機(jī)械測(cè)試方法與微機(jī)電系統(tǒng)

1、組成 試驗(yàn) 裝置數(shù)據(jù)處理裝置 測(cè)量 裝置記錄顯示被測(cè)對(duì)象 傳感器信號(hào)調(diào)理多路模擬開關(guān)取樣保持檢測(cè)系統(tǒng)功率放大激勵(lì)裝置低通濾波a/d顯示ramcpurom鍵盤計(jì)算機(jī)總線d/a 力學(xué)參數(shù)：表明機(jī)器工作負(fù)荷狀況的參數(shù)，力、 力矩、應(yīng)力、電壓等； 運(yùn)動(dòng)參數(shù)：表明機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的參數(shù)，位移、速 度、加速度等； 電參數(shù)： 表明機(jī)器工作負(fù)荷狀況的參數(shù)，電流、 電壓、功率等； 工藝參數(shù)：表明加工工藝條件的有關(guān)參數(shù)，如加 工對(duì)象的加工量、溫度、幾何形狀等。測(cè)量參數(shù)信號(hào)：信號(hào)：反映被測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)反映被測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)及特性。通過研究信號(hào)的內(nèi)在及特性。通過研究信號(hào)的內(nèi)在的規(guī)律，可充分認(rèn)識(shí)被測(cè)系統(tǒng)的規(guī)律，可充分認(rèn)識(shí)被測(cè)系統(tǒng)

2、的相互關(guān)系的相互關(guān)系。 信號(hào)的分類靜態(tài)信號(hào):指指幅值幅值不隨時(shí)間變不隨時(shí)間變化或變化極緩慢化或變化極緩慢的信號(hào)的信號(hào)。動(dòng)態(tài)信號(hào):指指瞬時(shí)幅值隨時(shí)間瞬時(shí)幅值隨時(shí)間變化的信號(hào)。變化的信號(hào)。 周期信號(hào)的幅值可以用峰值、均值、有效值以及方差值來(lái)表示。峰值是指信號(hào)可能出現(xiàn)的最大瞬時(shí)幅值；均值是動(dòng)態(tài)信號(hào)在整個(gè)時(shí)域的積分平均；方差是信號(hào)x(t)相對(duì)于其均值變化的均方值。 周期信號(hào)有很多表示形式，如周期性方波、鋸齒波（三角波）等最簡(jiǎn)單的是正弦信號(hào)。50hz正弦信號(hào)波形周期信號(hào)基本參數(shù)指標(biāo)基本參數(shù)指標(biāo)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)可靠性可靠性指標(biāo)指標(biāo)其他指標(biāo)其他指標(biāo)量程指標(biāo)：量程指標(biāo)：量程范圍、過載能力等靈敏度指標(biāo)：

3、靈敏度指標(biāo)：靈敏度、分辨力、滿量程輸出等精度有關(guān)指標(biāo)：精度有關(guān)指標(biāo)：精度、誤差、線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：固定頻率、阻尼比、時(shí)間常數(shù)、頻率響應(yīng)范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時(shí)間等溫度指標(biāo)：溫度指標(biāo)： 工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等抗沖振指標(biāo)：抗沖振指標(biāo)： 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(shù)：其他環(huán)境參數(shù)： 抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕等能力、抗電磁場(chǎng)干擾能力等工作壽命、平均無(wú)故障時(shí)間、保險(xiǎn)期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關(guān)指標(biāo)：使用有關(guān)指標(biāo)：供電方式（直流、交流、頻率及波形等）、功率、各項(xiàng)

4、分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等安裝方式、饋線電纜等傳感器原理檢測(cè)技術(shù)溫度傳感器磁敏傳感器光電傳感器應(yīng)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(cè)電路現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng) 應(yīng)力是重要的機(jī)械量，應(yīng)力狀況可由 某點(diǎn)主應(yīng)力的大小和方向來(lái)表示。 測(cè)量應(yīng)力可以分析研究零件、機(jī)構(gòu)的受載情 況、負(fù)荷水平和強(qiáng)度能力，驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的正確性。 應(yīng)力測(cè)試任務(wù)是正確確定零件主應(yīng)力的大小、方向及分布規(guī)律。 應(yīng)力測(cè)試方法主要采用電阻應(yīng)變測(cè)量法。主應(yīng)力方向已知時(shí)的應(yīng)力測(cè)量 為測(cè)量簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力方向已知的單向應(yīng)力，可采用沿主應(yīng)力方向粘貼電阻應(yīng)變片的方法。 測(cè)量前，要求

5、電橋處于平衡狀態(tài)，無(wú)輸出。測(cè)量時(shí)，電橋應(yīng)愈不平衡愈好，這樣可獲得最大的輸出信號(hào)。組橋的同時(shí)，還需考慮電橋的溫度補(bǔ)償。4321041kuu純彎曲應(yīng)力的測(cè)量 若被測(cè)量零件的橫截面對(duì)中性軸是對(duì)稱的，則零件上下面的最大拉、壓應(yīng)力相等，電阻應(yīng)變片可粘貼在零件的上下兩個(gè)側(cè)面，其布片，組橋的方式有單臂橋、半橋和全橋三種。 機(jī)械設(shè)備的基本參數(shù)是力、扭矩等。 軋制力的測(cè)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(jī)的基本載荷參數(shù)之一。軋制力的測(cè)量方法應(yīng)力測(cè)量法 傳感器測(cè)量法應(yīng)力測(cè)量法 在軋機(jī)機(jī)座中，凡直接受軋制力的零件，都產(chǎn)生與軋制力相對(duì)應(yīng)的彈性變形，通過這些零件的彈性變形，可間接測(cè)量出軋制力。軋

6、制時(shí)，機(jī)架的立柱產(chǎn)生彈性變形，其大小與軋制力成正比。 為了測(cè)的拉應(yīng)力，必須把電阻應(yīng)變片粘貼在立柱的中性面0-0上，這樣可消除彎曲應(yīng)力。機(jī)架立柱上的布片及組成全橋的方式 軋制力測(cè)量中，直接承受軋制力的測(cè)力傳感器被廣泛應(yīng)用。它與應(yīng)變法相比，傳感器的應(yīng)力水平要高10-20倍，精度及穩(wěn)定性均優(yōu)。 軋機(jī)測(cè)力傳感器應(yīng)安裝在工作機(jī)座兩側(cè)軋輥軸承垂直載荷的傳力線上，通過測(cè)量?jī)蓚?cè)的軋制分力即可得到總軋制力。軋機(jī)測(cè)力傳感器有電感式、電容式、壓磁式、和電阻應(yīng)變片式等類型。軋機(jī)測(cè)力傳感器，簡(jiǎn)稱壓頭。電阻應(yīng)變片的布片和組橋方案，應(yīng)具有消除偏載、彎矩、扭轉(zhuǎn)、溫度等干擾的特點(diǎn)。 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(qiáng)。 其原理是利用粘貼應(yīng)變片的膜板或圓筒壁直接承受流體壓力，通過所產(chǎn)生的應(yīng)變來(lái)測(cè)量其壓力。 是一個(gè)薄壁筒，在它的外表面上，沿圓周方向上粘貼應(yīng)變片（工作片）。薄壁筒的頂端（實(shí)心圓柱部分）無(wú)變形，故在其外表面上，粘貼補(bǔ)償片，它和工作片一起組成單臂工作電橋。 電阻式傳感器測(cè)量位移 變阻器式傳感器測(cè)量位移 電感式傳感器測(cè)量位移 可變磁阻式傳感器測(cè)量位移 電容式傳感器測(cè)量位移 光電脈沖法測(cè)量轉(zhuǎn)速 電感傳感器法測(cè)量轉(zhuǎn)速 工作原理：基于電磁感應(yīng)原理。它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)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(dòng)變壓器式） 靈敏度：靈敏度：當(dāng)測(cè)試裝置的輸入信號(hào)有微

8、小變化時(shí)，引起 輸出信號(hào)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(cè)試裝置的輸入和輸出是否保持線性關(guān)系 線性度=輸出的標(biāo)定值-輸出的理論值/輸出信號(hào)的變化范圍回程誤差：回程誤差： 在實(shí)際測(cè)試中，在同樣的條件下，當(dāng)輸入信號(hào)大和由大減小的過程中，測(cè)試裝置會(huì)出現(xiàn)輸入同一個(gè)信號(hào)，而得到不同的兩個(gè)輸出信號(hào),其最大差值稱為回程誤差。導(dǎo)通電阻：導(dǎo)通電阻：20010 kn10 流動(dòng)為自由分子流動(dòng)或無(wú)碰撞流動(dòng)流動(dòng)為自由分子流動(dòng)或無(wú)碰撞流動(dòng)kn0.01 kn0.01 流動(dòng)為連續(xù)流流動(dòng)為連續(xù)流 可采用連續(xù)介質(zhì)流體力學(xué)理論來(lái)分析可采用連續(xù)介質(zhì)流體力學(xué)理論來(lái)分析0.01kn10 0.01kn10 流動(dòng)為過

9、渡態(tài)流流動(dòng)為過渡態(tài)流 流動(dòng)必須考慮為稀薄氣體流，而不是連續(xù)介質(zhì)流動(dòng)必須考慮為稀薄氣體流，而不是連續(xù)介質(zhì)mems構(gòu)件中氣體流動(dòng)的構(gòu)件中氣體流動(dòng)的knudsen數(shù)為數(shù)為0.03左左右必須考慮稀薄氣體效應(yīng)和速度邊界滑移右必須考慮稀薄氣體效應(yīng)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(zhì)量tbfpeffmmmmm413512 mp為諧振器振動(dòng)板的主干質(zhì)量，mf為活動(dòng)叉指質(zhì)量，mb為彈性梁質(zhì)量，m

10、t為支撐架質(zhì)量彈性梁彈性系數(shù) )(2lwehk 在激勵(lì)信號(hào)電壓u 的作用下，固定不動(dòng)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(dòng)。22222121udnhudnlhxuxcfcc )sin( tuuudp )sin(2)sin(0tuudnhtffpdc 流場(chǎng)在流場(chǎng)在3/43/4時(shí)刻速度分布圖時(shí)刻速度分布圖 流場(chǎng)在流場(chǎng)在時(shí)刻速度分布圖時(shí)刻速度分布圖 流場(chǎng)在流場(chǎng)在5/45/4時(shí)刻速度分布圖時(shí)刻速度分布圖 流場(chǎng)在流場(chǎng)在3/23/2時(shí)刻速度分布圖時(shí)刻速度分布圖 流場(chǎng)在流場(chǎng)在7/47/4時(shí)刻速度分布圖時(shí)刻速度分布圖 流場(chǎng)在流場(chǎng)在22時(shí)刻速度分布圖時(shí)刻速度分布圖 流場(chǎng)在流場(chǎng)在/4/4時(shí)

11、刻速度分布圖時(shí)刻速度分布圖 流場(chǎng)在流場(chǎng)在/2/2時(shí)刻速度分布圖時(shí)刻速度分布圖 流場(chǎng)在流場(chǎng)在3/43/4時(shí)刻速度分布圖時(shí)刻速度分布圖 流場(chǎng)在流場(chǎng)在時(shí)刻速度分布圖時(shí)刻速度分布圖 流場(chǎng)在流場(chǎng)在5/45/4時(shí)刻速度分布圖時(shí)刻速度分布圖 流場(chǎng)在流場(chǎng)在3/23/2時(shí)刻速度分布圖時(shí)刻速度分布圖 流場(chǎng)在流場(chǎng)在7/47/4時(shí)刻速度分布圖時(shí)刻速度分布圖 流場(chǎng)在流場(chǎng)在22時(shí)刻速度分布圖時(shí)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(yīng)圖）的幅頻響應(yīng)圖 微諧振器（微諧振器（case2case2）的幅頻響應(yīng)圖）的幅頻響應(yīng)圖 微諧振器（微諧振器（case3case3）的幅頻響應(yīng)圖）的幅頻響應(yīng)圖振動(dòng)瞬態(tài)響應(yīng)振動(dòng)瞬態(tài)響應(yīng)周期內(nèi)阻尼力變化曲線周期內(nèi)阻尼力變化曲線微平面構(gòu)件的空氣壓力分布微平面構(gòu)件的空氣壓力分布稀薄氣體效應(yīng)影響稀薄氣體效應(yīng)影響0.000.250.500.751.00-2-10123阻 尼 力 w/n時(shí) 間 周 期120.000.250.500.751.00-10-5051015阻 尼 力 w/n時(shí) 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(jì)稀薄氣體效應(yīng)不計(jì)稀薄氣體效應(yīng)2.計(jì)入稀薄氣體效應(yīng)計(jì)入稀薄氣體效應(yīng) 諧振器類型諧振頻率結(jié)果對(duì)比（khz）理論值實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差（）case4(面硅)20.6521.4753.99case5(體硅)8.278.350.95case6(體硅)13.2913.390.74 理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值q 值計(jì)入稀薄氣體效應(yīng)和滑移邊界條件的空氣阻尼模型27.1不計(jì)稀薄氣體效應(yīng)和滑移邊界條件的