CN100390543C - 高载微构件动态特性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明高载微构件动态特性测试装置，是属于微机电系统中动态测试装置领域。一种高载微构件动态特性测试装置，由高速转台、微结构激励、微结构夹持、光学振动测试装置、光纤旋转接头组成。高速转台的一端是转臂，另一端为轴套形状。真空室通过螺栓安装在高速转台的转臂上，光纤旋转接头安装在高速转台轴套中；隔振泡沫、减振质量、压电激振器、微构件、光纤探头夹持装置和光纤探测头均安装在真空室内。使用该发明可以测试常态、动态下结构的动态特性，便于分析研究。其结构简单、易于调试。扩充了仪器的功能，测试精度较高；可用它对微加速度传感器进行标定。
Description
技术领域
本发明高载微构件动态特性测试装置，属于微机电系统中动态测试装置领域。
背景技术
微机电系统(Micro Electro Mechanical System，简称为MEMS)常采用微加工技术制造的微机械加速度计，这种微机械加速度计广泛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，其测量范围从数微g到数十万g。高g值(g为重力加速度单位)微机械加速度计通常工作在数千g乃至上万g的环境，在如此高载荷工作条件下，微机械加速度计灵敏度对所使用设备有着至关重要的影响，且理论分析表明，微机械加速度计的核心部件——微惯性元件的动态特性也会由于外部惯性载荷的作用而发生改变，但对于高载条件下，对微机械加速度计中微构件动态性能影响的研究还停留在理论阶段。ChristianRembe等在《Optical Measurement Methods to Study Dynamic Behavior in MEMS》一文中介绍了目前常用的微机电系统动态测试技术，如频闪显微干涉技术、计算机微视觉技术、激光多普勒测振技术等。但这些测试系统，目前还仅仅是对常态下微结构进行测试，测试系统对环境要求极为严格，外部的微小振动就有可能使测试失去准确性，光路复杂、调试困难。还只是停留在实验室研究阶段，对于高载下微构件动态性能测试还缺乏相应的测试装置。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有MEMS动态测试系统仅能测试常态下微构件动态性能、工作环境要求高、难以实现对高载条件下微构件动态性能进行测试的缺点，发明了能用于高载条件下动态性能测试的装置。该套测试装置不仅能测试在常态下微构件的动态性能，而且能测试在不同高载工作条件下微构件动态性能。通过该装置对常态、高载条件下微构件动态性能的测试，进而了解外部载荷对其动态性能的影响，便于分析。其结构简单、易于调试。
本发明采用的技术方案是：一种高载微构件动态特性测试装置，其由高速转台，微结构激励，微结构夹持，光学振动测试装置，光纤旋转接头组成。高速转台1的一端是转臂，另一端为轴套形状。真空室2通过螺栓安装在高速转台1的转臂上，光纤旋转接头10安装在高速转台1的轴套中；隔振泡沫3、减振质量4、压电激振器5、微构件6、光纤探头夹持装置7和光纤探测头8均安装在真空室2内，在真空室2内的隔振泡沫3一面通过胶粘接在高速转台1上，另一面通过胶粘接减振质量4，压电激振器5通过胶粘接在减振质量块4上，待测微构件6通过胶粘接在压电激振器5上，压电激振器5和微构件6构成微结构激励；微结构夹持由光纤探头夹持装置7和光纤探测头8构成，光纤探头夹持装置7通过螺钉固定在减振质量4上，光纤探测头8通过螺纹连接固定在光纤探头夹持装置7上；光纤探测头8由光纤9连接至光纤旋转接头10。光纤旋转接头10通过螺纹连接在高速转台1的轴套处，光纤旋转接头10的输出端连接至光学振动测试装置即激光多普勒测振仪11上。
本发明的有益效果是，可以在测试被测微构件常态下动态特性的同时，通过高速转台1的转动，模拟仿真实际高载荷工作条件；通过调整高速转台1的转速得到不同的高g值加速度环境，测试微构件6在不同高载条件下的动态特性，确定外部载荷对其动态特性及使用性能影响，测试装置环境适应性强；该套装置利用光纤旋转接头实现测试光路在静止的激光多普勒测振仪与高速转动的转台转臂之间的传输，保护了激光多普勒测振仪并扩充了其功能，测试精度较高；可用它对微加速度传感器进行标定。
附图说明
附图为高载微构件动态特性测试装置结构示意图。
图中：1-高速转台，2-真空室，3-隔振泡沫，4-减振质量，5-压电激振器，6-微构件，7-光纤探头夹持装置，8-光纤探测头，9-光纤，10-光纤旋转接头，11-激光多普勒测振仪。
具体实施方式
结合附图详细说明本发明的具体实施方式，本发明是一种高载微构件动态特性测试装置，在外部惯性载荷作用下，典型微构件——微悬臂梁的固有频率发生改变，进而影响微构件的动态特性。为了测试在高载条件下微机械加速度计中微构件动态特性的改变，让高速转台1转动，转动过程中产生惯性离心力，形成高g值的加速度环境，微构件6安装在高速转台的转臂上，通过调整高速转台1转速产生不同的向心加速度，模拟各种高g值的加速度环境，从而使微构件6受到相应惯性加速度作用。
实验中，先安装测试装置，将压电激振器5、微构件6、光纤探测头8与隔振质量4等密封于真空室2内，压电激振器5与微构件6安装在减振质量4和隔振泡沫3上以消除外界噪声振动对被测微结构的影响。再将真空室2抽真空，这样一方面可以消除高速转台1转动过程中外部高速气流对测试光路的影响，另一方面也可以使微构件6在无空气阻尼情况下工作，实现精确测试。对真空室填充气体形成一定压力，也可用来测试不同气压对结构振动特性的影响。
真空室抽真空后，以低转速启动高速转台1转动，并实时调整转台转速，高速转台1转臂及隔振泡沫3会因离心力作用而变形，通过光学测距仪实时标定被测微构件6与高速转台1轴套之间的距离。通过调整高速转台1转速，获得不同的离心加速度值，测试不同加速度值下微构件6动态特性。
由于微构件6结构尺寸小，常用刚度较高的硅材料，其固有频率高，这就要求压电激振器5必须具有相应的频带宽度。同样，由于微构件6结构尺寸小，传统的直接对结构进行激励的方式已不再适用，本发明采用一种非干扰式的间接激励方式——基座激励，即使用胶将微构件6粘接于压电激振器5上，对压电激振器5输入不同的激振信号，通过压电激振器5自身的振动而带动微构件6振动实现激振。胶粘接剂要确保微构件6与压电激振器5之间的刚度尽可能高以避免引入附加弹性影响。通过合理设计，将光纤探头夹持装置7也安装在减振质量4上，使光纤探测头8和微构件联系在一起，外界干扰振动可以得到最大的消除。
光学精密仪器——激光多普勒测振仪(11)无法承受高的离心力作用，需将其安放于高速转台1之外相对静止的地点。而为了测试高载条件下微结构的动态特性，微构件6须处于高加速度的环境，因此将装有微构件6的真空室2安装于高速转台1的转臂上，使用光纤旋转接头10作为高速转台1与激光多普勒测振仪11之间光信号的转接件，一方面由激光多普勒测振仪11发射的检测光通过光纤旋转接头10引向被测微构件6表面；另一方面，当把光纤探测头8作为固定的单频激光源时，则光纤探测头8与处于振动状态的微构件6之间处于相对运动状态，此时光波从运动的微构件6表面散射或反射并由固定的光纤探测头8接收时，光纤探测头8接收的光频率是变化的，即光学多普勒效应，通过微定位调整，使激光多普勒测振仪11发射出的测试光斑定位于微构件6表面，由光纤探测头8采集由于微构件6振动而产生的的携带有多普勒频移的光信号通过光纤旋转接头10由高速转台1引出至激光多普勒测振仪11上；并作相应的分析和处理，实现了测试光路在静止的激光多普勒测振仪与高速转动的转台转臂之间的传输与测试。
Claims (1)
1.一种高载微构件动态特性测试装置，其由高速转台、真空室部件、微结构激励、微结构夹持、激光多普勒测振仪、光纤、光纤旋转接头组成；其特征是：高速转台(1)的一端是转臂，另一端为轴套形状；真空室部件包括真空室(2)、压电激振器(5)、待测微构件(6)、隔振泡沫(3)和减振质量(4)，真空室(2)通过螺栓安装在高速转台(1)的转臂上，在真空室(2)内的隔振泡沫(3)一面通过胶粘接在高速转台(1)上，另一面通过胶粘接减振质量(4)；微结构激励由压电激振器(5)和微构件(6)构成；压电激振器(5)通过胶粘接在减振质量块(4)上，待测微构件(6)通过胶粘接在压电激振器(5)上；微结构夹持由光纤探头夹持装置(7)和光纤探测头(8)构成，光纤探头夹持装置(7)和光纤探测头(8)均安装在真空室(2)内，光纤探头夹持装置(7)通过螺钉固定在减振质量(4)上，光纤探测头(8)通过螺纹连接固定在光纤探头夹持装置(7)上；光纤探测头(8)由光纤(9)连接至光纤旋转接头(10)；光纤旋转接头(10)通过螺纹连接在高速转台(1)的轴套中，光纤旋转接头(10)的输出端连接至激光多普勒测振仪(11)上。
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