機械測試方法與微機電系統(tǒng)

1、組成 試驗 裝置數據處理裝置 測量 裝置記錄顯示被測對象 傳感器信號調理多路模擬開關取樣保持檢測系統(tǒng)功率放大激勵裝置低通濾波a/d顯示ramcpurom鍵盤計算機總線d/a 力學參數：表明機器工作負荷狀況的參數，力、 力矩、應力、電壓等； 運動參數：表明機械運動規(guī)律的參數，位移、速 度、加速度等； 電參數： 表明機器工作負荷狀況的參數，電流、 電壓、功率等； 工藝參數：表明加工工藝條件的有關參數，如加 工對象的加工量、溫度、幾何形狀等。測量參數信號：信號：反映被測系統(tǒng)的狀態(tài)反映被測系統(tǒng)的狀態(tài)及特性。通過研究信號的內在及特性。通過研究信號的內在的規(guī)律，可充分認識被測系統(tǒng)的規(guī)律，可充分認識被測系統(tǒng)

2、的相互關系的相互關系。 信號的分類靜態(tài)信號:指指幅值幅值不隨時間變不隨時間變化或變化極緩慢化或變化極緩慢的信號的信號。動態(tài)信號:指指瞬時幅值隨時間瞬時幅值隨時間變化的信號。變化的信號。 周期信號的幅值可以用峰值、均值、有效值以及方差值來表示。峰值是指信號可能出現(xiàn)的最大瞬時幅值；均值是動態(tài)信號在整個時域的積分平均；方差是信號x(t)相對于其均值變化的均方值。 周期信號有很多表示形式，如周期性方波、鋸齒波（三角波）等最簡單的是正弦信號。50hz正弦信號波形周期信號基本參數指標基本參數指標環(huán)境參數指標環(huán)境參數指標可靠性可靠性指標指標其他指標其他指標量程指標：量程指標：量程范圍、過載能力等靈敏度指標：

3、靈敏度指標：靈敏度、分辨力、滿量程輸出等精度有關指標：精度有關指標：精度、誤差、線性、滯后、重復性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性 動態(tài)性能指標：動態(tài)性能指標：固定頻率、阻尼比、時間常數、頻率響應范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時間等溫度指標：溫度指標： 工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數、熱滯后等抗沖振指標：抗沖振指標： 允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差其他環(huán)境參數：其他環(huán)境參數： 抗潮濕、抗介質腐蝕等能力、抗電磁場干擾能力等工作壽命、平均無故障時間、保險期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關指標：使用有關指標：供電方式（直流、交流、頻率及波形等）、功率、各項

4、分布參數值、電壓范圍與穩(wěn)定度等外形尺寸、重量、殼體材質、結構特點等安裝方式、饋線電纜等傳感器原理檢測技術溫度傳感器磁敏傳感器光電傳感器應變傳感器電感傳感器電容傳感器壓電傳感器其他傳感器多傳感器融合檢測電路現(xiàn)代檢測系統(tǒng) 應力是重要的機械量，應力狀況可由 某點主應力的大小和方向來表示。 測量應力可以分析研究零件、機構的受載情 況、負荷水平和強度能力，驗證設計計算結果的正確性。 應力測試任務是正確確定零件主應力的大小、方向及分布規(guī)律。 應力測試方法主要采用電阻應變測量法。主應力方向已知時的應力測量 為測量簡單應力狀態(tài)下的主應力方向已知的單向應力，可采用沿主應力方向粘貼電阻應變片的方法。 測量前，要求

5、電橋處于平衡狀態(tài)，無輸出。測量時，電橋應愈不平衡愈好，這樣可獲得最大的輸出信號。組橋的同時，還需考慮電橋的溫度補償。4321041kuu純彎曲應力的測量 若被測量零件的橫截面對中性軸是對稱的，則零件上下面的最大拉、壓應力相等，電阻應變片可粘貼在零件的上下兩個側面，其布片，組橋的方式有單臂橋、半橋和全橋三種。 機械設備的基本參數是力、扭矩等。 軋制力的測量 金屬在軋制過程中，作用在軋輥上的壓力即為軋制力，它是軋機的基本載荷參數之一。軋制力的測量方法應力測量法 傳感器測量法應力測量法 在軋機機座中，凡直接受軋制力的零件，都產生與軋制力相對應的彈性變形，通過這些零件的彈性變形，可間接測量出軋制力。軋

6、制時，機架的立柱產生彈性變形，其大小與軋制力成正比。 為了測的拉應力，必須把電阻應變片粘貼在立柱的中性面0-0上，這樣可消除彎曲應力。機架立柱上的布片及組成全橋的方式 軋制力測量中，直接承受軋制力的測力傳感器被廣泛應用。它與應變法相比，傳感器的應力水平要高10-20倍，精度及穩(wěn)定性均優(yōu)。 軋機測力傳感器應安裝在工作機座兩側軋輥軸承垂直載荷的傳力線上，通過測量兩側的軋制分力即可得到總軋制力。軋機測力傳感器有電感式、電容式、壓磁式、和電阻應變片式等類型。軋機測力傳感器，簡稱壓頭。電阻應變片的布片和組橋方案，應具有消除偏載、彎矩、扭轉、溫度等干擾的特點。 流體壓力是指氣體或液體作用于單位面積上的平均

7、法向壓力，也稱壓強。 其原理是利用粘貼應變片的膜板或圓筒壁直接承受流體壓力，通過所產生的應變來測量其壓力。 是一個薄壁筒，在它的外表面上，沿圓周方向上粘貼應變片（工作片）。薄壁筒的頂端（實心圓柱部分）無變形，故在其外表面上，粘貼補償片，它和工作片一起組成單臂工作電橋。 電阻式傳感器測量位移 變阻器式傳感器測量位移 電感式傳感器測量位移 可變磁阻式傳感器測量位移 電容式傳感器測量位移 光電脈沖法測量轉速 電感傳感器法測量轉速 工作原理：基于電磁感應原理。它是把被測量轉化為電感量變化的一種裝置。種類：自感式（包括可變磁阻式與渦流式） 互感式（差動變壓器式） 靈敏度：靈敏度：當測試裝置的輸入信號有微

8、小變化時，引起 輸出信號發(fā)生微變量，則稱它們的比值為靈敏度。線性度：線性度：是指測試裝置的輸入和輸出是否保持線性關系 線性度=輸出的標定值-輸出的理論值/輸出信號的變化范圍回程誤差：回程誤差： 在實際測試中，在同樣的條件下，當輸入信號大和由大減小的過程中，測試裝置會出現(xiàn)輸入同一個信號，而得到不同的兩個輸出信號,其最大差值稱為回程誤差。導通電阻：導通電阻：20010 kn10 流動為自由分子流動或無碰撞流動流動為自由分子流動或無碰撞流動kn0.01 kn0.01 流動為連續(xù)流流動為連續(xù)流 可采用連續(xù)介質流體力學理論來分析可采用連續(xù)介質流體力學理論來分析0.01kn10 0.01kn10 流動為過

9、渡態(tài)流流動為過渡態(tài)流 流動必須考慮為稀薄氣體流，而不是連續(xù)介質流動必須考慮為稀薄氣體流，而不是連續(xù)介質mems構件中氣體流動的構件中氣體流動的knudsen數為數為0.03左左右必須考慮稀薄氣體效應和速度邊界滑移右必須考慮稀薄氣體效應和速度邊界滑移wvvwallgasyuknuu|2preq159. 1638. 91knqpr流體reynolds方程：thyphyxphx)(12)()(33thypqhyxpqhxprpr)(12)()(33fkxxcxm fkxxcxm 其中，有效質量tbfpeffmmmmm413512 mp為諧振器振動板的主干質量，mf為活動叉指質量，mb為彈性梁質量，m

10、t為支撐架質量彈性梁彈性系數 )(2lwehk 在激勵信號電壓u 的作用下，固定不動電極的叉指與振子叉指間形成交變靜電力f，使振子沿x方向發(fā)生移動。22222121udnhudnlhxuxcfcc )sin( tuuudp )sin(2)sin(0tuudnhtffpdc 流場在流場在3/43/4時刻速度分布圖時刻速度分布圖 流場在流場在時刻速度分布圖時刻速度分布圖 流場在流場在5/45/4時刻速度分布圖時刻速度分布圖 流場在流場在3/23/2時刻速度分布圖時刻速度分布圖 流場在流場在7/47/4時刻速度分布圖時刻速度分布圖 流場在流場在22時刻速度分布圖時刻速度分布圖 流場在流場在/4/4時

11、刻速度分布圖時刻速度分布圖 流場在流場在/2/2時刻速度分布圖時刻速度分布圖 流場在流場在3/43/4時刻速度分布圖時刻速度分布圖 流場在流場在時刻速度分布圖時刻速度分布圖 流場在流場在5/45/4時刻速度分布圖時刻速度分布圖 流場在流場在3/23/2時刻速度分布圖時刻速度分布圖 流場在流場在7/47/4時刻速度分布圖時刻速度分布圖 流場在流場在22時刻速度分布圖時刻速度分布圖 微諧振器各階諧振頻率仿真值微諧振器各階諧振頻率仿真值模態(tài)微諧振器一(hz)微諧振器二(hz)微諧振器三(hz)第一階249461961124549第二階260602003835391第三階415643241539883

12、第四階555423398284945第五階7912974268138490第六階11289077481162540第七階18578082214238300 微諧振器（微諧振器（case1case1）的幅頻響應圖）的幅頻響應圖 微諧振器（微諧振器（case2case2）的幅頻響應圖）的幅頻響應圖 微諧振器（微諧振器（case3case3）的幅頻響應圖）的幅頻響應圖振動瞬態(tài)響應振動瞬態(tài)響應周期內阻尼力變化曲線周期內阻尼力變化曲線微平面構件的空氣壓力分布微平面構件的空氣壓力分布稀薄氣體效應影響稀薄氣體效應影響0.000.250.500.751.00-2-10123阻 尼 力 w/n時 間 周 期120.000.250.500.751.00-10-5051015阻 尼 力 w/n時 間 周 期12a諧振頻率諧振頻率f/22khzb諧振頻率諧振頻率f/100khz1.不計稀薄氣體效應不計稀薄氣體效應2.計入稀薄氣體效應計入稀薄氣體效應 諧振器類型諧振頻率結果對比（khz）理論值實測值相對誤差（）case4(面硅)20.6521.4753.99case5(體硅)8.278.350.95case6(體硅)13.2913.390.74 理論計算結果和實驗值q 值計入稀薄氣體效應和滑移邊界條件的空氣阻尼模型27.1不計稀薄氣體效應和滑移邊界條件的