由于难以均布采集坐标点,导致常规最小二乘法拟合的精度低,不适于大型工件.实验结果表明半径和圆心拟合结果之间存在线性依赖关系.因此分别从提高圆心定位精度和半径测量精度两方面提高测量精度.用双目视觉传感器组成配对网络,利用平行弦方法提高圆心定位精度.基于设计半径已知条件,利用半径约束最小二乘法提高测量精度.对大型钢管工件和隧道构件等圆形截面对象进行仿真和实验,采用平行弦方法将圆心偏差由0.005mm降至0.003mm,采用半径约束方法将圆心偏差由25.24mm降至5.06mm.结果表明,两种方法均可有效提高圆拟合精度,对噪声具有较好的鲁棒性.

近年来,MEMS产业发展迅速.据著名的国际MEMS咨询机构约尔公司(Yole)分析, 2005年全球基于硅和石英器件的MEMS市场高达50亿美元,预计2010年将达到100亿美元(如图1所示).其产品主要包括:喷墨打印头、光MEMS(主要是数字微镜器件)、压力传感器、惯性传感器、微流控器件、RFMEMS、硅麦克风及微型燃料电池.其中硅麦克风和微型燃料电池为新出现的产品(如图2所示).

结合流体中微悬臂梁振动频率响应的理论模型,通过实验、理论计算和基于流固耦合的有限元仿真3种方法,分析了在空气和去离子水中不同结构、尺寸的微悬臂梁的谐振频率、品质因子以及幅频响应曲线,并对3种方法得到的结果进行了对比.结果显示,空气中各种方法得到的谐振频率较为吻合,相对于实验值的偏差在1%以内.去离子水中,梁谐振频率的理论值和仿真值基本一致,而实验值则较大,前两者相对于实验值的偏差在13.9%～27.3%之间;对于品质因子,理论值和仿真值依然较一致,但相对于实验值出现较大偏差,最大达70.5%.分析表明,对于液体环境下压电陶瓷激励的微悬臂梁,频率响应曲线中干扰峰的存在会严重影响微悬臂梁品质因子的准确测量.微悬臂梁动态特性的研究对基于微悬臂梁的传感器的设计优化和液相原子力显微术的应用具有一定意义.

为了探索微机械陀螺突破精度极限的新途径,设计了一种基于环形转子、体硅加工工艺、转子5自由度悬浮的硅微静电陀螺仪.采用玻璃-硅-玻璃键合的三明治式微陀螺结构,提出了包括双边光刻、反应离子刻蚀（RIE）、电感耦合等离子体（ICP）刻蚀、玻-硅静电键合、硅片减薄、多层金属溅射等关键工艺的加工路线.在工艺设计中采用铝牺牲层对转子进行约束,在第2次玻-硅键合后再通过湿法去除牺牲层,以得到可自由活动的转子.基于提出的体硅工艺路线,成功加工出了微陀螺敏感结构,并完成了转子5自由度悬浮和加转实验,测试结果表明大气环境下转子转速可达73.3 r/min.

提出了一种利用静电力制动扭转梁带动微镜旋转，从而实现二维开关功能的MEMS光开关．使用ANSYS和COVENTOR软件对器件结构进行了模态、静态和瞬态分析，并对微镜制动梳齿的位置、器件的尺寸和扭转梁结构进行了优化．通过在微镜下方设计大空腔实现微镜90°的大角度扭转，使用新型衬底梳齿和结合扭转梁设计实现高静电制动效率，将制动电压降至18V．引入背面梳齿提高开关响应速度，模拟结果表明，光开关具有毫秒量级响应时间．与其他设计相比，该设计的微镜具有扭转角度大、制动效率高且开关速度较快的优点．

为了实现微机械陀螺的频率匹配和双级解耦,提出了一种全对称双级解耦结构体硅微机械陀螺.该陀螺结构完全对称,容易实现驱动和检测模态谐振频率的匹配,提高系统灵敏度.驱动和检测方向的主要阻尼均为滑膜阻尼,在常压下工作也可以获得较高的品质因子,避免了器件的真空封装.利用4组十字折梁,实现了结构的双级解耦.仿真结果表明,模态之间的耦合系数小于0.17%.采用体硅微机械加工技术制作了样品,关键工艺有硅-玻璃阳极键合和DRIE技术.基于计算机图像技术对微机械陀螺进行了测试,验证了陀螺的解耦功能,在常压条件下测得该陀螺的品质因子为195,灵敏度为8.031 mV/（（°）.s^-1）.

研究了一种具有纳米级定位精度的弹性位移缩小机构．该机构采用柔性铰链杠杆结构，这种弹性位移缩小机构可以将传统螺母丝杠系统精度提高到纳米级，同时非线性、迟滞误差小．首先采用刚体模型建立了弹性位移缩小机构的理论模型；然后运用ANSYS有限元软件分析了弹性位移缩小机构的特性；最后使用双频激光干涉仪对弹性位移缩小机构的输出特性进行了测量．理论与实验结果表明，理论模型可以较好地反映输入与输出的关系，可作为设计弹性缩小机构缩小率的重要依据；有限元模型计算结果与实验结果接近；实验结果表明，该装置行程可达10μm，分辨率可达10nm．

针对传统比例-积分-微分（PID）控制器参数整定困难的问题,提出一种新型比例-积分（PI）参数自动寻优控制器（SPO）.先确定PI参数的取值范围,按一定取值间距建立PI参数的查找表;针对反馈跟踪控制的3个性能指标,包括上升时间、超调量和稳态误差,分别根据查找表的参数进行轮询式测试,建立3个独立的性能评价数据库;根据满意度函数映射和自动规则产生算法,将3个评价数据库分别用函数表示;为了综合考虑3个性能指标,使系统控制的整体性能达到最佳,引入了价格函数;最后通过基于层截面颗粒度分析的图形算法,寻找出最优的PI参数.在原子力显微镜（AFM）上的实验证明,本控制器能自动寻找出适合当前系统状态的最优PI参数,可避免由于人为经验因素对扫描成像造成的影响,从而取得更好的扫描图像.

为了提高精密机床的加工精度,研究了一种新型的液压式微位移驱动器.用有限元方法分析了缸体内部径向压力对液压式微驱动器输出微位移的影响,得到了驱动器结构设计公式,并讨论了其适用范围.建立了液压式微位移驱动器性能测试系统,对其主要性能进行了研究.研究结果表明,该微驱动器具有输出与输入线性度好(相关系数达到0.999 97)、刚度高(1.0×109N/m)、稳定性好和无滞后等优点.该微驱动器分辨力达到0.01μm,能够实现亚微米级进给,在精密加工和精密测量中具有广阔的应用前景.

为满足大行程、高输出力精密驱动及振动控制的需求,设计了压电叠堆隔膜泵驱动的压电液压驱动器并进行了试验.利用实际液体可压缩的特性,建立了压电液压驱动器理论分析模型,分析了液体体积模量以及压电泵腔高对其输出性能的影响规律.结果表明,其他结构参数确定时压电液压驱动器输出能力随液体体积模量的减小而降低,并存在最佳腔高使其输出能力最大.利用尺寸为4 mm×4 mm×80 mm的压电叠堆制作了泵腔直径30 mm、高度分别为0.3 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.3 mm的压电泵,用于驱动尺寸为20×100 mm3的液压缸.以水为工作介质,在电压150 V、频率60～400 Hz条件下测试了驱动器的输出速度及驱动力.工作频率为300 Hz时,腔高0.6 mm(最佳值)时的输出速度为13.2 mm/s,分别为腔高0.3 mm和1.3 mm时的1.1倍和2.28倍;工作频率为80Hz时,腔高0.3 mm(最小腔高)时的驱动力为105 N,是腔高1.3 m...