高g值条件下MEMS微构件动态特性测试装置的研制

摘要

基于微加工技术制造的高g值加速度传感器等微惯性器件，广泛地应用在航空航天领域、汽车气囊以及导弹和智能化炮弹的精确控制上，主要用于高速运行的载体在启动和运行过程中速度变化的测量与控制。微惯性器件主要通过微构件的微小位移或变形来实现测量功能，其微构件的振型和谐振频率等动态特性在很大程度上决定了器件性能。研制开发微构件在高g值条件下动态特性的实验测试装置，对测试微构件动态特性及其随加速度条件变化规律的研究，有着重要意义。 开发了基于高速离心法的高g值条件下MEMS微构件动态特性测试装置。完成了包括电主轴单元、转盘单元、转盘振动状态监测与分析单元、数据采集与传输单元以及计算机控制单元等部分的装置方案设计。设计了搭载测试微构件的高速离心转盘部件及其电主轴驱动单元，通过有限元分析软件ANSYS分析了离心转盘在高速旋转时的应力分布、变形位移，并对转盘的临界转速和振动模态进行了分析。研究了驱动单元中电主轴电机选用及其变频调速技术，对变频调速中存在的转差率问题及其在微构件动态测试中的补偿方法进行了实验研究。设计了测试装置数据采集存储与传输单元，编写了数据采集单片机的上位机软件，很好的完成了测试实验数据的采集、存储与传输。建立了装置离心转盘振动状态监测与分析单元，搭建了监测信号的检测、采集与分析的硬件平台，完成了信号监测和分析软件模块的编写，对离心转盘在600-7200rpm转速范围内的工作特性进行了实验研究。开发了基于虚拟仪器编程语言LabVIEW的测试装置软件，实现了对MEMS微构件动态特性的自动测试及测试装置的运行控制与状态监测。 研制的测试装置为高g值条件下微构件动态特性的测试提供了一种有效的手段，同时对高过载条件下微惯性器件微构件的动态特性测试技术进行了初步的研究。

目录

文摘

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1绪论

1.1课题研究背景

1.2 MEMS微构件的动态测试

1.3高g值条件下微构件动态特性的测试

1.3.1高速冲击法

1.3.2高速离心法

1.4高速旋转机械的研究发展

1.5课题来源

1.6本文主要研究内容

2测试装置的方案设计

2.1本章研究内容

2.2测试装置的技术方案

2.3测试装置的总体组成

3离心转盘部件及其驱动单元的设计

3.1本章研究内容

3.2离心转盘部件的设计

3.2.1结构设计

3.2.2应力及变形的仿真分析

3.2.3转盘临界转速的计算分析

3.3驱动单元设计

3.3.1电主轴的选用

3.3.2电主轴的变频调速

3.4转差率的补偿实验研究

4数据采集存储与传输单元设计

4.1本章研究内容

4.2方案设计

4.2.1设计中的关键问题

4.2.2设计解决方案

4.3硬件配置

4.4数据采集单片机上位机软件设计

5离心转盘振动状态监测与分析单元设计

5.1本章研究内容

5.2监测信号的检测

5.2.1测振传感器的选择

5.2.2基准信号的测量

5.3监测信号的数据采集

5.4振动信号的分析处理

5.4.1振动特征参量

5.4.2时域波形

5.4.3频谱分析

5.5基于振动信号分析的离心转盘工作特性研究

5.5.1波形图分析

5.5.2频谱图分析

6测试装置控制软件的设计

6.1软件的开发平台

6.2软件总体结构及前面板设计

6.2.1软件总体结构

6.2.2前面板设计

6.3功能模块的设计实现

6.3.1微构件测试模块

6.3.2转台控制与振动监测模块

6.4设计特点

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢