机械测试方法与微机电系统.ppt
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1、机械测试方法与微机电系统概述,机电工程与自动化学院,检测技术作为信息科学的一个重要分支,与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天,人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心,传感器作为信息获取与信息转换的重要手段,是信息科学最前端的一个阵地,是实现信息化的基础技术之一。,“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样,源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息,成为人们认识自然、改造自然的有利工具。,组成,试验 装置,数据处理装置,测量 装置,记录显示,被测对象,传感器,信号调理,多
2、路模拟开关,取样保持,检测系统,功率放大,激励装置,低通滤波,A/D,显示,RAM,CPU,ROM,键盘,计算机总线,D/A,机械检测系统基本组成框图,力学参数:表明机器工作负荷状况的参数,力、力矩、应力、电压等;运动参数:表明机械运动规律的参数,位移、速 度、加速度等;电参数:表明机器工作负荷状况的参数,电流、电压、功率等;工艺参数:表明加工工艺条件的有关参数,如加 工对象的加工量、温度、几何形状等。,测量参数,信号:反映被测系统的状态及特性。通过研究信号的内在的规律,可充分认识被测系统的相互关系。,信号的分类,静态信号:指幅值不随时间变化或变化极缓慢的信号。,动态信号:指瞬时幅值随时间变化
3、的信号。,周期信号的幅值可以用峰值、均值、有效值以及方差值来表示。峰值是指信号可能出现的最大瞬时幅值;均值是动态信号在整个时域的积分平均;方差是信号x(t)相对于其均值变化的均方值。,周期信号有很多表示形式,如周期性方波、锯齿波(三角波)等最简单的是正弦信号。,50Hz正弦信号波形,周期信号,传感器选择多路模拟开关 A/D转换器D/A转换器取样保持电路,传感器选择,基本参数指标,环境参数指标,可靠性指标,其他指标,量程指标:量程范围、过载能力等灵敏度指标:灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标:精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性 动态性能指标:固定频率、阻尼比、时间常数、频率
4、响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等,温度指标:工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标:允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差其他环境参数:抗潮湿、抗介质腐蚀等能力、抗电磁场干扰能力等,工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等,使用有关指标:供电方式(直流、交流、频率及波形等)、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等,传感器原理,检测技术,温度传感器,磁敏传感器,光电传感器,应变传感器,电感传感器,电容传感器,压电传感器,其他传感器,多传感器融合,检测电路,
5、现代检测系统,应力测量,应力是重要的机械量,应力状况可由 某点主应力的大小和方向来表示。,测量应力可以分析研究零件、机构的受载情 况、负荷水平和强度能力,验证设计计算结果的正确性。,应力测试任务是正确确定零件主应力的大小、方向及分布规律。,应力测试方法主要采用电阻应变测量法。,主应力方向已知时的应力测量,为测量简单应力状态下的主应力方向已知的单向应力,可采用沿主应力方向粘贴电阻应变片的方法。,测量前,要求电桥处于平衡状态,无输出。测量时,电桥应愈不平衡愈好,这样可获得最大的输出信号。组桥的同时,还需考虑电桥的温度补偿。,纯弯曲应力的测量,若被测量零件的横截面对中性轴是对称的,则零件上下面的最大
6、拉、压应力相等,电阻应变片可粘贴在零件的上下两个侧面,其布片,组桥的方式有单臂桥、半桥和全桥三种。,机械设备的基本参数是力、扭矩等。轧制力的测量 金属在轧制过程中,作用在轧辊上的压力即为轧制力,它是轧机的基本载荷参数之一。,轧制力的测量方法,应力测量法,传感器测量法,力学参数测量,应力测量法,在轧机机座中,凡直接受轧制力的零件,都产生与轧制力相对应的弹性变形,通过这些零件的弹性变形,可间接测量出轧制力。轧制时,机架的立柱产生弹性变形,其大小与轧制力成正比。,为了测的拉应力,必须把电阻应变片粘贴在立柱的中性面0-0上,这样可消除弯曲应力。,机架立柱上的布片及组成全桥的方式,传感器法测量,轧制力测
7、量中,直接承受轧制力的测力传感器被广泛应用。它与应变法相比,传感器的应力水平要高10-20倍,精度及稳定性均优。轧机测力传感器应安装在工作机座两侧轧辊轴承垂直载荷的传力线上,通过测量两侧的轧制分力即可得到总轧制力。轧机测力传感器有电感式、电容式、压磁式、和电阻应变片式等类型。轧机测力传感器,简称压头。电阻应变片的布片和组桥方案,应具有消除偏载、弯矩、扭转、温度等干扰的特点。,扭矩测量方法,流体压力的测量 流体压力是指气体或液体作用于单位面积上的平均法向压力,也称压强。,电阻应变式压力传感器 膜板式和圆筒式 其原理是利用粘贴应变片的膜板或圆筒壁直接承受流体压力,通过所产生的应变来测量其压力。,圆
8、筒式压力传感器 是一个薄壁筒,在它的外表面上,沿圆周方向上粘贴应变片(工作片)。薄壁筒的顶端(实心圆柱部分)无变形,故在其外表面上,粘贴补偿片,它和工作片一起组成单臂工作电桥。,电阻式传感器测量位移 变阻器式传感器测量位移 电感式传感器测量位移 可变磁阻式传感器测量位移 电容式传感器测量位移,转速的测量 光电脉冲法测量转速 电感传感器法测量转速,位移的测量,运动参数的测量,工作原理:基于电磁感应原理。它是把被测量转化为电感量变化的一种装置。,种类:自感式(包括可变磁阻式与涡流式)互感式(差动变压器式),电感式传感器,机械转速表,用测速发电机测量转速,转速测量方法,测试装置的静态特性,灵敏度:当
9、测试装置的输入信号有微小变化时,引起 输出信号发生微变量,则称它们的比值为灵敏度。,线性度:是指测试装置的输入和输出是否保持线性关系 线性度=输出的标定值-输出的理论值/输出信号的变化范围,回程误差:在实际测试中,在同样的条件下,当输入信号大和由大减小的过程中,测试装置会出现输入同一个信号,而得到不同的两个输出信号,其最大差值称为回程误差。,多路模拟开关,主要技术指标,导通电阻:200 关断漏电流:nApA开关时间:数百ns,译 码 器,A0,S0,A2,OUT,S2,S1,S3,S5,S4,S7,S6,A/D转换器,逐次逼近式、双积分式、V/F变换式、并行式、串行式,系统误差分析,按系统误差
10、的性质分类,按系统误差产生的原因分类,设备误差,环境误差,实验方法误差,人员误差,固定误差,累进误差,周期性误差,变化规律复杂的误差,What are MEMS?,Micro-electro-mechanical systemsVery small mechanical assemblies,Hinged plate(UCLA),Hinge closeup(MCNC),微机电系统(MEMS)MEMS是适用于批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制及通讯接口电路、能源等于一体的能完成特定功能的微系统。,微飞行器,血液压力传感器,MEMS与相关学科领域,MEMS的特点1)微型
11、化:MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。2)以硅为主要材料,机械电器性能优良:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨。3)批量生产:用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。,4)集成化:可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。5)多学科交叉:MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控
12、制、物理、化学和生物等多种学科,并集成了当今科学技术发展的许多尖端成果。,微机电系统研究得到了美国、日本、欧洲等各国政府机构、企业界、高等学校与研究机构的高度重视。源源不断涌现的MEMS器件和系统不但突破了某些传统加工技术的瓶颈,实现了技术的进步,甚至带来了观念的革命和产业结构的更新。其中以美国的表现最为突出。从八十年代以来,美国政府机构把MEMS作为科技发展的三大重点之一,先后得到了NASA、DARPA、国家科学基金会等数亿美元的资助。1994年发布的美国国防部技术计划报告也将微机电系统列为关键技术项目。,主要内容,MEMS典型器件及系统 MEMS加工技术 MEMS基础性研究,MEMS典型器
13、件及系统,微型传感器 Micro Sensor微型致动器 Micro Actuator射频微机电系统 RF MEMS微型光机电系统 MOEMS微型生物机电系统 BioMEMS,微型传感器,微型传感器是MEMS的一个重要组成部分。1962年第一个硅微型压力传感器问世,开创了MEMS的先河。现在已经形成产品和正在研究中的微型传感器有:压力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度、微陀螺、触觉传感器等等。微型传感器正朝着集成化和智能化的方向发展。,谐振式微磁强计,谐振式微加速度传感器,悬臂式微加速度传感器,微型致动器,微型致动器有:微开关、微
14、谐振器、微阀、微泵、微电机等。用途:可用于物体的搬送、定位驱动方式主要有:静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动、热双金属驱动、热驱动等等。,随着科学技术的发展,运动操作的精度要求越来越高,而一些操作必须在纳米尺度下进行才能达到规定要求。纳米级致动,是指致动精度达到纳米级(几十个纳米或更小)各种形式的单、多自由度的微操作。纳米级致动是纳米测控技术的关键组成部分,在光学仪器、半导体加工、生物医学、航空航天技术、IT产业、制造业等领域起着重要作用。,纳米级致动,IC工艺多层压印套刻分步压印对准,扫描探针数据存储、探针驱动和样品进给定位,倒装芯片封装安装定位,三维自安装光学平台驱动定位,纳米
15、级致动,生物医学工程中游离细胞捕捉,高密度大容量计算机硬盘驱动器磁头进给读写,超精密机床微量进给,能量束加工精确定位,微型电机是一种典型的微型致动器,可分为旋转式和直线式两类。,谐振式微致动器,电热驱动,射频微机电系统,One Example of Nanosatellite Communication,Faster,Better,Cheaper,NASA Administrator Daniel Goldin sought new methods for spaceexplorationReduced mass results in significant gain in shrinking
16、 launching costSituation perfectly suited for MEMS devicesLow mass,resistant to inertial and vibration damageEndurance in high radiation environments,Increase aperture size for interferometer and distributed radar systems,Hubble Space Telescope,Planned DSA Missions,Terrestrial Planet Finder(JPL),Tec
17、hSat 21 Distributed Radar(AFRL),Space Technology 5&6(NASA-NMP)First to use primarily MEMS components,Consideration for DSA,Actively control relative positions and velocitiesRobust,reliable feedback from sensors possibly onboard separate vehicleRemote RF communication necessaryRF comm.requires sender
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