个重点。另外，随着计算机技术和微机处理技术在日常生活中的普及，高新的负载设备对电源的波形质量要求也更高。与传统的用电设备可接受较大输入电压波动不同的是，新用电设备对于输入电压的波动更为敏感。电压幅值的不稳定，会很大程度上，影响用电设备的工作效率。甚至大范围的电压波动，会损坏用电设备，造成财产的损失。而且，交流供电系统存在电力欠缺、电网不尽合理、线路不够规范、稳压电源内阻高、未应用地线系统等问题，都会对计算机、仪器设备、通讯系统、工业自动化设备、医疗设备、测试系统带来问题甚至是损害。在电网供电存在种种不足的情况下，交流稳压电源的应用是必然的选择。
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1.2 控制对象-----直流无刷电机
在本论文中，直流无刷电机是稳压系统的控制核心。电机转动拖动碳刷位置变化，从而改变变压器线包匝数，改变输出电压值[4]。所以，稳压系统的开发是建立在直流无刷电机控制的基础之上的。中国大陆范围的稀土资源储备量是世界第一的。这一先天优势，会使得直流无刷电机这一机电控制系统的首要成员，在高效率低能耗的机电系统以及低碳化工业生产的大背景中进献进策。无刷直流电机优点明显：结构简单、效率高、输出力大等等。究其原因，是因为它可以兼有串励电机和并励电机上的两种性格和特征。在启动层面来说，相似于串励电机，调速层面来说，相似于并励电机。所以，在现在电机技术领域受到广泛重视[5]。随着不同系列的有关领域的发扬和技术的完善，无刷直流电机的典型应用技术已经日益完善，具体包括机电控制技术、数学计算理论、电力电子技术、控制理论和传感器技术等。所以相关生产工艺和制造工艺以及通用技术也得到规范化，并形成了 GB/T21418---2008、GJB1983---1984 等系列的标准。于此同时，电机的结构得到了优化，传感器的使用也渐渐淡出，驱动方法能耗更低，速度调节方法也有所调高[6]。
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第二章 基于 STC15 的高精度稳压电源的硬件设计
2.1 稳压电源的总体介绍
如图 2.1 所示，为稳压电源的外观图。图上方中间位置的是变压器线包，线包中间的是直流无刷电机以及电机所负载的碳刷。当电机转动时，碳刷的位置也会相应的改变，从而改变变压器的输入输出匝数比，从而改变输出电压的大小。图下方的的是电机驱动电路板，以及系统供电板以及 MCU 控制板。左下方的是 LED 显示器。具有保护功能的风扇在线包的内部，线包过热时会开启。右中部的是输出继电器，不正常工作时，会关断输出继电器，从而切断输出。
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2.2 STC15F2K60S2 系列单片机总体介绍
本文中，在 MCU 的选择上采用了 STC15 系列的 8 位单片机。原因是 STC15 系列单片机，有 8 路 10 位 A/D 转换（30 万次/秒），能很好地适应稳压器输入电压非线性变化的应用场合。另外，自带的 2 组超高速异步串行通信端口（UART1/UART2），适用于下位机与 PC 端的通信要求。且由于单片机端只需实现经典 PID 算法，而神经元 PID 算法在 PC 端软件中实现，本文采用了 8 位单片机，而非 32 位的更高级别单片机。高精度稳压器中的无刷直流电机控制是一套微机数字控制系统，这样的电路系统有较高的标准化程度，且制作的成本低[33]。包括交流转直流电(AD/DC)的电源模块、多级运放组成的电流电压 AD 采样模块、基于 STC 单片机的 MCU 控制模块、实现电机正反转及速度控制的电机驱动模块、直流无刷电机系统总成，如下图。如上图所示，右侧三个框体组成电机系统总成的调压逻辑。在高精度稳压电源系统中，由电机转动带动变压器碳刷的位置变化，从而改变变压器的输入输出线包之间的比例关系，从而根据变压器工作方程，得出相应的电压变化比例关系，最终控制输出电压大小。总的来说，高精度稳压电源的控制核心，就是直流无刷电机的运动控制。稳压器除了直流电机以外，可分为 4 个模块：电源模块、MCU 控制模块、电机驱动模块、AD 采样模块。通过单片机的控制过程，调节电机的转动位置和速度，拖动碳刷实现相应的操作，从而改变变压器匝数，调节输出电压。
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第三章 稳压电源的 PID 控制...........16
3.1 系统软件的设计....... 16
3.2 经典 PID 控制框图............17
3.3 系统程序流程........... 17
第 四 章 网络理论及单神经元 PID.........23
4.1 神经元模型........ 23
4.2 神经网络的拓扑结构.......... 25
4.3 神经网络的学习方法.......... 26
4.4 感知器....... 29
4.5 BP 神经网络.......30
4.5.1 BP 网络的训练过程...........31
4.5.2 BP 神经网络的函数逼近能力.....32
4.6 RBF 神经网络....33
4.7 传统 PID 控制....34
4.8 基于神经元的自适应 PID 控制............35
第五章 基于 Delphi 的神经元 PID 实现....43
5.1 神经元算法程序......... 43
5.2 神经元 PID 算法的具体实现.......44
5.3 PC 端与 MCU 端串口通信的实现........ 45
第五章 基于 Delphi 的神经元 PID 实现
神经元 PID 控制器的实现，是基于 PC 端与单片机端的协同作用的。由于单片机端采用的是 STC15 系列的 8 位机，考虑到单片机硬件资源与稳压器系统的复杂性，以及神经元 PID控制算法实现的计算难度，故将神经元 PID 算法的计算过程在 PC 端软件中实现[39-40]。PC端软件采用的是 delphi xe3[41-43]。
5.1 神经元算法程序
神经元 PID 算法的是要在如上图所示的控制界面中实现的，其中左上角的框图内显示的是神经元 PID 控制的参数。在“初始 PID”下的 Group Box 中的参数，即初始的 PID 值[44]。选择并分别改写 P、I、D，点击“OK”可以改写 PID 的初始参数。“在学习率，收敛速度”下的 Group Box 中可以分别改写 n P，n I，n D 也就是 PID 的学习速率，点击“OK”后，参数带入控制算法。在“S 函数参数：ug”名的 Group Box 中，可以修改 yg 参数，即 S 函数的倍率参数，点击 Btn_Yg 完成修改。改变其大小，可以比例放大缩小输出量，方便观察与计算。最后，在窗口中间的曲线图中，可以显示 P、I、D 以及备用调试参数的实时变化。如曲线图右上角的备注所示，前三条曲线分别是参数 P、I、D 的实时大小量，第四条曲线为备注曲线，可用来检测来自 MCU 的输入量、算法的输出量或者其余的参数大小。点击 Run或者 Stop 可以控制算法的计算启停。点击 show、stop 和 clear 可以分别控制曲线图显示、不显示或者清空。最下面的 Track Bar1 用来控制曲线变化速度（即定时器 1 的频率），向左拉曲线 x 增量减少，向右拉曲线 x 增量增加。Track Bar2 用来控制定时器 2 刷新频率。定时器 2，是用来刷新神经元 PID 计算的，定时器每走一次，进行一次神经元 PID 计算。曲线右边的 label7 和 label8 分别显示神经元函数 xf)( 的输入输出量，即 x 和 xf)( 。曲线显示时，label 也会实时更新。
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总结
我国对电机的控制方法(控制理论）的研究，也早已取得了相当的进展[48]。但是，传统的控制方法，对非线性对象，输入信号时变的系统，没有很好的解决问题。在此基础上，本文探讨了以神经网络为基础的，高级控制算法——神经元 PID 算法。然后，在工程项目中，实践了这一算法。在具体工程系统的实现上，本文分硬件和软件两个层面，搭建了相应的系统：
（1）首先，完成了以 STC15 为核心的下位机控制系统。系统具体可分为：电源模块部分、A/D 电压采样模块部分、电机驱动模块部分、PWM 波占空比调速模块部分、LED显示监控部分、串口通信功能等等。其中，对电机的控制主要是通过 A/D 采样采集输出电压，MCU 根据输出电压的大小调节 PWM 波占空比，电机驱动电路控制电机正反和转速大小，从而控制输出电压，这样一个闭环回路实现的。
（2）而在软件的实现层面上，主要分为两个部分，分别是上位机软件和下位机软件。下位机软件主要的主要功能是驱动硬件系统，从而控制电机速度。另外，传统 PID 的算法也在下位机中实现。文中以流程图的方式具体介绍了下位机软件的程序结构和实现细节。
（3）在上位机软件中，需要实现两个主要的功能：首先，是神经元 PID 算法的实现。神经元 PID 算法是在 Delphi 搭建的程序窗体中实现的。PC 端接收到下位机发送的电压值以后，通过算法计算出结果并发送给下位机，以待处理。另外，PC 端程序还需要兼顾数据分析的能力。通过曲线图对比经典 PID 以及神经元 PID 的控制结果，我们可以更加直观的确定，神经网络系统，对控制性能的卓越作用。
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参考文献(略)
优秀代写硕士毕业论文篇三
第 1 章 绪 论
1.1课题研究的目的及意义
微结构表面是指零件的面形特征结构在微米级别，面形精度在亚微米级别, 表面粗糙度在纳米级的具有特定结构的表面[1]，在光学领域有非常广泛的应用[2]。具有微结构表面的光学零件是光电系统关键元件，可以使系统的重量更轻，体积更小[3]，在国防、民用工业（的设备中得到的极其广泛的应用。例如多层衍射的光学元件被广泛应用于光学镜头系统，即可以炫光等影响提高成像的质量，又可以大大减小镜头的质量和体积[4]。 近年来，各国加大了在新能源领域的开发力度，太阳能发电是其中的一个重要研究方向。利用太阳能的一个关键点就是太阳能转化为电能的效率问题，学者提出了各种方案用以提高太阳能的转化效率，其中使用具有微结构表面太阳能板就是其中的一个重要突破点。图 1-1 显示的是微金字塔结构、微腔结构表面。相对于普通太阳能板，这类表面对于太阳光的反射较少，从而可以提高太阳能的转化率 [5-7]。由于太阳能转化装置的运行环境是在户外，所以，对于普通的太阳能板，需要定期对其进行清洁维护，而具有微结构表面的太阳能板可以实现自清洁的功能，这样就使运营的成本得以下降[8]。微透镜阵列的基本元素是大小形状相同的微小的透镜。这些小透镜按照特定的形状网格进行排布，多用于光通讯、图像信息等行业[9]。它的特点是入射光经过微透镜阵列后会聚焦形成众多的小光点[10]。虽然每一个小透镜是球面或者抛物面，但微透镜阵列表面也是回转对称微结构表面，因为整个微透镜阵列不能够由母线旋转得到。Shack-Hartmann 传感器主要用于测量光线波前的形状和强度，图 1-2显示了它的核心元件微透镜阵列的工作原理，入射光线的相关特性可以由投影平面中的光斑的排列形状反映出来[11-13]。这些光斑是微透镜阵列中的每一个透镜模块分别聚焦形成的。除此之外，这些小透镜模块还可以分别将入射光束成像，这可以用在光刻加工中用来提高效率[14-16]，如图 1-3 所示。入射光经过透镜阵列后，形成一系列大小一致的图像并照射在光刻胶上，从而使批量加工成为可能[17]。此外，在激光共聚焦显微镜和激光均束技术中，微透镜阵列也有着重要的应用[18-19]。
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1.2 快刀伺服系统的控制技术
在微结构表面加工中,快刀伺服刀架的控制是核心。刀架的进给精度,直接决定加工后的微结构表面的光洁度;刀架的频率特性,决定了快刀伺服加工系统所能加工的微结构表面形貌的复杂程度。目前,快刀伺服加工系统主要采用两种方式实现:压电陶瓷驱动器和音圈电机。由于压电陶瓷可以实现较高的响应频率、较快的响应速度、较大的输出力、较好的稳定性,所以应用非常广泛。然而,压电陶瓷的电压——位移曲线是不是完全的线性关系，具有迟滞和蠕变的特点,因此,如果直接使用压电陶瓷进行进给,会使快刀车削系统的输出精度极大降低,进而影响加工的表面质量。为此,对压电陶瓷建立模型并设计良好的控制方法是非常必要的。 美国学者 Richter 研究了输入电压的频率对压电陶瓷的位移曲线的影响，并且建立的 Maxwell 模型来描述压电陶瓷的迟滞特性，使压电陶瓷的定位误差达到亚纳米级别[30]。Miller 通过研究使快刀伺服刀架的定位误差降为原来的 20%，他建立了一个线性补偿器模型来补偿 PZT 的迟滞效应[31]。学者 Kim 利用超精密车床加工出了倾斜面，其半径为 10mm，表面的形状误差为 100nm，他使用的是压电陶瓷的 PI 模型，并且结合了陷波滤波算法作为压电陶瓷的前馈[32]。Wang 引入了神经网络作为控制器，并且使用经典的压电陶瓷 Preisach 模型作为前馈，有效了降低了压电陶瓷的定位误差[33]。 在国内，天津大学的王建林设计了一个微二维定位机构装置，其定位精度达到了 10nm。其核心元件即为压电陶瓷，他采用的是 PID 的闭环控制办法[34]。傅星将压电陶瓷用在了显微镜的调节中，他使用了模糊控制对压电陶瓷进行补偿，取得了理想的控制效果[35]。相比于上述的闭环模型，开环模型具有特殊的优点，它可以在较高的输入电压频率下工作。开环控制研究的主要方向是提高压电陶瓷数学模型的模拟精度。在非线性建模方面，现阶段应用比较多的是基于 PZT 输入输出曲线特征方面的建模，主要是有多项式模型[36]，Preisach 模型[37]，PI 模型[38]，Duhem 模型[39]等。但是，这些数学模型不可能非常精确的反映压电陶瓷的真实特性，必然会存在着一定的误差。
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第 2 章 压电陶瓷驱动器的建模
微结构表面的加工的核心是对快刀伺服刀架的控制。快刀伺服刀架依据当前主轴的转角和 X 导轨的位置，在 Z 方向上进行进给，最终形成微结构表面。快刀伺服刀架的控制精度直接决定了最终加工成型的微结构表面质量。为了更精确的控制压电陶瓷，避免其本身的迟滞特性过大影响控制精度，通常需要对压电陶瓷进行建模。 本章将先测试压电陶瓷的迟滞特性，确定其非线性程度的大小，还将建立压电陶瓷的 Preisach 模型和线性模型，并对模型的精度进行了测试。
2.1 压电陶瓷驱动器特征实验
测量采用的实验平台由 UMAC、压电陶瓷驱动器、UMAC 的 16 位数模转附卡ACC-24E、16位模数转换附卡ACC-28E以及检测装置电容测微仪组成，如图 2-1所示。UMAC 通过 ACC-28E 附卡发出弱电压信号，经过功率放大器放大 100 倍后，驱动快刀伺服刀架中的压电陶瓷伸长，从而使刀架上的柔性铰链发生形变。电容测微仪将柔性铰链的形变量转换为电压信号，再经 UMAC 的模数转换附卡ACC-24E 进行采集，从而完成整个测量过程。 快刀伺服刀架的柔性铰链相当于一个弹簧，其具体的结构见文献[49]。刀架的刚度为 8.403 N/um，固有频率为 727.47 Hz。压电陶瓷和电容测量微仪的相关参数见表 2-1 和表 2-2。 利用 UMAC 的 PLC 功能，可以实现输出电压的随着时间变化输出，作为压电陶瓷的输入信号。UMAC 的 PLC 程序，每个伺服周期会固定执行一次。PLC 的执行周期为 ΔT = I8/2250 sec，I8 是 UMAC 的内部变量，可以自主设置，为了使信号的变化更光滑，程序执行的频率更高，通常设置为 1。在 PLC 执行的过程中，记录它执行的次数 k，就可以得到当前程序运行时的时间 t = k ?ΔT。这样，在 PLC 中不断改变内部变量 M479 的值 ，就可以实现输出电压 U 与随着时间变化输出。 电容测量仪输出位移信号的采集是由 UMAC 附卡 ACC-28E 来完成的。ACC-28E 是 Delta Tau 公司生产 16 位的 2 通道模数转换卡，用于 UMAC 的扩展采集模拟量反馈信号。ACC-28E 采集的电压范围是-14~14 V。采集的电压对应的内部数字量是 M4000，变化范围是是 0~216，所以可以在 UMAC 运行时，记录 M4000的变化情况，得到电容测微仪的电压输出。根据电容测微仪的参数可以知道，其最大输出电压为 10 V，对应的测量距离为 50μ m。
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2.2离散 Preisach 模型
在实际情况中，输入的电压序列并不一定会按照这样的方式进行，也会出现如图中 a)和 b)这样连续上升或者连续下降的电压序列。此外，如果按照式(2-10)和(2-11)的方式计算，需要用到压电陶瓷进给的过程所有的历史电压，就要把这些历史电压保存起来，这将极大的占用 UMAC 的内存资源，并且运算效率比较低。 本章介绍了测量平台的组成，通过实验验证了压电陶瓷具有迟滞特性，并且随着压电输入的频率变化。实验表明，压电陶瓷的迟滞定量约为 11.4%。并且当输入电压信号频率的增加时，其迟滞定量也将变大，而最大输出位移则随着频率增加而减小。 其次，建立了压电陶瓷的模型。为线性模型确定了最适比例系数。并且重点描述了 Preisach 离散模型的建立过程。设计了适用了 UMAC 控制器离散 Preisach模型，并测量了模型所需的数据库。通过实验测试了 Preisach 模型对压电陶瓷的模拟精度，实验表明，Preisach 模型的输出与压电陶瓷的实验输出的误差在 1 Hz 下为 14 cts(30 nm)，10 Hz 下为19 cts(41 nm)。与线性模型相比较，Preisach 模型在高频下模拟的精度更好。
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第 3 章 快刀伺服刀架的闭环复合控制 ..... 20
3.1 Preisach 逆模型前馈控制 ........ 20
3.1.1 前馈控制算法 .......... 20
3.1.2 前馈控制精度检验 ......... 23
3.2 压电陶瓷的复合控制算法 ..... 24
3.2.1 复合控制模型 .......... 24
3.2.2 UMAC 开放伺服算法 ..... 24
3.3 快刀伺服刀架的跟踪效果 ..... 25
3.4 本章小结 ..... 27
第 4 章 轨迹生成算法及加工参数计算 ..... 29
4.1 微结构表面轨迹规划原理 ..... 29
4.2 刀尖轮廓参考点计算方法 ..... 31
4.2.1 函数描述的表面 ...... 31
4.2.2 阵形表面 .... 32
4.3 刀具补偿 ..... 36
4.4 主轴转速和 X 导轨进给速度 ....... 41
4.4.1 加工进给步长约束 ......... 41
4.4.2 刀具运动频率约束 ......... 42
4.5 本章小结 ..... 44
第 5 章 非回转对称微结构表面车削加工实验 ....... 45
5.1 微结构表面加工软件系统 ..... 45
5.2 三轴联动的时基触发 ...... 48
5.3 微结构表面的加工实验 ......... 50
5.4 本章小结 ..... 54
第 5 章 非回转对称微结构表面车削加工实验
本章将利用压电陶瓷驱动系统和上一章所述的轨迹规划算法，设计用于微结构表面加工的数控系统。由于微结构表面加工时，对于各轴的同步性能要求非常严格，因此，本章还将分析同步性对于加工的微结构表面面形的影响。在本章的最后，以正弦网格的加工为例，介绍了微结构表面加工的具体过程。
5.1 微结构表面加工软件系统
Delta Tau 公司为 UMAC 控制器提供了动态链接库文件 PComm32.dll 用于UMAC 与上位机之间的通信。该动态链接库文件提供了 400 多个函数接口，可以非常方便地在上位机上利用这些接口来控制 UMAC，包括发送指令，读取和设置UMAC 的内部变量，下载程序等，方便设计者开发出特色化、个性化的数控系统。 不同于文献[52]中所描述的软件系统，本文所述的加工软件系统不仅可以用于监测、控制车床，还集成了微结构表面加工路径规划所涉及的刀具参数选择算法、加工参数选择算法和微结构表面的自动编程功能。文献[52]与文献[53]均使用微软公司的 MFC 作为系统界面的开发工具。虽然MFC 具有效率高、兼容性好的优点，但是，利用 MFC 设计 UI 过程复杂，逻辑代码与 UI 代码的耦合度高，移植非常困难。并且，MFC 的二维绘图功能非常匮乏，没有办法显示三维图形，应用时受到了极大的限制。此外，C++的科学数值计算库安装复杂，并且难以使用，在 MFC 中进行矩阵的数学运算非常不便。随着计算机技术的发展出现了一些更方便 UI 设计工具和更适用于科学计算的程序语言.
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结 论
随着以光学自由曲面为核心的微光元件的应用日益广泛，对微光元件的加工要求也越来越高。由于高刚度的精密气浮主轴的出现及超精密加工工艺的发展使得以超精密车床为基础的快刀伺服加工工艺在光学曲面的加工上得到广泛应用。 本课题的主要内容是在具有快刀伺服的超精密车床的基础上，对快刀伺服刀架的控制算法和微结构表面轨迹规划算法进行了改进。具体内容包括：
（1）建立了压电陶瓷的复合控制模型。通过建立压电陶瓷的 Preisach 模型及逆模型，结合 PID 算法，编写了 UMAC 底层伺服算法，实现了快刀伺服刀架的精确控制。
（2）改进了刀尖圆弧半径补偿算法。为了方便 UMAC 在线计算刀尖点的补偿量，设计了 Hermite 插值的算法计算刀位点高度，算法的精度和稳定性很高。
（3）设计了阵列形微结构表面的轨迹规划算法。根据四边形阵列和六边形阵列中心的分布规律，分别给出了加工时刀尖点进给量的计算方法。通过编写 UMAC运动程序，在快刀车削车床上验证了算法的正确性。
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参考文献(略)
优秀代写硕士毕业论文篇四
第 1 章 绪 论
1.1 课题研究的目的及意义
透平膨胀机多用于低温制冷领域，常见于气液分离装置，当设备需要在低温环境运行时，就需要用透平膨胀机来满足其要求。其主要工作原理是对在封闭空间内的气体进行绝热膨胀，使气体自身快速冷却，进而达到制冷的目的。近年来，随着核物理和超导技术的进一步开发应用，人们越来越迫切的需求开发出高性能氦制冷(或液化)设备。因为在超低温度下，大部分金属和合金的电阻会变得很小，甚至变成超导体。在氨气的凝点温度-195.8 ℃附近，空气中占最大比例的氧气已经液化，其他气体也大都固化，因此可形成真空度很高的真空，基于氦的这个物理特性，人们把氦液化制冷技术应用到国防工业和国民经济的众多领域中去。在种类繁多的氦制冷设备当中，低温氦透平膨胀机的应用最为普遍，其工作效率高、运转稳定的优良性能保证了装置的经济性和长期连续工作的可靠性，因此吸引了各国投入大量资源进行研究[1]。 随着工业和科技技术的发展需要，传统的滚动轴承由于在运转过程中出现零部件之间的干摩擦，导致轴承磨损严重、发热量大、使用寿命低，极大限制了轴承转速和运转稳定性的提升，越来越难以满足日益增多的高速旋转机械的性能要求[2,3]。此时流体悬浮轴承因其高速、稳定、污染小、寿命长以及适应多种恶劣的工作环境而应用广泛，其重要性也不断提高[4]。人们普遍期待高速透平膨胀机能具有良好的热效率和运转稳定性，以保证所配套的动力装置或低温装置能达到预期的动力或制冷效果，因此研制稳定可靠的流体悬浮轴承也成为开发低温制冷机等装置的关注焦点[5]。 动静压轴承的润滑介质可以是气体，也可以是液体，其中气体轴承在具有其独特优越性能的同时[6]，也存在一些问题：因为气体具有可压缩性，而且粘度极小，因此设计时，只能取用较低的供气压力（很少有超过 0.7 MPa），导致气体轴承的承载力普遍很小，同时气膜吸收振动能力较差，容易失稳。相比于气体支撑，液体支撑有如下优点：（1）载荷范围和工作速度更宽；（2）可以产生刚度大阻尼大的油膜，通过设计节流器，可以使轴承在受到变载荷时，轴心的位置变化很小；（3）驱动功率和摩擦系数较低，启动和回转时的摩擦阻力很小；（4）工作寿命长，有更好的吸振性能、静动刚度和稳定性，可以保证更高的主轴回转精度，同时消除了启动、停止时的刚性磨损[7]。
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1.2 透平膨胀机研究现状
透平膨胀机在国外已有一百多年的发展历史，在 1898 年，英国人 Lauder riley就提出了透平膨胀机的概念设计；1930 年，德国学者 Delin 首次制造出透平膨胀机样机，并试验成功。此后，欧美各国相继发展和应用了面向不用领域的多样化的透平膨胀机。在结构上，现阶段的透平膨胀机主要有轴流式和向心径—轴流式两种，大部分采用的是向心径—轴流式结构，只有在大功率、大流量以及高温条件下采用轴流式。国外一些膨胀机制造商在开发产品的过程中，顺应技术发展潮流的使用了有限元分析软件（ANSYS、ADINA 等）和粘性流场分析软件（CFD 等），以此为技术基础，极大发展和推动了透平膨胀机的研究进程。从概念设计、细节完善、工艺设计、材料选取、加工制造和装配测试等各个方面着手研发，在叶片设计和转子稳定性研究等核心技术上都取得了巨大突破[9]。以下简单介绍国外几个著名透平膨胀机制造商在相关方面的研究现状。美国的 Rotoflow 公司推出了世界上首个天然气压缩机，之后也一直在气体带液技术上处于全球领先地位，该公司制造的透平膨胀机主要采用向心透平式，在某些高温环境下也会采用轴流式结构[10]；美国的 Dresser-Rand 公司所制造的透平膨胀机侧重于能量回收领域的应用，是该领域的顶级供应商[11]；德国 Siemens 公司开发了 PRT 机型透平膨胀机，在中高温领域占有很大市场份额[12]；日本的三井造船同样在高炉炉顶能量回收装置有很强的设计和制造水平，它制造的透平膨胀机可以适应干式和湿式两种不同的工艺[13]；此外，国外一些其他的透平膨胀机供应商也应用了一些先进技术，在各自的领域开发了很多优秀的产品，例如日本的三菱重工、美国埃理奥特公司等。 概因本文来源于 EAST，旨在开发和利用核聚变能，进而解决日益紧张的能源危机[14-16]，因此以下表格只简列国内外数个核聚变装置中氦透平膨胀机的类型。
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第 2 章 液体动静压轴承静态特性理论
本章首先分析了液体轴承工作原理，然后从基本润滑理论出发，对本文研究的液体动静压轴承进行建模分析，提出假设条件，重点定义约束情况，选取合适的边界条件，在此基础上去推导液体润滑的基本方程并做简化处理，可以得到无量纲化的雷诺方程，为第三章和第四章进行编程计算打下基础。
2.1 液体动静压轴承的基本工作原理
取沿周向均匀分布的四油腔液体静压轴承为例，各油腔的包角、节流孔、封油边、回油槽的结构参数都相等，由节流孔供应等流量或等压力的润滑油，流经油腔，再经过封油边流入大气或者回油槽中。当轴承转子有一定偏心的时候，油膜上各压力点的厚度发生变化，进而引起图 2-1 中所示的油腔压力 P1 和 P2 不相等，各油腔相对应的封油边油膜各点压力也不在相等，轴承承载力由此压力差提供，对压力差沿轴承面积积分即可求得。 动压工作原理基于流体动力学的楔形效应。既在一定的假设条件下，当粘性流体以一定速度通过楔形截面，并且由间隙大的一侧流入间隙小的一侧，会产生沿速度方向渐变的流体压力[41]，速度分布和压力分布如图 2-2 所示，这就是楔形效应原理。 动静压轴承则是结合了静压轴承和动压轴承的工作原理。当转速为零的时候，是一个纯静压轴承，提供承载的是静压效应，有了一定转速之后，则动压效应与静压效应耦合叠加，共同提供承载，但是需要注意的是，动静压轴承运转情况不是动压和静压的线性叠加，而是耦合，是一个复杂的过程。
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2.2 液体润滑基本理论
纳维-斯托克斯方程是研究粘性流体力学最基本的方程，概括了加速度、摩擦力和压力之间的平衡关系，但是除了在强加边界条件和特定的初始条件下，很难求得精确通解。因此，在工程计算中往往在对结果影响不大的情况下对此方程做简化处理，得到雷诺方程（文献[33]），简化条件[42]如下： （1）液体为层流，忽略流动过程中的漩涡和紊流； （2）相较于粘性力和剪切力，忽略质量力和体积力； （3）运动过程为等温过程； （4）油膜厚度相对于轴承直径是小量，忽略其曲率，且在油膜厚度方向忽略 流速，不考虑密度? 、油膜压力P 和粘度的变化； （5）轴承表面与流体无相对滑动； （6）液体为牛顿流体。上文提到在等压力供油的情况下，无论是静压效果还是动压效果，都依赖于楔形油膜，若轴承轴心与转子轴心重合，则每处油膜厚度相等，不能满足形成楔形效应的前提条件。
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第 3 章 液体动静压轴承静态特性分析 ....... 18
3.1 液体动静压轴承静态基本性能参数计算 ......... 18
3.1.1 建立求解流程 .......... 18
3.1.2 承载力 ........ 20
3.1.3 姿态角 ........ 21
3.2 计算结果与实验值比较 ......... 22
3.3 静态特性分析 .... 23
3.4 本章小结 ..... 33
第 4 章 液体动静压轴承动态特性分析 ....... 34
4.1 小扰动法求解扰动方程 ......... 34
4.1.1 任意扰动量下油膜力和油膜厚度 ...... 34
4.1.2 扰动方程推导 .......... 35
4.1.3 差分法求解雷诺方程 ..... 37
4.2 求解动态特性系数 .......... 39
4.2.1 动态特性系数的积分 ..... 39
4.2.2 坐标系转换和有量纲化处理 ....... 40
4.2.3 积分求解动态特性系数 ........ 40
4.3 计算结果与分析 ....... 41
4.4 本章小结 ..... 47
第 4 章 液体动静压轴承动态特性分析
在转子—轴承系统中，轴承油膜无疑起着至关重要的作用，不仅有着前文所说的提供负载、消除磨损和减小摩擦等作用，从整个系统来看，它也对动力特性有着很大的影响，例如转子系统的稳定性、不平衡引起的振幅和共振等。因此，计算轴承油膜的动力系数精确值对于系统动力学的设计和研究是很有必要的。 在上述问题中，油膜具有粘性，可以吸收振动和能量，起着弹簧和阻尼器的作用。考虑到轴承运转过程中，油膜厚度变化较小，因此可以将油膜近似看做是具有刚度和阻尼等特性的线性化弹簧，其动态特性通常由八个动力系数来表示，四个是刚度系数，另外四个是阻尼系数。本章在计算得到的静态特性的基础上，采用小扰动法和有限差分法求解雷诺方程，使用 MATLAB 编程，求得稳态时候的压力分布和扰动压力，进而完成动态特性系数计算[49]，研究了轴承油膜初始厚度、偏心率和轴承转速对动态特性的影响。
4.1 小扰动法求解扰动方程
上文求得油膜节点压力后可以采用多种积分方法求得油膜压力，本文采用Simpson 复化积分法对式（4-23）和式（4-24）分别进行轴向和周向进行两次数值积分[52]，求得刚度系数和阻尼系数，Simpson 复化积分法过程简单，比较适用于本文中对离散节点的数值积分，求解低次幂多项式的时候，可以得到精确解，具体过程不在一一详述。由式（4-2）、式（4-23）和式（4-24）可知，液体动静压轴承的动态特性系数都是与涡动比无关的[53]，所以只研究刚度系数和阻尼系数随轴承转速、偏心率和轴承油膜初始厚度的变化。 为验证液体动静压轴承动态特性求解程序的正确性，本文与文献[48]中进行了对比，轴承结构参数如表 3-1，长径比变为 1，经比较，在偏心率 0.4，轴承转速10 000 rpm 时，轴承竖直方向主刚度为 574 N/μm（实验数据约 600 N/μm），误差4.33%，证明程序可靠。 本文计算的液体动静压轴承的计算参数如表 4-1 所示，其他未注明参数参考表3-1。下面内容对轴承的八个动态特性性能参数进行研究，分析了偏心率、轴承转速和油膜初始厚度对这些参数的影响。
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结 论
液体动静压轴承虽然已经发展了数十年，已经相当成熟，但是在某些工程应用中大都采用一些简单的基础理论和原始的计算公式，因此开发精细务实的算法来完善计算理论，指导工程实践是很有必要的。鉴于此，本文针对液体动静压轴承进行了系统的研究，基于流体润滑理论推导了适用于计算液体动静压轴承动静特性的 Reynolds 方程，研究了其稳态和非稳态时的轴承性能，分析了轴承在不同参数下对动静特性的影响规律，并与实验数据做了比较验证。主要取得以下几个研究成果：
（1）建立了液体动静压轴承力学计算模型，提出在迭代过程中持续更新边界条件，进而求解 Reynolds 方程，通过与其他文献中的实验对比验证了新的算法的正确性。
（2）求解得到了稳态时轴承承载力、姿态角、轴承流量和各油腔节流比等静态特性参数，研究了油膜初始厚度和转速在不同偏心率下对以上参数的影响，得知选取合适的结构参数和运行参数有利于提高轴承的承载特性，可以依据不同设计准则来选取最佳油膜厚度和定义合适的工作转速范围。
（3）小扰动法推导了动态 Reynolds 方程，求解了轴承的刚度系数和阻尼系数，分析了油膜初始厚度和转速在不同偏心率下对轴承动特性的影响。研究表明：小的油膜间隙可以提高轴承的运转稳定性，提高转速也可以提高轴承的刚度和阻尼。
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参考文献(略)
优秀代写硕士毕业论文篇五
第 1 章 绪 论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
在工业生产，内燃机燃料喷射，喷墨打印，农业灌溉，质谱分析法，化学生物反应，DNA 芯片的制备都十分重要。这些种种看似毫无关系的领域都要依赖于高浓度，单分散性，和特定尺寸的喷雾液滴。提供稳定可控的生物可降解的微米甚至纳米级粒子于肺部给药过程是当今雾化技术一个十分有前景的应用领域。此外，将表面粒子的微流控技术应用于分子学诊断与 DNA 分子杂交也是如今该领域研究的前沿方向。 随着超声波技术和电力驱动技术[1-3]成熟地运用，雾化过程可以得到很好的控制，并获得尺寸均匀分布的雾化液滴，因此近年来雾化技术得到快速地发展。同时，可以将以上器件整合到微型电系统和微流控芯片上面用以替代当前结构尺寸较为庞大的雾化器[4,5]。但是，目前仍然有许多困难限制雾化器的进一步发展。比如，在微小摩擦的不断磨损下器件的性能与寿命会受到削减。电流驱动喷雾器通常需要相当高能量的电压——通常在千瓦以上，才能进行驱动，这对操作的可靠性与安全性产生了要求。目前，已有许多种类的超声波雾化器，而这些雾化系统通常是将一个蓄满液体的液缸置于压电基片上来产生雾化液滴。这些超声波雾化器仍然存在若干问题，尺寸过于庞大，产生的目标液滴尺寸不可控，以及当溶液蒸发后在液缸底部产生不必要的沉淀，浪费原料，清理困难等。 为了克服以上问题，基于声表面波技术的雾化方法应运而生。早期的声表面波技术主要聚焦在通信领域中的滤波与信号处理[6]，近几年才被考虑用于液滴运输[7]，微泵[8]，微流控[9]，微混合[10,11]以及微粒的收集[12]，片上实验室（lab on chip）技术[13]与生物细胞接种[14]等微流体方面的研究。 十年前也许雾化进入的研究领域都集中在喷墨打印技术，但是随着声表面技术的带动，如今的雾化技术有了更广阔的应用前景。微液滴在分析化学中已经开始起到越来越重要的作用。因为微液滴可以重复地按照需求制备。而雾化技术在DNA 微阵列上的应用也经历着爆炸式的增长。像核苷酸和试剂递送到选定的生物芯片上就需要精确的雾化技术。同时部分生物化学反应只能在单种物质中进行，而雾化技术可以对混合的溶液中的目标分子进行很好的筛选。此外，此前提到的片上实验室也是微流体方向中非常具有前景的应用领域，而微小结构的微流体驱动器正是片上实验室的重要的组成部分。综上所述，对微流体驱动器进行深入的探究是十分重要与必要的。
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1.2 国内外雾化技术发展
雾化是由一定体积的液体破裂成更小颗粒的过程。雾化过程将引起液体表面动态的变化并导致液体热能、质量相互转化从而促进溶剂的蒸发和化学反应。通过雾化器的振动、旋转等高速或高频的运动，受作用的目标液体将被雾化成为不同尺度的更小液滴或颗粒。雾化器属于一种流体机械，雾化器将能量传递给目标样本液体，进而改变目标样本液体本身的能量从而产生需要的雾化效果。 常用的雾化方法有四种，分别是：压力雾化法、气流雾化法、旋转雾化法、以及超声波雾化法。压力雾化法主要应用于发动机燃油的雾化燃烧，原理是依靠燃油的压力转化为动能使燃油雾化。旋转雾化法是液流撞击在快速旋转的圆盘上，被圆盘和圆盘上的叶片击碎，雾化成液滴，并且快速冷却成粉末的雾化方法。旋转雾化也称为离心式雾化，因为此方法是通过离心力的作用对液体进行雾化。旋转式喷雾大量应用于工业炉和锅炉燃烧器上，也用于非燃烧设备上。气流雾化是利用高速气流与雾化器之间的速度差产生的摩擦剪切力将雾化的液体撕裂，从而将雾化的样本液体破碎成更小的雾化液滴。超声波雾化法是利用超声波的高频振荡和压电材料的压电与逆压电效应产生的声电之间的转换，产生连续稳定的雾化液滴的方法。与传统雾化方法相比，超声波雾化产生的雾化颗粒具有粒度小、颗粒均匀等优点。超声波雾化器采用高效集成电路，超小型一体化的独特结构设计，现在被广泛用于加湿、吸入治疗、肺部给药甚至 3D 打印等更加精密的领域。
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第 2 章 声表面波雾化器驱动原理及研制
2.1 声表面波原理
体声波（BAW）是一种传播于固体中的弹性波。如图 2-1 a)与图 2-1 b)分别表示纵波与横波。 纵波在弹性体介质内部的传播过程介质的体积将发生改变，但横波却不会改变介质体的体积结构。由于基底材料密度的不均匀，波传播过程中能量转移引起的温度变化等原因，都会引起弹性波振幅在传播过程中产生损耗。为降低波在传播过程中的损耗，通常要选择传播速度快的压电材料作为弹性波激励的基底。由于压电材料具有各向异性的特点，因此弹性波的性质由它在压电材料上的传播方向与偏振方向都相关。当压电材料受到垂直于表面的应力与收到面对角线方向的应力时，产生的弹力是不同的。各向异性材料的大多数传播方向并不存在单纯的纵波与横波，而是两种波的耦合。 声表面波最早由 Lord Rayleigh 于 1885 年的研究中发现[25]。人们经常将Rayleigh 波与声波面波混淆，其实 Rayleigh 波只是声波面波的一种。在固体的振动将激发出纵波、垂直剪切波、横向剪切波、这三种体波。Rayleigh 波则是由纵波和垂直剪切波耦合而成的[26]。1965 年，随着 R. M. White 和 F. W. Voltmer 在压电材料上发明了叉指换能器（IDT）用于激发声表面波，声表面波技术的发展进入了全新的历史阶段。而当波的尺寸减小至纳米级且使用射频正弦信号（RF signal）激励，便产生了诸多应用，特别是对于移动通信领域中的滤波器[27]。而如今声表面波正是使用这种方法激励出正弦信号，也就是通过电信号激励出机械波，而机械波在基底传播的同时伴随着电场的传播 [28]。虽然激励出的声表面波的振幅的数量级只有纳米级，但是伴随着同时产生的能量和弹性场却足以产生一场纳米级的“地震”，正是这种逆压电效应才使得了后面将叉指换能器作为声表面波雾化技术中的驱动器成为可能。
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2.2 声表面波雾化器
声表面波一般是叉指换能器（IDT）激励产生的。本研究中的雾化器即为 IDT。叉指换能器的性能决定了雾化效果与质量，因此需要对 IDT 的结构进行详细分析与设计。IDT 的基本结构如图 2-3 所示。通常 IDT 是由铝电极（即指条）溅镀沉积在 Y 切 X 128.68°方向的铌酸锂（LiNO3）压电基底上的。而压电基底通常是由 UV 光刻的方法制造的。IDT 所激励的 SAW 波长? ，是由叉指换能器指条宽度和指条间间隔决定的。在最简单的IDT 结构中，指条宽度与指条间的间隔相等，此时激励出的 SAW 波长是指条宽度的四倍。而当几何参数 a、p、W 随坐标变化的 IDT 称为加权型 IDT。通常在选定的铌酸锂压电基底上，声表面波传播的速度 c ，近似为 3965 m/s, 通过求频率的公式 f ? c/?，便可确定声表面的激励频率。比如当选择 SAW 波长为 200 μm，可得激励信号应该是 19.5 MHz。通常使用正弦的电信号来产生 SAW，而此信号一般由射频信号发生器（RF signal generator）和功率放大器（RF power amplifier）产生。由这些构件产生的声表面波通常只有几纳米的振幅。因此 IDT 的结构设计中，基底的选择对 SAW 的性质至关重要。
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第 3 章 基于声表面波的微流体雾化实验方案设计 ......... 22
3.1 声表面波雾化激励的讨论 ........ 22
3.2 雾化实验的观测仪器的选择 .... 23
3.3 雾化实验的激励平台搭建 ........ 26
3.4 基于纸条供流的雾化对照实验 ......... 27
3.5 本章小结 ........ 28
第 4 章 基于声表面波的雾化实验研究 .... 29
4.1 雾化前微流体的运动 ....... 29
4.2 雾化的形成 ..... 30
4.3 实验结果 ........ 32
4.3.1 雾化液滴的粒度分布结果......... 32
4.3.2 理论计算 ........... 35
4.3.3 雾化液滴直径的计算 ........ 36
4.3.4 结果讨论 ........... 41
4.4 使用纸条供流的雾化实验结果与讨论 ....... 42
4.5 本章小结 ........ 43
第 4 章 基于声表面波的雾化实验研究
4.1 雾化前微流体的运动
在雾化实验中，采用的激励频率为 20 MHz，但是输入的功率将从 0.1 W 一直增加到 8 W 以便观察微流体在压电基底上的各种运动情况。关于微流体驱动的理论认为，无论是微流体的混合、聚合、移动还是雾化，所有声表面波微流体驱动效果都是由声表面波与液体接触后造成的声能泄漏进入液体而产生的声流环流造成的。在过去的研究中，通常认为在较低的能量输入等级时，声流对微流体主要产生的效果是微混合。当输入能量上升到中等等级时，小液滴开始在压电基底上移动。当输入能量继续增加，雾化现象便开始发生。所以在实验的最开始阶段，将对能够产生微流体的混合、移动与雾化各种现象之间的临界值进行探究。 当输入的射频信号功率达到 0.1 W 时，可以在液体的表面上观察到明显的扰动，但是直到输入能量增到 0.3 W 以上时，小液滴才开始在基底上面移动。由图4-1 所示，这一组由高速摄像机拍摄的液滴连续移动的照片展示了液滴在基底上移动的现象。该液滴在 0.9 s 的时间中前进了 2 mm。当输入功率在 0.3 W-1.2 W时，液滴只能从基片的起始端移动到末尾端。但是当输入功率增大到 1.3 W 以上时，如图 4-2 所示，夹断效应（pinch-off effect）[35]便产生了。值得注意的是，当卫星滴（satellite bubble）被母液滴（parent drop）甩出时，母液滴在基底上的运动并没有停止，事实上，母液滴在发生夹断效应之后，仍然继续向前蠕动了一段距离。另一方面，在图 4-1 b)中可以观察到，母液滴也尝试着产生夹断效应，但是因为输入能量不足，夹断效应没有产生。夹断效应在每一次微流体的操作中只会产生一次。
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结论
本文基于声表面波雾化技术通过实验方法对声表面波雾化原理进行深入分析。完整地搭建了用于雾化的实验平台，基于该平台获得的成果如下：
（1）在该实验中，将每种声表面波微驱动现象进行记录，并将其按不同输入功率等级进行分类。当输入功率达到 0.1 W 后，样本液滴开始在基底上振动。在输入功率为 0.3 W-1.2 W 时，液体将沿着声表面波基底开始移动，当输入功率超过 1.3 W 之后，将产生明显的夹断效应。最后，只有当输入功率增加到 3.5 W 以上，样本液滴才开始雾化。
（2）本实验结果同时表明在雾化毫米级的液滴时，夹断效应是雾化过程中必不可少的一个阶段。这是因为在该数量级输入的能量产生的扰动依然无法使液体自由表面产生破裂，只有通过夹断效应才能将液体的几何高度降低至满足雾化的临界值。
（3）通过激光粒度仪对声表面波雾化器产生的雾化液滴的粒度进行测量，结果显示雾化粒度的分布将集中在 1 μm，10 μm 与 100 μm 这三个区域。通过分析，100 μm 区域的液滴来自夹断效应以及样本液滴自由表面上的表面张力波的不时的扰动。中等尺度的雾化液滴是由于 Eckart streaming 作用产生的黏性的衰减的结果。1 μm 左右的雾化液滴产生的原因与上述两种尺寸的液滴稍有不同。它是由于Schlichting streaming 产生的。当液体的特征高度减小至临界值时，作用在液体上的两种声流将发生转换。由于难以对雾化液滴的直径进行准确的估计，本实验标度模型对雾化液滴的直径进行估计，并发现建立的计算模型与实验结果十分接近。从而很好地对雾化机制进行解释。
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参考文献(略)