CN109060520A - 微折叠悬臂梁刚度测试装置及测试方法 - Google Patents

微折叠悬臂梁刚度测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

微折叠悬臂梁刚度测试装置及测试方法，包括底板、手动位移台、手动位移台、向微电动位移台、向微电动位移台、第一安装座、连接杆、微悬臂梁装卡杆、安装座、向激光位移传感器、向激光位移传感器手动调节台、连接板、向激光位移传感器、安装架、双平行梁测力位移传感器、微折叠悬臂梁、相机支架、CCD相机和环形光源，本发明实现了微折叠悬臂梁刚度的精确测试，不需要人工复杂的微折叠悬臂梁调整对中，无需制作微型砝码对微折叠悬臂梁进行加载，通过主控计算机控制X向电动微位移台和Y向电动微位移台输出精确的位移，实现精确的微折叠悬臂梁刚度测试，本发明同样适用于其他类型的微折叠悬臂梁拉伸测试、微型弹簧刚度测试。

Description

微折叠悬臂梁刚度测试装置及测试方法
技术领域
本发明属于精密测量技术领域，具体涉及微折叠悬臂梁刚度测试装置及测试方法。
背景技术
微折叠悬臂梁是一种非常重要的MEMS器件，是微传感器、微执行器和微陀螺仪等设备中的重要的组成部分。微悬臂梁不仅可以传递能量，还可以利用其变形实现机构的多自由度运动，因此微悬臂梁梁性能的好坏对微器件能否按照设计要求工作起着至关重要的作用，微悬臂梁的刚度特性测试是众多性能测试中至为重要的一个环节，其决定了微悬臂梁能否实现预期设计。传统的微悬臂梁的测试方法采用砝码加载，通过相关技术手段获得微悬臂梁的变形或位移，进而计算出微悬臂梁的刚度，这种方法需要加工很多微型砝码来逐渐标定微悬臂梁的刚度，方法简单，但是测试时间很长，测试效率很低，且该种方法只适合较大的悬臂梁，尺寸很小的微悬臂梁无法采用该种方法进行位移和力的测试。微悬臂梁刚度测试方法中，相关学者采用应变计进行悬臂梁变形分析，进而获得力和位移的关系来计算刚度，其中测试样件的对中直接影响测试的正确性，但是对于异性折叠悬臂梁来说，这种方法会引起测试精度不稳定，甚至测试失败、测试范围上均有相关限制，难以满足微折叠悬臂梁高效率、自动化、高精度的刚度测试。
发明内容
为了解决上述问题中存在的问题，本发明提出了微折叠悬臂梁刚度测试装置及测试方法，本发明采用CCD相机对微折叠悬臂梁进行显微成像，进而对于测试样件进行对中调平，利用双平行梁结构成测力传感器，并与微折叠悬臂梁串联，通过电动精密微位移台给定精确位移拉动微折叠悬臂梁，微折叠悬臂梁受力与传感器受力相同，采用激光位移传感器对双平行梁端部位移进行测量，通过预先对激光位移传感器做力和位移的标定，进而可计算出微折叠悬臂梁的刚度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
微折叠悬臂梁刚度测试装置，包括底板，所述底板一端顶部设置有X手动位移台，所述X手动位移台顶部设置有Y手动位移台，所述Y手动位移台顶部设置有X向电动微位移台，所述X向电动微位移台顶部设置有Y向电动微位移台，所述Y向电动微位移台顶部设置有第一安装座，所述第一安装座底部设置有连接杆，所述连接杆的侧壁底部设置有微悬臂梁装卡杆，所述Y向电动微位移台右端底座顶部设置有安装座，所述安装座顶板底部左端设置有X向激光位移传感器，所述安装座顶板底部右端设置有Y向激光位移传感器手动调整台，所述Y向激光位移传感器手动调整台底部设置有连接板，所述连接板后端设置有Y向激光位移传感器，所述安装座顶板顶部设置有安装架，所述安装架底端设置有双平行梁测力位移传感器，所述双平行梁测力位移传感器底端微悬臂梁装卡端与微悬臂梁装卡杆之间设置有微折叠悬臂梁，所述微折叠悬臂梁一端位于双平行梁测力位移传感器底端微悬臂梁装卡端卡槽内，且微折叠悬臂梁另一端位于微悬臂梁装卡杆卡槽内；
所述CCD相机输出端与控制计算机输入端电连接，所述主控计算机输出端通过运动控制卡分别与X向电动微位移台和Y向电动微位移台步进电机驱动器输入端电连接，所述X向激光位移传感器和Y向激光位传感器通过A/D数据采集卡与主控机输入端电连接。
所述底板左端设置有相机支架，所述相机支架水平部分末端设置有CCD相机，所述CCD相机中下部设置有环形光源。
所述安装座包括顶板和支撑杆，所述顶板底部四角处设置有支撑杆，且支撑杆底部固定安装在底座顶部。
所述顶板设置为L型顶板。
微折叠悬臂梁刚度测试方法，采用微折叠悬臂梁刚度测试装置，包括以下步骤，
步骤1，打开环形光源和CCD相机，先手动调整X手动移动台和Y手动移动台，将微折叠悬臂梁装卡杆与双平行梁测力位移传感器微悬臂梁装卡端调整到对中水平，调整间距到大致可以将微折叠悬臂梁放入；CCD相机采集图像到主控计算机，调整X手动位移台和Y手动位移台，直到微折叠悬臂梁装卡对中及水平，实现微折叠悬臂梁与双平行梁测力位移传感器串联；
步骤2，测量X向位移(或Y向位移)，由主控计算机发送位移控制信号到步进电机驱动器，控制X向电动微位移台(或Y向电动微位移台)精确移动，进而拉动微折叠悬臂梁产生位移，利用X向激光位移传感器(或Y向激光位移传感器)测量双平行梁测力位移传感器的X向偏移位移(或Y向偏移位移)，由A/D数据采集卡采集位移信号，经主控计算机处理，进而获得微折叠悬臂梁的X向位移(或Y向位移)；
步骤3，根据预先对双平行梁测力位移传感器进行X向实际位移量和Y向实际位移量与X向激光位移传感器和Y向激光位移传感器输出的位移信号、力与X向激光位移传感器和Y向激光位移传感器输出的位移信号建立标定关系，得到位移变化量与力的线性关系，
F＝Aσ+B
其中A，B为常量系数，σ为位移变化量，F为力；
步骤4，已知X向电动微位移台(或Y向电动微位移台)的精确位移变化量σ1，X向激光位移传感器和Y向激光位移传感器输出的位移信号测量微折叠悬臂梁X向位移变化量(或Y向位移变化量)σ2，微折叠悬臂梁与双平行梁测力位移传感器串联，所受拉力相同，通过X向激光位移传感器和Y向激光位移传感器测得双平行梁测力位移传感器X向位移(或Y向位移)，利用标定关系矩阵M，
其中a、d为双平行梁传感器的正交解耦系数，b、c为X、Y方向的耦合系数，
双平行梁测力位移传感器力与位移的标定关系为，
其中X、Y分别为双平行梁测力位移传感器X方向位移和Y方向位移，Fx、Fy分别为双平行梁测力位移传感器的X方向受力和Y方向受力，得到所受拉力F，进而求得固定位移下微折叠悬臂梁某一方向的刚度，
K＝F/(σ1-σ2)
其中K刚度；
步骤5，给定X向电动微位移台(或Y向电动微位移台)的精确位移变化量σi，通过步骤4所述的测量方法，获得不同位移下的微折叠悬臂梁的刚度Ki，利用均值法获得微折叠悬臂梁的平均测试刚度K，
其中N为测试次数。
本发明的有益效果：本发明实现了微折叠悬臂梁刚度的精确测试，不需要人工复杂的微折叠悬臂梁调整对中，无需制作微型砝码对微折叠悬臂梁进行加载，通过主控计算机控制X向电动微位移台和Y向电动微位移台输出精确的位移，实现精确的微折叠悬臂梁刚度测试，其中，双平行梁测力位移传感器的应用，可以获得很好的抗扭矩性能和力的正交解耦性能，能够保证位移变形量的稳定性和高精度，并且通过改变双平行梁测力位移传感器中的弹簧片的尺寸，可以对不同理论刚度的微折叠悬臂梁进行测试；本发明同样适用于其他类型的微折叠悬臂梁拉伸测试、微型弹簧刚度测试。
附图说明
图1为本发明微折叠悬臂梁刚度测试装置结构示意图；
图2为本发明双平行梁测力位移传感器结构示意图；
图3为本发明微折叠悬臂梁刚度测试流程图；
图4为本发明微折叠悬臂梁刚度测试装置控制示意图；
1-底板，2-X手动位移台，3-Y手动位移台，4-X向微电动位移台，5-Y向微电动位移台，6-第一安装座，7-连接杆，8-微悬臂梁装卡杆，9-安装座，901-顶板，902-支撑杆，10-X向激光位移传感器，11-Y向激光位移传感器手动调节台，12-连接板，13-Y向激光位移传感器，14-安装架，15-双平行梁测力位移传感器，16-微折叠悬臂梁，17-相机支架，18-CCD相机，19-环形光源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1-图4所示，微折叠悬臂梁刚度测试装置，包括底板1，所述底板1一端顶部设置有X手动位移台2，所述X手动位移台2顶部设置有Y手动位移台3，所述Y手动位移台3顶部设置有X向电动微位移台4，所述X向电动微位移台4顶部设置有Y向电动微位移台5，所述Y向电动微位移台5顶部设置有第一安装座6，所述第一安装座6底部设置有连接杆7，所述连接杆7的侧壁底部设置有微悬臂梁装卡杆8，所述Y向电动微位移台5右端底座顶部设置有安装座9，所述安装座9顶板901底部左端设置有X向激光位移传感器10，所述安装座9顶板901底部右端设置有Y向激光位移传感器手动调整台11，所述Y向激光位移传感器手动调整台11底部设置有连接板12，所述连接板12后端设置有Y向激光位移传感器13，所述安装座9顶板901顶部设置有安装架14，所述安装架14底端设置有双平行梁测力位移传感器15，所述双平行梁测力位移传感器15底端微悬臂梁装卡端与微悬臂梁装卡杆8之间设置有微折叠悬臂梁16，所述微折叠悬臂梁16一端位于双平行梁测力位移传感器15底端微悬臂梁装卡端卡槽内，且微折叠悬臂梁16另一端位于微悬臂梁装卡杆8卡槽内。
所述CCD相机18输出端与控制计算机输入端电连接，所述主控计算机输出端通过运动控制卡分别与X向电动微位移台4和Y向电动微位移台5步进电机驱动器输入端电连接，所述X向激光位移传感器10和Y向激光位传感器13通过A/D数据采集卡与主控机输入端电连接。
所述底板1左端设置有相机支架17，所述相机支架17水平部分末端设置有CCD相机18，所述CCD相机18中下部设置有环形光源19。
所述安装座9包括顶板901和支撑杆902，所述顶板901底部四角处设置有支撑杆902，且支撑杆902底部固定安装在底座1顶部。
所述顶板901设置为L型顶板。
微折叠悬臂梁刚度测试方法，采用微折叠悬臂梁刚度测试装置，包括以下步骤，
步骤1，打开环形光源19和CCD相机18，先手动调整X手动移动台2和Y手动移动台3，将微折叠悬臂梁装卡杆8与双平行梁测力位移传感器15微悬臂梁装卡端调整到对中水平，调整间距到大致可以将微折叠悬臂梁16放入；CCD相机18采集图像到主控计算机，调整X手动位移台2和Y手动位移台3，直到微折叠悬臂梁16装卡对中及水平，实现微折叠悬臂梁16与双平行梁测力位移传感器15串联；
步骤2，测量X向位移(或Y向位移)，由主控计算机发送位移控制信号到步进电机驱动器，控制X向电动微位移台4(或Y向电动微位移台5)精确移动，进而拉动微折叠悬臂梁16产生位移，利用X向激光位移传感器10(或Y向激光位移传感器13)测量双平行梁测力位移传感器15的X向偏移位移(或Y向偏移位移)，由A/D数据采集卡采集位移信号，经主控计算机处理，进而获得微折叠悬臂梁16的X向位移(或Y向位移)；
步骤3，根据预先对双平行梁测力位移传感器15进行X向实际位移量和Y向实际位移量与X向激光位移传感器10和Y向激光位移传感器13输出的位移信号、力与X向激光位移传感器10和Y向激光位移传感器13输出的位移信号建立标定关系，得到位移变化量与力的线性关系，
F＝Aσ+B
其中A，B为常量系数，σ为位移变化量，F为力；
步骤4，已知X向电动微位移台4(或Y向电动微位移台5)的精确位移变化量σ1，X向激光位移传感器10和Y向激光位移传感器13输出的位移信号测量微折叠悬臂梁16的X向位移变化量(或Y向位移变化量)σ2，微折叠悬臂梁16与双平行梁测力位移传感器15串联，所受拉力相同，通过X向激光位移传感器10和Y向激光位移传感器13测得双平行梁测力位移传感器15的X向位移(或Y向位移)，利用标定关系矩阵M，
其中a、d为双平行梁测力位移传感器15的正交解耦系数，b、c为X、Y方向的耦合系数，
双平行梁测力位移传感器15力与位移的标定关系为，
其中X、Y分别为双平行梁测力位移传感器15的X方向位移和Y方向位移，Fx、Fy分别为双平行梁测力位移传感器15的X方向受力和Y方向受力，得到所受拉力F，进而求得固定位移下微折叠悬臂梁16某一方向的刚度，
K＝F/(σ1-σ2)
其中K刚度；
步骤5，给定X向电动微位移台4(或Y向电动微位移台5)的精确位移变化量σi，通过步骤4所述的测量方法，获得不同位移下的微折叠悬臂梁16的刚度Ki，利用均值法获得微折叠悬臂梁16的平均测试刚度K，
其中N为测试次数。

Claims (5)

1.微折叠悬臂梁刚度测试装置，其特征在于，包括底板，所述底板一端顶部设置有X手动位移台，所述X手动位移台顶部设置有Y手动位移台，所述Y手动位移台顶部设置有X向电动微位移台，所述X向电动微位移台顶部设置有Y向电动微位移台，所述Y向电动微位移台顶部设置有第一安装座，所述第一安装座底部设置有连接杆，所述连接杆的侧壁底部设置有微悬臂梁装卡杆，所述Y向电动微位移台右端底座顶部设置有安装座，所述安装座顶板底部左端设置有X向激光位移传感器，所述安装座顶板底部右端设置有Y向激光位移传感器手动调整台，所述Y向激光位移传感器手动调整台底部设置有连接板，所述连接板后端设置有Y向激光位移传感器，所述安装座顶板顶部设置有安装架，所述安装架底端设置有双平行梁测力位移传感器，所述双平行梁测力位移传感器底端微悬臂梁装卡端与微悬臂梁装卡杆之间设置有微折叠悬臂梁，所述微折叠悬臂梁一端位于双平行梁测力位移传感器底端微悬臂梁装卡端卡槽内，且微折叠悬臂梁另一端位于微悬臂梁装卡杆卡槽内；
所述CCD相机输出端与控制计算机输入端电连接，所述主控计算机输出端通过运动控制卡分别与X向电动微位移台和Y向电动微位移台步进电机驱动器输入端电连接，所述X向激光位移传感器和Y向激光位传感器通过A/D数据采集卡与主控机输入端电连接。
2.根据权利要求1所述的微折叠悬臂梁刚度测试装置，其特征在于：所述底板左端设置有相机支架，所述相机支架水平部分末端设置有CCD相机，所述CCD相机中下部设置有环形光源。
3.根据权利要求1所述的微折叠悬臂梁刚度测试装置，其特征在于：所述安装座包括顶板和支撑杆，所述顶板底部四角处设置有支撑杆，且支撑杆底部固定安装在底座顶部。
4.根据权利要求1所述的微折叠悬臂梁刚度测试装置，其特征在于：所述顶板设置为L型顶板。
5.微折叠悬臂梁刚度测试方法，其特征在于：采用权利要求1所述的微折叠悬臂梁刚度测试装置，包括以下步骤，
步骤1，打开环形光源和CCD相机，先手动调整X手动移动台和Y手动移动台，将微折叠悬臂梁装卡杆与双平行梁测力位移传感器微悬臂梁装卡端调整到对中水平，调整间距到大致可以将微折叠悬臂梁放入；CCD相机采集图像到主控计算机，调整X手动位移台和Y手动位移台，直到微折叠悬臂梁装卡对中及水平，实现微折叠悬臂梁与双平行梁测力位移传感器串联；
步骤2，测量X向位移(或Y向位移)，由主控计算机发送位移控制信号到步进电机驱动器，控制X向电动微位移台(或Y向电动微位移台)精确移动，进而拉动微折叠悬臂梁产生位移，利用X向激光位移传感器(或Y向激光位移传感器)测量双平行梁测力位移传感器的X向偏移位移(或Y向偏移位移)，由A/D数据采集卡采集位移信号，经主控计算机处理，进而获得微折叠悬臂梁的X向位移(或Y向位移)；
步骤3，根据预先对双平行梁测力位移传感器进行X向实际位移量和Y向实际位移量与X向激光位移传感器和Y向激光位移传感器输出的位移信号、力与X向激光位移传感器和Y向激光位移传感器输出的位移信号建立标定关系，得到位移变化量与力的线性关系，
F＝Aσ+B
其中A，B为常量系数，σ为位移变化量，F为力；
步骤4，已知X向电动微位移台(或Y向电动微位移台)的精确位移变化量σ1，X向激光位移传感器和Y向激光位移传感器输出的位移信号测量微折叠悬臂梁X向位移变化量(或Y向位移变化量)σ2，微折叠悬臂梁与双平行梁测力位移传感器串联，所受拉力相同，通过X向激光位移传感器和Y向激光位移传感器测得双平行梁测力位移传感器X向位移(或Y向位移)，利用标定关系矩阵M，
其中a、d为双平行梁传感器的正交解耦系数，b、c为X、Y方向的耦合系数，
双平行梁测力位移传感器力与位移的标定关系为，
其中X、Y分别为双平行梁测力位移传感器X方向位移和Y方向位移，Fx、Fy分别为双平行梁测力位移传感器的X方向受力和Y方向受力，得到所受拉力F，进而求得固定位移下微折叠悬臂梁某一方向的刚度，
K＝F/(σ1-σ2)
其中K刚度；
步骤5，给定X向电动微位移台(或Y向电动微位移台)的精确位移变化量σi，通过步骤4所述的测量方法，获得不同位移下的微折叠悬臂梁的刚度Ki，利用均值法获得微折叠悬臂梁的平均测试刚度K，
其中N为测试次数。
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