王 華，石云波*，王艷陽,楊 陽

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051；2.火箭軍駐7171廠軍代表室）

批量化微加速度計綜合測試平臺設計*

王 華1，石云波1*，王艷陽1,楊 陽2

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051；2.火箭軍駐7171廠軍代表室）

為了實現(xiàn)微加速度傳感器的批量標定，能夠更加方便地進行多個傳感器的性能測試?；赟olidWorks軟件平臺設計了一種可一次進行多只傳感器綜合測試裝置。該裝置可分別進行翻轉(zhuǎn)測試和振動測試，并且能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器測試夾具與測試平臺的自動結(jié)合與分離。通過對該裝置測得的加速度計參數(shù)和原廠標定的加速度計參數(shù)對比，表明所設計測試平臺的測試結(jié)果可靠。

微加速度傳感器；批量化測試；仿真設計；SolidWorks

MEMS加速度傳感器在研制后及使用前均需要進行參數(shù)性能的測試和標定。加速度計重力場翻滾實驗是利用重力加速度將加速度計輸入軸、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翻滾程序或加速度增量線性程序，來標定加速度計各項靜態(tài)性能參數(shù)的實驗［1］。該實驗是各種量程加速度計性能測試的主要實驗之一［2］。同時，振動試驗作為MEMS加速度傳感器全量程范圍性能測試的重要試驗，不僅能夠標定MEMS加速度傳感器的二階線性系數(shù)和頻率響應特性，而且可以用于標定MEMS加速度傳感器的標度因數(shù)、偏置的長期穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強度等［3］。因此，在MEMS加速度傳感器出廠前需要嚴格執(zhí)行符合實際要求的翻滾實驗和振動試驗，對考核檢驗MEMS加速度傳感器的合格性與可靠性起著至關重要的作用［4］。

國內(nèi)很多機構(gòu)還在采用單個、手動的方法進行加速度傳感器測試，測試效率低，測試數(shù)據(jù)多，數(shù)據(jù)處理繁瑣。針對這種情況，在某863項目設備的設計過程中，需要設計一種微加速度計綜合測試實驗平臺。該平臺具有以下特點：（1）平臺一次能進行多只加速度傳感器進行實驗；（2）微加速度計夾具能與翻滾驅(qū)動裝置自動結(jié)合與分離；（3）重力場翻滾實驗平臺與振動實驗平臺結(jié)合。為此，利用三維設計軟件SolidWorks設計了一種滿足上述特點的微加速度計翻滾實驗平臺，并利用軟件自帶的插件進行了干涉檢查，并交付生產(chǎn)。

1 綜合測試平臺設計

1.1 設計方案

為完成項目要求，綜合測試平臺采用一體化設計，臺體分為兩部分：靜態(tài)測試模塊和動態(tài)測試模塊。兩個模塊分別對傳感器進行靜態(tài)的重力場翻轉(zhuǎn)測試和動態(tài)的振動測試。

測試平臺結(jié)構(gòu)采用SolidWorks2012軟件進行設計與仿真。設計中采用自下而上的設計方法，即首先設計好各個零部件，然后利用裝配關系將各個零部件進行裝配組合［5］。

1.2 靜態(tài)測試模塊設計

靜態(tài)測試部分主要是進行加速度傳感器靜力學試驗即1 gn重力場靜態(tài)翻滾試驗，其機械結(jié)構(gòu)主要包括：微加速度計夾具、連接件、滾珠絲杠、電機等部件。利用SolidWorks 2012軟件根據(jù)選定電機、滾珠絲杠、滾動導軌等的實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，不會因過重而影響振動臺工作。微加速度計夾具的材質(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

實驗時，與電機相連的銷插入方孔內(nèi)，驅(qū)動微加速度計夾具翻滾；圓孔內(nèi)插入頂桿，支撐微加速度計夾具，如圖2所示。

圖2 翻轉(zhuǎn)電機與夾具連接方式

靜態(tài)測試部分的水平驅(qū)動機構(gòu)主要的功能是拖動翻滾驅(qū)動機構(gòu)對加速度傳感器載體進行夾緊和松開動作，因此需要設計一個由電動機驅(qū)動的直線傳動機構(gòu)。確定水平驅(qū)動機構(gòu)選擇滾珠絲杠和直線導軌組合的傳動形式［6］。如圖3所示，由左右兩側(cè)的水平驅(qū)動電機同步驅(qū)動連接件，進行水平方向的夾緊與放松。

圖3 水平驅(qū)動機構(gòu)與夾具裝配圖

重力場靜態(tài)翻滾試驗要求加速度傳感器載體能夠在空中進行360°多位置翻滾試驗，因此需要設計一個豎直方向能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器載體上升和下降的升降機構(gòu)。此升降機構(gòu)參考水平驅(qū)動機構(gòu)的設計，選擇相同的驅(qū)動方式。

對實驗平臺進行三維造型和裝配，翻轉(zhuǎn)測試平臺機械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 翻轉(zhuǎn)模塊機械結(jié)構(gòu)

1.3 動態(tài)測試模塊設計

按照要求動態(tài)測試量程為±50 gn，經(jīng)計算加速度傳感器載體與被測傳感器重量為3 kg，根據(jù)牛頓第二定律可知要固定一個載體需要1 500 N的夾緊力。根據(jù)此試驗要求，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)方向分左右兩個方向，在使用壓力為0.5 MPa下夾緊力可達525 N，選用4個此回轉(zhuǎn)夾緊氣缸一組夾緊一個加速度傳感器載體，將回轉(zhuǎn)夾緊氣缸固定在設計好的振動臺臺面上，通過控制電磁閥來實現(xiàn)對微加速度計載體的自動夾緊，待振動試驗完成，夾緊臂螺旋上升旋轉(zhuǎn)90°，實現(xiàn)對夾具的放松。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臺設計了振動臺臺面，振動臺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。為了在振動實驗開始時，夾具可以準確放置在臺面上，在臺面上設置了和夾具大小相同，深2 mm的槽，如圖6所示。

圖6 振動臺臺面

根據(jù)氣缸和振動臺臺面的實際尺寸建立三維模型。對實驗平臺進行裝配，總體機械結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 振動平臺機械結(jié)構(gòu)

2 實驗平臺運動仿真

為滿足設計需要，應將兩個模塊裝配在一起。將測試裝置整體裝配完成的話需要涉及到很多的零部件，不能保證每個零部件的尺寸都設計精確合理，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，在測試裝置完成裝配以后，要進行干涉檢查，以此來保證各運動部分設計的合理性。在SolidWorks中選擇“干涉檢查”，在彈出的對話框中選擇所建立的鎖緊裝置裝配體，單擊“運算”進行干涉檢查。檢查結(jié)果表明該自動鎖緊裝置未出現(xiàn)干涉，裝配關系設計合理［7］。

對實驗平臺用COSMOS Motion軟件模擬機械運動，利用這一工具進行實際生產(chǎn)之前確定設計的可行性，同時仿真軟件可以方便地通過動畫，圖形，數(shù)據(jù)等多種形式輸出零部件的運動軌跡。

微加速度計翻滾實驗過程如圖8所示。

實驗時，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)動電機驅(qū)動水平絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動銷和頂桿向前運動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 傳感器夾具向上運動到離底座表面100 mm處 由豎直驅(qū)動電機驅(qū)動豎直絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動傳感器夾具向上運動到離底座表面100 mm處，如圖8（b）所示；

第3步 微加速度計進行多點翻滾實驗 由翻轉(zhuǎn)電機驅(qū)動傳感器夾具在一周內(nèi)進行多點定位，為微加速度計提供加速度敏感基準，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)動電機反轉(zhuǎn)，驅(qū)動豎直絲杠反向旋轉(zhuǎn)，使傳感器夾具向下運動回到底座上，如圖8（e）所示；

第5步 完成翻轉(zhuǎn)實驗，銷和頂桿釋放傳感器夾具 由水平驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)，驅(qū)動水平絲杠反轉(zhuǎn)，使銷和頂桿退出傳感器夾具的孔，各個零部件回到初始位置，如圖8（f）所示。

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

第7步 進行振動實驗 由于振動臺的振幅小于3 mm，肉眼不易觀測，故不做演示；

第8步 完成振動實驗，傳感器夾具與振動臺面分離 調(diào)節(jié)換向閥，控制回旋氣缸放松，實現(xiàn)夾具與臺面分離，如圖8（h）所示。

圖8 微加速度計翻滾實驗過程

測試臺實物如圖9所示。

圖9 綜合測試平臺實物

3 測試數(shù)據(jù)對比與結(jié)論

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

表1 靜態(tài)性能參數(shù)對比

表2 動態(tài)性能參數(shù)對比

從表中數(shù)據(jù)可以看出，采用該裝置標定的加速度計與廠家給的標定值差別不大，可以客觀的反應加速度計內(nèi)在性能優(yōu)劣。該綜合測試平臺實現(xiàn)了傳感器的批量化測試，并完全脫離了手動控制，傳感器夾具可與測試裝置自動結(jié)合與分離，該裝置滿足設計要求。實驗證明，該綜合測試平臺標定結(jié)果可靠。

［1］劉俊，石云波，李杰.微慣性技術［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，2004.

［3］張攀峰.光學高精度微加速度計的位移測量系統(tǒng)研究［D］.浙江大學，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，2013.

［5］黃文俊，李錄平，郭克希.基于SolidWorks的汽輪機扭曲葉片造型研究［J］.機械設計與制造，2007（5）：67-69.

［6］趙林林，徐建高，李中成，等.洗瓶機的機械結(jié)構(gòu)設計分析［J］.機械工程師，2012（7）：117-118.

［7］趙赟.自動批量化MEMS加速度傳感器測試裝置設計研究［D］.太原：中北大學，2015.

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

王 華（1990-），男，漢族，碩士研究生，河北保定人，研究方向為精密儀器工程，496541652@qq.com；

石云波（1972-），男，漢族，博士，中北大學教授，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科研項目，獲得山西省技術發(fā)明一等獎1項、高等學校科學技術一等獎2項、國內(nèi)發(fā)明專利4項、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

項目來源：國家高技術研究發(fā)展計劃項目（2013AA041109）

2015-12-23 修改日期：2016-01-13