批量化微加速度計(jì)綜合測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)*

王 華，石云波*，王艷陽,楊 陽

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.火箭軍駐7171廠軍代表室）

批量化微加速度計(jì)綜合測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)*

王 華1，石云波1*，王艷陽1,楊 陽2

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.火箭軍駐7171廠軍代表室）

為了實(shí)現(xiàn)微加速度傳感器的批量標(biāo)定，能夠更加方便地進(jìn)行多個(gè)傳感器的性能測(cè)試?；赟olidWorks軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種可一次進(jìn)行多只傳感器綜合測(cè)試裝置。該裝置可分別進(jìn)行翻轉(zhuǎn)測(cè)試和振動(dòng)測(cè)試，并且能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器測(cè)試夾具與測(cè)試平臺(tái)的自動(dòng)結(jié)合與分離。通過對(duì)該裝置測(cè)得的加速度計(jì)參數(shù)和原廠標(biāo)定的加速度計(jì)參數(shù)對(duì)比，表明所設(shè)計(jì)測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果可靠。

微加速度傳感器；批量化測(cè)試；仿真設(shè)計(jì)；SolidWorks

MEMS加速度傳感器在研制后及使用前均需要進(jìn)行參數(shù)性能的測(cè)試和標(biāo)定。加速度計(jì)重力場(chǎng)翻滾實(shí)驗(yàn)是利用重力加速度將加速度計(jì)輸入軸、擺軸和輸出軸方向的分量作為輸入量，通常采用等角度分割的多點(diǎn)翻滾程序或加速度增量線性程序，來標(biāo)定加速度計(jì)各項(xiàng)靜態(tài)性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)［1］。該實(shí)驗(yàn)是各種量程加速度計(jì)性能測(cè)試的主要實(shí)驗(yàn)之一［2］。同時(shí)，振動(dòng)試驗(yàn)作為MEMS加速度傳感器全量程范圍性能測(cè)試的重要試驗(yàn)，不僅能夠標(biāo)定MEMS加速度傳感器的二階線性系數(shù)和頻率響應(yīng)特性，而且可以用于標(biāo)定MEMS加速度傳感器的標(biāo)度因數(shù)、偏置的長期穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等［3］。因此，在MEMS加速度傳感器出廠前需要嚴(yán)格執(zhí)行符合實(shí)際要求的翻滾實(shí)驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)考核檢驗(yàn)MEMS加速度傳感器的合格性與可靠性起著至關(guān)重要的作用［4］。

國內(nèi)很多機(jī)構(gòu)還在采用單個(gè)、手動(dòng)的方法進(jìn)行加速度傳感器測(cè)試，測(cè)試效率低，測(cè)試數(shù)據(jù)多，數(shù)據(jù)處理繁瑣。針對(duì)這種情況，在某863項(xiàng)目設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中，需要設(shè)計(jì)一種微加速度計(jì)綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：（1）平臺(tái)一次能進(jìn)行多只加速度傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；（2）微加速度計(jì)夾具能與翻滾驅(qū)動(dòng)裝置自動(dòng)結(jié)合與分離；（3）重力場(chǎng)翻滾實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合。為此，利用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks設(shè)計(jì)了一種滿足上述特點(diǎn)的微加速度計(jì)翻滾實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并利用軟件自帶的插件進(jìn)行了干涉檢查，并交付生產(chǎn)。

1 綜合測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案

為完成項(xiàng)目要求，綜合測(cè)試平臺(tái)采用一體化設(shè)計(jì)，臺(tái)體分為兩部分：靜態(tài)測(cè)試模塊和動(dòng)態(tài)測(cè)試模塊。兩個(gè)模塊分別對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)的重力場(chǎng)翻轉(zhuǎn)測(cè)試和動(dòng)態(tài)的振動(dòng)測(cè)試。

測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用SolidWorks2012軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。設(shè)計(jì)中采用自下而上的設(shè)計(jì)方法，即首先設(shè)計(jì)好各個(gè)零部件，然后利用裝配關(guān)系將各個(gè)零部件進(jìn)行裝配組合［5］。

1.2 靜態(tài)測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

靜態(tài)測(cè)試部分主要是進(jìn)行加速度傳感器靜力學(xué)試驗(yàn)即1 gn重力場(chǎng)靜態(tài)翻滾試驗(yàn)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括：微加速度計(jì)夾具、連接件、滾珠絲杠、電機(jī)等部件。利用SolidWorks 2012軟件根據(jù)選定電機(jī)、滾珠絲杠、滾動(dòng)導(dǎo)軌等的實(shí)際尺寸建立三維模型。

傳感器夾具采用圖1所示的槽形結(jié)構(gòu)，在槽內(nèi)可安裝多只傳感器，在槽的兩側(cè)分別設(shè)置方孔和圓孔。夾具采用硬鋁材料，在保證剛度的條件下減輕重量，不會(huì)因過重而影響振動(dòng)臺(tái)工作。微加速度計(jì)夾具的材質(zhì)為硬鋁，在保證足夠剛度的情況下，減少翻滾部分的重量。在方孔和圓孔內(nèi)嵌套2 mm厚的T8鋼套，減少與銷和頂桿的摩擦損耗。

圖1 傳感器夾具

實(shí)驗(yàn)時(shí)，與電機(jī)相連的銷插入方孔內(nèi)，驅(qū)動(dòng)微加速度計(jì)夾具翻滾；圓孔內(nèi)插入頂桿，支撐微加速度計(jì)夾具，如圖2所示。

圖2 翻轉(zhuǎn)電機(jī)與夾具連接方式

靜態(tài)測(cè)試部分的水平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要的功能是拖動(dòng)翻滾驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)加速度傳感器載體進(jìn)行夾緊和松開動(dòng)作，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。確定水平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌組合的傳動(dòng)形式［6］。如圖3所示，由左右兩側(cè)的水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)連接件，進(jìn)行水平方向的夾緊與放松。

圖3 水平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與夾具裝配圖

重力場(chǎng)靜態(tài)翻滾試驗(yàn)要求加速度傳感器載體能夠在空中進(jìn)行360°多位置翻滾試驗(yàn)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)豎直方向能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器載體上升和下降的升降機(jī)構(gòu)。此升降機(jī)構(gòu)參考水平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，選擇相同的驅(qū)動(dòng)方式。

對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行三維造型和裝配，翻轉(zhuǎn)測(cè)試平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 翻轉(zhuǎn)模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.3 動(dòng)態(tài)測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

按照要求動(dòng)態(tài)測(cè)試量程為±50 gn，經(jīng)計(jì)算加速度傳感器載體與被測(cè)傳感器重量為3 kg，根據(jù)牛頓第二定律可知要固定一個(gè)載體需要1 500 N的夾緊力。根據(jù)此試驗(yàn)要求，選用SMC公司的MK系列回轉(zhuǎn)夾緊氣缸MKB40-10Z，該回轉(zhuǎn)夾緊氣缸缸徑為40 mm，夾緊行程為10 mm，其夾緊臂回轉(zhuǎn)方向分左右兩個(gè)方向，在使用壓力為0.5 MPa下夾緊力可達(dá)525 N，選用4個(gè)此回轉(zhuǎn)夾緊氣缸一組夾緊一個(gè)加速度傳感器載體，將回轉(zhuǎn)夾緊氣缸固定在設(shè)計(jì)好的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，通過控制電磁閥來實(shí)現(xiàn)對(duì)微加速度計(jì)載體的自動(dòng)夾緊，待振動(dòng)試驗(yàn)完成，夾緊臂螺旋上升旋轉(zhuǎn)90°，實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具的放松。氣缸的工作原理如圖5所示。

圖5 夾緊氣缸工作原理

根據(jù)已購置的北京中原公司的大功率線振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)了振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面，振動(dòng)臺(tái)面采用鋼板焊接而成，為氣缸以及傳感器夾具提供安裝、定位基準(zhǔn)。為了在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，夾具可以準(zhǔn)確放置在臺(tái)面上，在臺(tái)面上設(shè)置了和夾具大小相同，深2 mm的槽，如圖6所示。

圖6 振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面

根據(jù)氣缸和振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的實(shí)際尺寸建立三維模型。對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行裝配，總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 振動(dòng)平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真

為滿足設(shè)計(jì)需要，應(yīng)將兩個(gè)模塊裝配在一起。將測(cè)試裝置整體裝配完成的話需要涉及到很多的零部件，不能保證每個(gè)零部件的尺寸都設(shè)計(jì)精確合理，直接判別各零部件是否發(fā)生干涉也是件比較困難的事。因此，在測(cè)試裝置完成裝配以后，要進(jìn)行干涉檢查，以此來保證各運(yùn)動(dòng)部分設(shè)計(jì)的合理性。在SolidWorks中選擇“干涉檢查”，在彈出的對(duì)話框中選擇所建立的鎖緊裝置裝配體，單擊“運(yùn)算”進(jìn)行干涉檢查。檢查結(jié)果表明該自動(dòng)鎖緊裝置未出現(xiàn)干涉，裝配關(guān)系設(shè)計(jì)合理［7］。

對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用COSMOS Motion軟件模擬機(jī)械運(yùn)動(dòng)，利用這一工具進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)之前確定設(shè)計(jì)的可行性，同時(shí)仿真軟件可以方便地通過動(dòng)畫，圖形，數(shù)據(jù)等多種形式輸出零部件的運(yùn)動(dòng)軌跡。

微加速度計(jì)翻滾實(shí)驗(yàn)過程如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要分為8步：

第1步 銷和頂桿將傳感器夾具夾緊 由水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)水平絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)銷和頂桿向前運(yùn)動(dòng)插入傳感器夾具的孔內(nèi)，將傳感器夾具夾緊，如圖8（a）所示；

第2步 傳感器夾具向上運(yùn)動(dòng)到離底座表面100 mm處 由豎直驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)豎直絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)傳感器夾具向上運(yùn)動(dòng)到離底座表面100 mm處，如圖8（b）所示；

第3步 微加速度計(jì)進(jìn)行多點(diǎn)翻滾實(shí)驗(yàn) 由翻轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器夾具在一周內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)定位，為微加速度計(jì)提供加速度敏感基準(zhǔn)，如圖8（c）、8（d）所示；

第4步 傳感器夾具回到底座上 由豎直驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)豎直絲杠反向旋轉(zhuǎn)，使傳感器夾具向下運(yùn)動(dòng)回到底座上，如圖8（e）所示；

第5步 完成翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，銷和頂桿釋放傳感器夾具 由水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)水平絲杠反轉(zhuǎn)，使銷和頂桿退出傳感器夾具的孔，各個(gè)零部件回到初始位置，如圖8（f）所示。

第6步 傳感器夾具與振動(dòng)臺(tái)面夾緊 控制回旋夾緊氣缸充氣，實(shí)現(xiàn)氣缸探頭與傳感器夾具的鎖緊，如圖8（g）所示；

第7步 進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn) 由于振動(dòng)臺(tái)的振幅小于3 mm，肉眼不易觀測(cè)，故不做演示；

第8步 完成振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，傳感器夾具與振動(dòng)臺(tái)面分離 調(diào)節(jié)換向閥，控制回旋氣缸放松，實(shí)現(xiàn)夾具與臺(tái)面分離，如圖8（h）所示。

圖8 微加速度計(jì)翻滾實(shí)驗(yàn)過程

測(cè)試臺(tái)實(shí)物如圖9所示。

圖9 綜合測(cè)試平臺(tái)實(shí)物

3 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比與結(jié)論

按照上述設(shè)計(jì)，批量加速度計(jì)綜合測(cè)試裝置已加工完成。使用此裝置測(cè)試的加速度計(jì)性能參數(shù)和廠家測(cè)試的加速度計(jì)性能參數(shù)如表1和表2所示。測(cè)試環(huán)境均為常溫1 gn重力場(chǎng)環(huán)境，靜態(tài)測(cè)試采取八位置法［8］，即對(duì)傳感器每隔45°進(jìn)行一次取值；動(dòng)態(tài)測(cè)試取100 Hz～2 kHz情況下的平均值。

表1 靜態(tài)性能參數(shù)對(duì)比

表2 動(dòng)態(tài)性能參數(shù)對(duì)比

從表中數(shù)據(jù)可以看出，采用該裝置標(biāo)定的加速度計(jì)與廠家給的標(biāo)定值差別不大，可以客觀的反應(yīng)加速度計(jì)內(nèi)在性能優(yōu)劣。該綜合測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了傳感器的批量化測(cè)試，并完全脫離了手動(dòng)控制，傳感器夾具可與測(cè)試裝置自動(dòng)結(jié)合與分離，該裝置滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)證明，該綜合測(cè)試平臺(tái)標(biāo)定結(jié)果可靠。

［1］劉俊，石云波，李杰.微慣性技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005：193.

［2］張艷鳳.MEMS壓阻式加速度傳感器的研究［D］.長春：長春理工大學(xué)，2004.

［3］張攀峰.光學(xué)高精度微加速度計(jì)的位移測(cè)量系統(tǒng)研究［D］.浙江大學(xué)，2006.

［4］劉相元.航空電子儀器的快速鏈接裝置研制［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

［5］黃文俊，李錄平，郭克希.基于SolidWorks的汽輪機(jī)扭曲葉片造型研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007（5）：67-69.

［6］趙林林，徐建高，李中成，等.洗瓶機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析［J］.機(jī)械工程師，2012（7）：117-118.

［7］趙赟.自動(dòng)批量化MEMS加速度傳感器測(cè)試裝置設(shè)計(jì)研究［D］.太原：中北大學(xué)，2015.

［8］王大千，張英敏.加速度計(jì)1 g重力場(chǎng)靜態(tài)翻滾測(cè)試與誤差分析［J］.機(jī)械與電子，2009（1）：34-36.

王 華（1990-），男，漢族，碩士研究生，河北保定人，研究方向?yàn)榫軆x器工程，496541652@qq.com；

石云波（1972-），男，漢族，博士，中北大學(xué)教授，目前主要從事MEMS、微慣性器件等方面的研究，參加了國防973、國家863、國家自然基金等多項(xiàng)科研項(xiàng)目，獲得山西省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、國內(nèi)發(fā)明專利4項(xiàng)、發(fā)表論文24篇，y.b.shi@126.com。

Design of Batch Micro-Accelerometer Automatic Locking Equipment*

WANG Hua1，SHI Yunbo1*，WANG Yanyang1，YANG Yang2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In order to achieve the bulk micro-accelerometer calibration and test the performance of multi-sensor more conveniently，a kind of integrated test equipment is designed based on SolidWorks software，which can test vi?brating performance of multi-sensor at a time.The system can be used to make devices rolling and tumbling motion test and vibrating test，and can connect or separate the device holder with the test platform automatically.Through contrasting the data of accelerometer by the testing equipment and primary，it shows that the locking equipment can test reliably.

micro-accelerometer；batch test；simulation design；SolidWorks

TG12

A

1005-9490（2016）06-1317-04

2550；7230；7320E

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.008

項(xiàng)目來源：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA041109）

2015-12-23 修改日期：2016-01-13