微机电系统概述.ppt

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1、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RAMCPUROM键盘计算机总线D/A 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：信号：反映被测系统的状态反映被测系统的状态及特性。通过研究信号的内在及特性。通过研究信号的内在的规律，可充分认识被测系统的规律，可充分认识被测系统

2、的相互关系的相互关系。 信号的分类静态信号:指指幅值幅值不随时间变不随时间变化或变化极缓慢化或变化极缓慢的信号的信号。动态信号:指指瞬时幅值随时间瞬时幅值随时间变化的信号。变化的信号。 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基本参数指标基本参数指标环境参数指标环境参数指标可靠性可靠性指标指标其他指标其他指标量程指标：量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：

3、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：动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等温度指标：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：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：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：使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项

4、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现代检测系统 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

5、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。4321041kuu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

6、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 轧制力测量中，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。 流体压力是指气体或液体作用于单位面积上的平均

7、法向压力，也称压强。 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。 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 光电脉冲法测量转速 电感传感器法测量转速 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） 灵敏度：灵敏度：当测试装置的输入信号有微

8、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：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：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。导通电阻：导通电阻：20010 Kn10 流动为自由分子流动或无碰撞流动流动为自由分子流动或无碰撞流动Kn0.01 Kn0.01 流动为连续流流动为连续流 可采用连续介质流体力学理论来分析可采用连续介质流体力学理论来分析0.01Kn10 0.01Kn10 流动为过

9、渡态流流动为过渡态流 流动必须考虑为稀薄气体流，而不是连续介质流动必须考虑为稀薄气体流，而不是连续介质MEMS构件中气体流动的构件中气体流动的Knudsen数为数为0.03左左右必须考虑稀薄气体效应和速度边界滑移右必须考虑稀薄气体效应和速度边界滑移wVVwallgasyuKnuu|2preQ159. 1638. 91KnQpr流体Reynolds方程：thyPhyxPhx)(12)()(33thyPQhyxPQhxprpr)(12)()(33Fkxxcxm Fkxxcxm 其中，有效质量tbfpeffmmmmm413512 mp为谐振器振动板的主干质量，mf为活动叉指质量，mb为弹性梁质量，m

10、t为支撑架质量弹性梁弹性系数 )(2lwEhk 在激励信号电压U 的作用下，固定不动电极的叉指与振子叉指间形成交变静电力F，使振子沿x方向发生移动。22222121UdNhUdNlhxUxCFcc )sin( tUUUdp )sin(2)sin(0tUUdNhtFFPdc 流场在流场在3 3/4/4时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在5 5/4/4时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在3 3/2/2时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在7 7/4/4时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在2 2时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在

11、/4/4时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在/2/2时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在3 3/4/4时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在5 5/4/4时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在3 3/2/2时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在7 7/4/4时刻速度分布图时刻速度分布图 流场在流场在2 2时刻速度分布图时刻速度分布图 微谐振器各阶谐振频率仿真值微谐振器各阶谐振频率仿真值模态微谐振器一(Hz)微谐振器二(Hz)微谐振器三(Hz)第一阶249461961124549第二阶260602003835391第三阶41564

12、3241539883第四阶555423398284945第五阶7912974268138490第六阶11289077481162540第七阶18578082214238300 微谐振器（微谐振器（case1case1）的幅频响应图）的幅频响应图 微谐振器（微谐振器（case2case2）的幅频响应图）的幅频响应图 微谐振器（微谐振器（case3case3）的幅频响应图）的幅频响应图振动瞬态响应振动瞬态响应周期内阻尼力变化曲线周期内阻尼力变化曲线微平面构件的空气压力分布微平面构件的空气压力分布稀薄气体效应影响稀薄气体效应影响0.000.250.500.751.00-2-10123阻 尼 力 W/

13、N时 间 周 期120.000.250.500.751.00-10-5051015阻 尼 力 W/N时 间 周 期12a谐振频率谐振频率f/22kHzb谐振频率谐振频率f/100kHz1.不计稀薄气体效应不计稀薄气体效应2.计入稀薄气体效应计入稀薄气体效应 谐振器类型谐振频率结果对比（KHz）理论值实测值相对误差（）Case4(面硅)20.6521.4753.99Case5(体硅)8.278.350.95Case6(体硅)13.2913.390.74Case7(体硅)12.712.154.33 理论计算结果和实验值Q 值计入稀薄气体效应和滑移边界条件的空气阻尼模型27.1不计稀薄气体效应和滑移边界条件的空气阻尼模型26.2简化模型31.67case4实验值25.23MEMS发展目标发展目标 通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。二十一世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。