微加速度计（通用9篇）
微加速度计 篇1
微惯性测量系统的设计对于现代武器系统的机动能力、可靠性、环境适应性等的技术性指标具有决定性影响。它的精度在很大程度上决定了卫星、导弹、航天器的姿态精度, 对各类飞行器的定位、定向及姿态的确定具有重大作用。为此, 设计了陀螺和加速度计微惯性测量系统, 以实现对飞行体姿态的高速度、高精度采样存储。
1 微惯性测量系统的硬件设计
1.1 硬件系统总体设计
实时记录弹体内通过测量的加速度和角速度是惯性测量系统硬件部分的主要任务, 微惯性测量单元的硬件部分主要由电源控制器、中心控制器、Flash存储器、三轴陀螺、三轴加速度计、适配放大滤波电路和接口电路组成, 如图1所示。
由于A/D转换器的输入范围为0 V~2.5 V, 但是传感器的输出范围在0 V~5 V, 所以在信号从传感器输出以后, 需要将信号缩小到A/D转换器可接受的范围。本文采取了电阻分压的方式进行信号缩小, 缩小到0 V~2.5 V的信号被输入A/D转换器, 信号转换为数字信号, 并存入Flash存储器。实验完成后装置从弹体中取出, 并经过上位机读取数据后进行信号处理、解算和输出[1,2,3]。
本文中微惯性测量单元的性能指标要求工作温度在-40℃~60℃, 角速度测量范围:X, Y, Z:±2 000°/s, 加速度测量范围:±50 g, 分辨率为12 bit, 采样频率50 k Sa/s, 技术实践60 s记录通道为8通道, 存储容量48Mbyte, 陀螺传感器精度≤0.5%FR;加速度传感器精度≤0.5FR, USB接口为上位机接口方式, 数据保持时间≥72 h。
1.2 微惯性测量系统的状态设计
介于设备使用的要求和条件, 以及电路设计的原理, 通常在进行设计测试系统时要先完成功能设计, 而后进行状态设计, 最后进行整体电路设计[4,5]。图2为微惯性测量单元状态设计图, 状态设计分为待上电、初始化、顺序记录、等待读数、读数、擦除六种状态。
1) 待上电:电池开始为电源控制芯片供电, 等待上电信号。此状态下, 电流标准设置为20μA左右, 为达到低功耗要求, 只有MAX894L和CPLD电源管理芯片接通电源, 装置的上电方式为断线上电。
2) 初始化:复位信号会在断线上电后在电路中产生, 对CPLD进行复位操作。系统设定为保持上电信号1 s以上电路才进行上电, 主要原因是为了避免电路中产生的毛刺使电路误上电。
3) 顺序记录:时间60 s, 长度48Mbyte, 此状态需保证Flash存储器中的数据已被擦除过, 且电路进行断电上电, 数据记录成功后, 进入低功耗状态, 自动关闭传感器电源, 等待读数。
4) 等待读数:等待与上位机相连, 此时系统不再进行任何数据的记录和存储。
5) 读数:装置在与上位机连接后, 发出读数指令, 唤醒单片机, 设备接收指令后, AD总线进入高阻态, CPLD总线同步进入到输出状态, 读出存储设备中数据。读数完成后, 既可以进入擦除状态, 也可以直接下电。
6) 擦除:上位机对Flash存储器发擦除命令, 进行按块擦除。此状态需要在数据读出后进行。
2 传感器的选择
2.1 陀螺传感器的选择
由于相比于传统陀螺仪, MEMS陀螺具有重量轻、体积小、结构坚固、抗冲击强等特点, 故本文选择MEMS陀螺作为微惯性测量单元的传感器。
MEMS陀螺的工作原理是随着三个轴角速度的变化而输出不同的电压信号, 此信号在经过A/D转换器后以数字信号存储在Flash存储器中, 之后通过上位机软件将信号读取到计算机并解算成需要的参数值。
由于成本、体积、速度等方面的考虑, 且要求设备在随着时间和温度变化的条件下依然能够保持较好的稳定性和可靠性, 本文选择采用MEMS技术芯片的西安精准测控公司生产的PA-3ARG系列固态角速率陀螺, 其是一种具有高可靠性和高封装坚固性的三轴角速度传感器。
2.2 加速度传感器的选择
由于:a=f/m, 即:加速度=惯性力/质量, 可知加速度可以通过测量惯性力的方式被计算出来。而惯性力可以通过电磁力来平衡, 电磁力和电流又存在着比例关系, 可以通过实验得出惯性力和电流的关系, 信号处理电路记录电流便可通过惯性力得出加速度[6]。
由于功耗、体积、稳定性和精度方面的考虑, 本文选用Analog Device公司的ADXL系列的加速度传感器[7]。
3 微惯性测量系统的上位机软件设计
Lab VIEW软件是一款提供直觉式开发环境的软件, 且其拥有丰富的数据采集、分析和存储等相关函数。本文选用Lab VIEW软件作为数据采集系统的设计开发软件。
3.1 软件主界面
在充分考虑人机界面要与以往软件风格的衔接及人们实际操作习惯等因素的条件下, 本系统软件界面如图3。
软件图形界面的左边是波形图空间, 用来显示数据得出的波形, 可以通过Lab VIEW软件的波形显示控件直接显示多种波形, “采样长度”控件记录采集的数据量, 以MB为单位, “采样读数”控件对设备内的数据进行读取, “打开文件”控件用于打开以前的数据, “通道选择”控件查看不同通道中的数据波形。
3.2 程序各部分功能
主程序主要由程序初始化部分, 主体部分和程序退出部分三部分组成。主体部分是用来响应用户各种操作的一个带While循环的事件结构。
根据系统要求设计了数据采集子程序、读取二进制文件子程序、数据转换子程序和通道选择子程序。
通过数据采集子程序及读取二进制文件子程序发送读数指令和读取二进制文件 (.dat文件) , 并输出成为一维数据。再用数据转换子程序将.dat文件从8位转换为16位, 并处理得到12位A/D转换的结果。
通道选择子程序能够将得到数据的一维数组, 按照8个通道分成8个数组, 并且按照用户选择的通道进行输出。
3.3 模块化程序设计
为了使主程序能够简单易读的同时又方便分开调试, 且不容易出错, 采用了子VI的方法。采样读数、读取文件、数据转换、通道选择的程序分别封装成子VI, 分别调用不同的子VI, 就能分别实现其对应功能。节省了工作路径的同时, 也提高了运行速度和稳定性。
3.4 事件结构
事件结构能够根据用户的不同动作去执行不同的程序, 是当今主要的人机界面设计方法之一。由于事件通常需要多次执行, 而不是只执行一次, 所以通常情况下事件结构需要配合While循环一同使用。相比于不断循环判断触发条件的轮询结构, 事件结构等待触发的特点能够节省大量的系统资源。
3.5 错误处理
软件设计人员需要对软件有全面的了解, 在软件发生问题的时候, 能够迅速找到问题发生的地方, 作为Lab VIEW编程中重要的一环, 软件本身提供了错误输入和错误输出控件, 通过这两个控件, 可以方便地进行错误处理。
如图4所示, 本次软件设计中, 使用了错误输入簇和错误输出簇, 程序框图最左边是错误输入簇, 之后数据流经过程序初始化部分、主循环事件结构部分、程序结束部分, 最后在错误输出簇部分结束。这样设计出来的程序, 体现了数据流编程的思想, 不但能够使程序按照数据流的方向执行, 而且能够很好地处理程序各个部分产生的错误。
4 实验结果
为了验证微惯性测量系统的性能, 利用三轴无磁性转台模拟弹体的飞行姿态。以X轴为例:如图4为两个传感器采集到的X轴信号。将采集到的三轴信号进行后续的解算即可得到需要的飞行参数。
5 结论讨论
采用陀螺和加速度计的微惯性测量系统体积小、功耗低, 能很好地实现对飞行体姿态的数据采集, 可以满足测量单元性能指标的要求。两种传感器信息的融合使得精度更高, 误差减小。该测试系统适用于很多场合, 后续将采集到的数据利用算法软件进行处理分析, 便可以解算出姿态测试所需要的参数, 有进一步研究的意义和必要性。同时, 在试验过程中也发现每一次信息的读取都需要将测试装置拆下来连接数据线读取, 若能在系统中集成小型无线数据传输模块, 便可能解决这个问题。这也是后续为提高工作效率需要改进的。
摘要：主要介绍了陀螺和加速度计的微惯性测量单元的硬件设计以及Lab VIEW上位机软件的设计。硬件设计介绍了测量系统的总体设计、状态设计和陀螺、加速度传感器的选择。软件设计介绍了软件主界面、程序各部分功能、模块化程序设计、事件结构及错误处理。最后将测量系统安装到无磁性转台进行模拟飞行试验, 并将系统中的数据采集到上位机软件进行分析。该系统满足测量三轴信息的需求, 同时兼顾了测试系统小型化低成本的要求。
关键词：惯性测量,微惯性测量单元,陀螺,加速度计
参考文献
[1]崔中兴.惯性导航系统[M].北京:国防工业出版社, 1982:60-96.
[2]张树侠, 孙静.捷联式惯性导航系统[M].北京:国防工业出版社, 1992:34-39.
[3]马凯臣.基于微惯性测量单元的末敏弹稳态扫描参数测量方法研究[D].太原:中北大学.2012.
[4]葛淑兰, 石学法, 张伟滨.地磁场相对强度研究方法[J].海洋地质与第四纪地质, 2007 (4) :65-69.
[5]郭凤霞, 张义军, 言穆弘.地磁场长期变化特征及机理分析[J].地球物理学报, 2007, 11 (50) :1649-1657.
[6]朱仕永.导弹囊抛子弹动态参数测试及其姿态仿真[D].太原:中北大学, 2009.
[7]曹咏弘, 祖静, 林祖森.无陀螺捷联惯导系统综述[J].测试技术学报, 2004, 18 (3) :269-273.
微加速度计 篇2
加速贷：小微企业如何申请自然人保证贷款
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加速度计与MEMS明日之星 篇3
当然，这仍然只是MEMS进军更广泛市场的一个开端，打开这个市场的功臣即是加速度计(accelerometer)。在本文中将会对加速度计的技术及应用有更多的着墨，在此之前，我们要先来看看MEMS的领域及发展进程。
MEMS发展历程
MEMS的研发早在1970年代初期就已展开，最早期的研究包括石英晶体谐振器(QuartzResonator)和压力传感器等，接着有打印机的喷墨头(inkjet)及气相色谱仪(gaS chromategraphy)的研究；1975年后开始进行加速度计、数字光投影机、微流体(micro-fluidics)、MEMS振荡器、MEMS开关(Switch)的研究；1985年左右开始研究MEMS麦克风；薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)和陀螺仪(Gy－roscope)则是1990年代以后才开始的新领域。
MEMS的应用领域很广，举凡需要用到微机械感测与控制的应用，都有可能导入MEMS的芯片，这些领域涵盖了信息、通讯、消费电子、汽车、医疗、工业等等各个领域。目前广泛应用MEMS芯片的应用领域是汽车电子及信息电子，在汽车的操控性及安全性方面，已采用不少的MEMS传感器和制动器，其中又以加速度计居多，例如低重力加速度计可用于电子停车制动(EPB)、安全带预紧器(Pre-tensioner)、防侧翻、汽车动态控制(VDC)；中，高重力加速度计可用于悬吊系统、安全气囊；此外，MEMS陀螺仪(Gyroscope)则可用于惯性导航、防侧翻和VDC。
在信息应用方面，最常见的是打印机喷墨头的运用，这仍是目前MEMS芯片最大的应用领域之一。此外，加速度计也被用于保护硬盘，当硬盘不慎掉落时，传感器会立即传出警告信息，要求马达停止转动并将磁头从盘片表面上移开，因此不会有任何部件与硬盘机内的储存媒介相互碰触，如此一来即能保护行动设备在发生意外振动或摔落时，内部所存储的数据仍能安全无虞。另一个大幅成长的芯片则是微面镜，最成功的例子是TI所研发的数字光处理(DLP)技术，目前已普遍用于投影显示器当中。
加速度计的创新应用
在现阶段，消费性市场最有兴趣的，还是如何导入加速度计。加速度计的应用是令人期待的，举凡需要感测由于坠落、倾斜、移动、定位、撞击或振动产生微小变化的产品，都可以导入加速度计。因此，除了上述的防撞保护外，它还能提供操控手持设备的人机接口(Man Ma-chineInterface,MMI)以及许多有趣的增值功能：
创新MMI人机界面
Wii的遥控游戏功能，正是让大家印象最深刻的创新型态人机接口功能。它利用加速度计的动态感测功能来感测遥控器左，右倾斜、前／后倾斜、甚至上，下移动等动作，来转换为玩家在游戏中想操控的挥拍、击球、钓鱼、跳跃等动作，而能取代键盘以更直觉的享受到游戏的临场感，也能完成一些过去相当困难的细微操控动作。
不仅如此，3轴加速度计也能实现画面自动转向、图像浏览及目录选择等功能。以iPhone及iPod touch来说，其内建的加速度计通过测量重力向量，就能确定它是处于垂直状态还是水平状态，并将图像的显示位置自动转正，例如当用户在观赏照片、视讯或检视地图而以横向观看时，画面会自动旋转；当浏览网页或日录时，则可以再转回直向显示。
还有一些直观的用法，例如运用加速度来操控显示画面，也就是藉由倾斜手持设备来实现屏幕显示内容的上下左右浏览，并可通过对单击(单次振动)或双击(连续振动两下)的识别，来进行各种功能的选择，例如歌目选择、手机拨号及静音控制等。
有趣的增值功能
加速度器对于动作的感测，还能创造出许多有趣的应用，如骰子游戏、虚拟乐器敲击及[闪讯](Wave Message)等。骰子游戏是藉由摇动手持设备来控制骰子旋转速度及停止时间；虚拟乐器敲击是藉由对手持设备的挥动感测，来控制敲击乐器的节奏快慢及音量大小；闪讯则是在光线较暗的环境下，当手持设备快速左右移动时，加速度计会感测动作并驱动LED发光，在空中形成连续的光影信号。
其它应用
对于手持设备来说，降低功耗一直是最重要的任务之一，而通过内建的加速度计，可以侦测到设备的使用状况，并采取适当的省电控制模式，此举将有助于延长手持设备的电池寿命。此外，加速度计也能提供计步器、电子罗盘补正(3D Compass)、照相防手震等附加功能。上述种种的创新应用能力，让3轴加速度计成为手持设备中另一个不可少的芯片。
电容式加速度计技术
接着来看看加速度计的设计原理。常见的加速度计技术包括压阻式(Piezoresistive)、电容式(Capacitive)、压电式(Piezoelectric)及热对流式(Thermal)。目前市场上商业化的加速度计主要是采用压阻式、电容式与热对流式，日系厂商主要采用压阻式技术，ADI、ST等欧美厂商则采用电容式技术，对流式的代表厂商则为MEMSIC。
电容式加速度计是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。它具有结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等独特优点。随着MEMS和半导体制程的进步，大幅改善其原先的一些使用限制，也让电容式作法成为今日市场上极受欢迎的一种加速度计设计途径。
电容式加速度计的结构中会有可移动的质块与相对的固定端，分为作为电容的两极。当外界加速度使可移动极与固定极发生相对位移时，两极间的电容量也会产生变化，通过特殊电路可将此变化量转换成相对应的输出信号。
电容式加速计的好处甚多，比起压阻式或热对流式容易因外界温度变化而产生零位漂移，电容式的电容值一般与电极材料无关，因此可选择温度系数低的材料；加上本身发热极小，温度对稳定性的影响甚微。此外，电容式除了可以实现微型化需求外，也能在高温、高压、强辐射及强磁场等恶劣的环境中工作，也能耐受极大冲击，适用范围极广。
另一个优点是它的动态响应时间报短，能在几MHz的频率下工作，因此特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小，可以用较高频率
供电，因此系统工作频率高，可以用于测量高速变化的参数。除了上述优点外，电容式还可测极低的加速度和位移(0.01μm以下)，灵敏度及分辨力可以做到很高。
在电容式的结构中，当其中的质块出现加速度运动时，就会产生电容量的差异变化(△c)，此变化会传送给另一颗接口芯片(Inter-facechip)，由它来输出可量测的电压值。因此，一个3轴加速度计芯片中必须包含两大单元，一是单纯的机械性MEMS传感器，它包含测量XY轴的区域及测量z轴的区域，内部有成群移动的电子；另一则是标准的ASIC接口芯片，它会将电容变化转换为电压讯号输出。
传感器与ASIC接口芯片这两大单元虽然都可采用CMOS制程来生产，但由于实现技术上的差异，两者目前大多仍会采用不同的生产流程，再将两颗芯片封装整合在一起，成为系统级封装(SiP)芯片。这两颗芯片可以用堆栈(Stacked)或并排(Side by side)方式来进行封装。采用先进LGA封装的ST加速度计芯片只有3×5×1.0mm，此尺寸已相当适合小型化手持设备的使用。
不同的应用需选用不同规格的加速度计，以手持设备的姿态识别与单击、双击动作侦铡应用来说，只需选用低频(0～20Hz)的加速度计即可；若需用于硬盘自由坠落的感铡保护，必须选用中频(～50Hz)以上的产品；对于汽车冲撞感测或洗衣机振动感测的应用来说，就需选用高频(～100Hz)的加速度计。
未来的MEMS明星
今日MEMS的当红产品，当然是加速度计，不过，还有许多的微机电芯片具有极佳的市场爆发力，包括陀螺仪、MEMS麦克风、IMOD显示器、嵌入式超小型投影机、MEMS振荡器等。陀螺仪是继加速度计后另一个备受注目的运动传感器，它能补足加速度计在转向角度上的不足，因此两者的互补能提供更精准的运动行为判断。除此之外，陀螺仪也能用于照相防震、3D遥控、空中鼠标、游戏游戏杆等应用中。
新的MEMS麦克风(也称硅晶麦克风)具有小尺寸、抗噪讯及易开发等优势，已成为取代传统驻极体电容式麦克风(Electret CondenserMicrophone，ECM)的主流选择；Qualcomm开发的IMOD(Interferometric Modulator)技术是一项基于MEMS的干涉测量调节显示技术，强调能够像光的薄膜干涉那样，获得如蝴蝶翅膀和孔雀羽毛那样斑斓的色彩，而且能比其它显示技术提供更低的耗电量。
此外，超小型投影机小到能嵌入手机当中，进而让手机能够投射出更大的屏幕，而不会受限于今日仅数寸的显示器，让手机用户能更进一步地享受视听效果。MEMS振荡器的应用则将冲击整个电子产业，因为它已成为长久以来用来提供频率的石英晶体振荡器的可行取代方案。
结语
微加速度计多失效模式可靠性分析 篇4
本文以梳齿式微加速度计为研究对象,考虑其刚度失效、黏附失效等多个失效模式的共同作用,分析各失效模式之间的相关性,进行考虑多个失效模式的可靠性分析,并给出影响微加速度计的主要失效模式和随机变量。
1 微加速度计工作原理
梳齿式微机械加速度计属于电容式微惯性传感器,其基本工作原理是当系统受到惯性力时,敏感质量产生位移,活动梳齿与固定梳齿的间距发生改变,通过电路测量差动电容的变化,形成反馈静电力平衡敏感质量的惯性力,使活动梳齿保持在平衡位置。根据反馈力与惯性力的平衡关系,得到加速度值。常见的梳齿式电容加速度计结构如图1所示。
图1中,梳齿式微加速度计的活动敏感质量元件是一个为H形的双侧梳齿结构,它可以沿着敏感轴向(图1中的x轴方向)往复移动。敏感质量元件两侧为折叠梁,它固定于基片上,使得敏感质量、多组活动梳齿与基片呈平行、悬空布置。敏感质量元件的每个动齿为可变电容的一个活动电极,与每一个固定齿交错配置,总体形成差动电容。利用梳齿结构可以增大了重叠部分的面积,获得更大的电容。按照定齿的配置可以分为定齿均匀配置梳齿电容加速度计和定齿偏置结构的梳齿电容加速度计;按照加工方式的不同又可分为表面加工梳齿电容加速度计和体硅加工梳齿电容加速度计[5]。
在实际应用中,微加速度至少需要满足以下几个条件才能正常工作:①微结构检测方向的机械静刚度Kx应不小于预载电压引起的静电负刚度Ke,以确保系统工作在稳定状态;②应使剥离数Np大于1,这样不至因活动梳齿与固定梳齿之间的黏附而导致系统失效;③系统分辨率应高于系统目标分辨率Δa0;④系统的最大量程应大于系统最大目标量程a0。微加速度计对应的失效模式主要包括刚度失效、黏附失效,以及分辨率不足和量程不满足要求等。本文主要考虑这四类失效模式,开展微加速计的可靠性分析。
2 可靠性建模
2.1 各失效模式建模
2.1.1 刚度失效模式建模
图2给出了折叠梁结构受力情况,由于折叠部分AA'和DD'较短较粗,在分析折叠梁x方向变形和敏感质量的位移时,可以忽略AA'和DD'的影响,即将折叠梁看作是两个双端固定直梁AD和A'D'的串联,依据固定直梁的受力分析,可以得到折叠梁x方向的刚度为[6]
式(1)中,E为材料的杨氏模量,b为折叠梁宽度,h为结构厚度,l为折叠梁长度,KAD和KAD分别为等效的固定直梁AD和A'D'的刚度。
整个梳齿加速度计结构相当于两个折叠梁并联,那么x方向总刚度为Kx=2K。结合微加速度计正常工作的刚度条件,可以得到表征刚度失效的数学模型为
若G1>0,则刚度满足要求,不发生刚度失效;若G1<0,则刚度不满足要求,发生刚度失效;G1=0为极限状态。
2.1.2 黏附失效模式建模
梳齿式微加速度计以某一加速度运动时,由于惯性力的作用,使得敏感质量元件产生位移。由于固定梳齿和活动梳齿之间的间距很小,且梳齿长度相对于间距较长,易出现梳齿黏附问题。根据文献[[7]],结合微加速度计的黏附失效条件,可以得到表征黏附失效的数学模型为
式(3)中,d0为梳齿间距,b0为活动梳齿宽度,Δγ为单位面积的黏附能,l0为梳齿长度,n为梳齿对数。若G2>0,则不发生黏附失效;若G2<0,则发生黏附失效;G2=0为极限状态。
2.1.3 建立表征加速度计分辨率不满足要求的数学模型
分辨率可以定义为加速度计能够检测到的最小输入加速度,结合最小分辨率要求,可以得到
式(4)中,Δa0为系统目标分辨率,ΔC为最小检测电容变化量,m为敏感质量,ε为介质的相对介电常数,ε0为真空介电常数,A为梳齿正对面积,表达式如下
式(5)中,l01为固定梳齿与敏感质量元件的距离。
若G3>0,则系统分辨率满足目标分辨率要求;若G3<0,则系统分辨率不满足目标分辨率要求;G3=0为极限状态。
2.1.4 建立表征加速度计量程不满足要求的数学模型
结合最大量程要求,可以得到
式(6)中,a0为最大量程,Uref为预载电压。
若G4>0,则系统量程满足最大目标量程要求;若G4<0,则系统量程不满足最大目标量程要求;G4=0为极限状态。
至此获得了表征4个失效模式的数学模型Gi(i=1,2,3,4),在结构可靠性分析中常称之为功能函数,为后续表述方便,将其记为Gi(x),其中,x=(d0,b,b0,l,h,l0,l01,E,Ke,m)T为随机变量向量。对应的可靠性模型为
式(7)中,P(*)表示事件*发生的概率。
2.2 考虑多失效模式的可靠性建模
任意一个失效模式的发生都意味微加速度计的失效,那么对于微加速计失效Pf这一事件来说,各失效模式呈逻辑“或”的关系,可以用失效树来表示这一关系,如图3所示。
由图3可以看出,其与一般失效树的不同之处是各底事件为表征对应失效模式的功能函数,它不仅提供了失效模式发生的概率信息,还给出了随机因素函数关系等信息,这些都可以用于分析各底事件的相关性,这对于准确获取顶事件的发生概率,以及量化分析各故障模式和随机变量对于顶事件的重要程度,具有重要作用。为区别于一般的失效树,称之为概率失效树(probabilistic fault tree)[8]。图3对应的数学模型为
式(8)中,∪表示事件之间的逻辑“或”关系。
3 可靠性分析
3.1 可靠度计算方法
依据结构可靠性理论[9],可以将随机变量向量x经过如下变换得到独立标准正态变量向量u
式(9)中,T(·)表示概率变换函数,它的反函数记为T-1(·),对应的各失效模式的数学模型变换为
式(10)中,gi(·)为Gi(·)在独立标准正态变量空间内对应的数学模型。
根据FORM(first order reliability methods)的基本思想[10],对第i个功能函数gi(u)在MPP(most probable point,最可能失效点)处进行泰勒展开,并省略二次以上的项,可以得到如下式所示的线性化表达式
式(11)中,ui*是第i个功能函数的MPP,!gi(ui*)是功能函数gi(u)在ui*处的梯度。
由于u是独立的标准正态随机变量向量,式(11)中的近似函数是uj(j=1,…,10)的线性组合,由正态分布的特性可知gi(u)也必然服从正态分布,那么,gi(u)的数学期望和方差分别为
因此,gi(u)<0的概率为
式(13)中,αi=-▽gi(ui*)/‖▽gi(ui*)‖表示gi(u)=0曲面的近似切平面的外法线向量;βi为第i个功能函数的可靠度指数。可以看出,在获得第i个功能函数的可靠度指数βi和MPP的基础上,可以得到
结合式(14),可以通过功能函数相关系数表征不同失效模式的相关性,如下式所示。
结合式(14)和式(15),可以将式(8)简化为
式(16)中,β=(β1,…,β4)T;ρ=[ρij]4×4为相关系数矩阵,ρij=αiTαj;Φm(β;ρ)的表达式如式(17)所示
式(17)中,z=(z1,…,z4)T,zi=αiTu。
式(16)的求解最后将归结为式(17)所示的多维正态积分的计算,相应的计算方法有FOMN、PCM等方法及其改进方法[[12]等。
3.2 灵敏度计算方法
本文主要进行两类灵敏度分析:一是失效模式灵敏度,即各失效模式对系统可靠度的影响情况;二是随机变量灵敏度,即各随机变量对系统可靠度的影响情况。其中,失效模式灵敏度定义为β/βi(β为微加速度计的可靠度指数),可以采用向前差分方法进行计算
式(18)中,β'表示在βi增加微小波动Δβi情况下的可靠度指数,Δβi常取为0.1·βi。同样地,可以根据具体问题,采用向后差分或前后差分方式进行失效模式灵敏度的计算。
在进行随机变量灵敏度计算时,需要考虑随机变量之间具有相关性的一般情况,将随机变量重要性灵敏度定义为,其中,yj是等效标准正态空间的随机变量向量y=(y1,…,y10)T的第j个元素。由随机变量变换方法[9],可以得到y与独立标准正态空间的随机变量向量的关系
式(19)中,L为随机变量相关系数矩阵ρ0经过Cholesky分解得到的下三角矩阵。根据复合求导法则,可以得到
式(20)中,为失效模式灵敏度;为各失效模式关于随机变量的灵敏度,结合式(13)和式(19),可以得到其向量形式的表达式
若不考虑随机变量变量的相关性,则将等价于。至此可以看出,结合式(20)和式(21)就可以得到微加速度计可靠度指数关于随机变量的灵敏度。
需要指出的是,尽管在利用式(13)进行单个失效模式可靠性分析时,可以获得该失效模式的可靠度关于随机影响因素的灵敏度信息,但是它属于“局部”的灵敏度信息,无法直接用于评估随机影响因素对微加速度计的影响,因此,需要借助式(18)和式(21)进行随机影响因素的灵敏度分析。
3.3 计算过程与结果分析
各功能函数Gi(x)所考虑的随机变量分布类型及其参数如表1所示。
注:对于正态分布来说,参数1为均值,参数2为标准差。
各数学模型中其他设计参数(不考虑其随机性)及其取值如表2所示。
结合表1和表2的数据,以及式(7)所示的可靠性模型,利用一次二阶矩法对各失效模式进行可靠性分析,结果如表3所示。
依据式(15)获得的各失效模式相关性结果如表4所示。
依据式(16)获得多失效模式下的可靠度,并与蒙特卡洛法和不考虑失效模式相关性的方法进行对比,如表5所示。依据式(18)和式(21)获得的各失效模式重要度和随机变量灵敏度结果如表6所示。
由表4可以看出,前3个失效模式之间具有较强的相关性,前两个失效模式与第三个失效模式呈负相关。同时,在表5中,通过与蒙特卡洛法的计算结果相比,文中所用方法的结果相比不考虑失效相关性的结果较为准确。不过需要指出的是,由于文中所考虑的失效模式比较少,失效模式的相关性对可靠度结果仅有略微影响,但随着失效模式的增加,这种影响将会较为明显。由于可靠度结果较低,该传感器的设计方案显然不能满足可靠度要求(作为关键产品时可靠度要求一般取为0.999)。由表6可以看出,通过适当提高b和d0,或者可以通过适当降低l和b0,可提高微加速度计可靠度结果。
但是,根据表4的分析结果,这些变量数值的调整可能会带来不同失效模式可靠度结果“此涨彼消”的问题,例如提高b值可以提高第一个失效模式(G1)的可靠度,但却会降低第三个失效模式(G3)的可靠度。因此,最简单有效的办法还是控制各参数(尤其是b、d0、l和b0)的偏差,在将各参数的变异系数设定为0.05后,多失效模式可靠度结果将满足要求。当然,在具体的设计过程中,需要综合考虑各变量的重要程度,各失效模式的相关性,以及加工制造过程对变量变异性控制的难易程度等情况,制定具有针对性的可靠性提高措施。
4 结论
本文考虑刚度失效、黏附失效等4个失效模式的共同作用,进行微加速计的可靠性分析。建立了各失效模式的功能函数,进行针对单个失效模式的可靠性分析和各失效模式之间相关性的分析。以表征各失效模式的功能函数为基本组成单元,构建微加速度计的多失效模式可靠性预计模型,并对该模型进行求解,给出加速度计的可靠度、各失效模式灵敏度和随机影响因素灵敏度,为评估产品的可靠性水平、制定可靠性改进措施提供了依据。文中所用的方法与流程也可以用于其他MEMS产品的可靠性分析,为有关的可靠性设计分析提供借鉴和参考。
摘要：以梳齿式电容微加速度计为研究对象,开展考虑刚度失效、黏附失效等多个失效模式共同作用下的可靠性分析。首先,建立表征各失效模式的数学模型;并利用结构可靠度方法进行各失效模式的可靠性分析。然后,进行各失效模式的相关性分析,获得相关系数矩阵。最后,以各失效模式可靠性结果和相关系数矩阵为输入,建立微加速度计多失效模式可靠性分析模型;并进行相应的可靠性分析。一方面给出了微加速度计的可靠度,用于判别微加速计是否满足可靠度要求;另一方面给出了微加速度计各失效模式和各随机变量的量化的重要度排序,用于确定具有针对性的可靠性提高措施。
关键词：多失效模式,相关性,可靠度,可靠性分析,灵敏度分析
参考文献
[1] Iannacci J.Reliability of MEMS:a perspective on failure mechanisms,improvement solutions and best practices at development level.Advanced MEMS Technologies and Displays,2015;37:62—71
[2] Martowicz A,Uhl T.Reliability and performance-based robust design optimization of MEMS structures considering technological uncertainties.Mechanical Systems&Signal Processing,2012;(32):44—58
[3] Pathak R,Joshi S.Optimizing reliability modeling of MEMS devices based on their application.Work Journal of Modeling and Simulation,2011;(2):139—154
[4] Allen M S,Massad J E,Dyck C W.Input and design optimization under uncertainty to minimize the impact velocity of an electrostatically actuated MEMS switch.Journal of Vibration and Acoustics,2008;(130):91—99
[5] 董景新.微惯性仪表—微加速度计.北京:清华大学出版社,2003Dong Jingxin.Micro inertial instrument—micro accelerometer.Tsinghua University Press,2003
[6] 李燕斌.静电梳齿结构的MEMS分析和优化设计.武汉:华中科技大学,2008Li Yanbin.The simulation and optimization of electrostatic comb-finger structures of MEMS.Wu Han:Huazhong University of Science and Technology,2008
[7] 王立森.微加速度计的计算、模拟及力学分析.北京:中国科学院力学研究所,2001Wang Lisen.Mechanics simulation and analysis of micro accelerometer.Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,2001
[8] Torng T Y,Wu Y T,Millwater H R.Structural system reliability calculation using a probabilistic fault tree analysis method.Proc 33rd SDM Conf,Part 2,1992:603—613
[9] 秦权,林道锦,梅刚.结构可靠度随机有限元-理论及工程应用.北京:清华大学出版社,2006:161—178Qin Quan,Lin Daojin,Mei Gang.Stochastic finite element method for structural reliability-Theory and engineering applications.Beijing:Tsinghua University Press,2006:161—178
[10] Melchers R E.Structural reliability:analysis and prediction.Chichester,UK:John Wiley&Sons Ltd.,1999
[11] Pandey M D.An effective approximation to evaluate multinormal integrals.Structural Safety,1998;20:51—67
微加速度计 篇5
关键词：微电容加速度计,MEMS,MXT9030,微控制器
0 引言
加速度计 又称比力 传感器 , 是一种以 牛顿惯性 定律为理 论基础的 惯性器件 , 用来测量 运载体的 加速度值 。 加速度计 作为惯导 系统的关 键元件之 一 ,在军事 、航空 、 航天等多 个方面得 到了广泛 的应用 。
MEMS器件以其 微型化的 优势 , 在汽车 、 电子 、 家电 、机电等行 业和军事 领域越来 越突显出 广阔的应 用前景 ,尤其是近 些年来随 着航天和 武器装备 技术的不 断发展 ,更加要求 电子系统 小型化 、低成本和 高可靠 。
电容式加 速度计是 一种典型 的MEMS器件 , 主要由敏 感质量块 和检测电 路两部分 组成 。 敏感质量 块所承受 的加速度 能使其产 生位移 , 导致电容 大小发生 变化 ,检测电路 能将检测 到的电容 变化转换 成电压变 化 ,从而将被 测非电学 的加速度 信号转换 成电信号 。 由于微加 速度计结 构的微型 化 , 其电容总 量一般在 几十个皮 法内 ,电容变化 量则更小 ,因此要求 检测电路 必须具有 非常高的 灵敏度才 能准确地 检测出该 信号 。 本文所述 的一种电 容式微加 速度计具 有典型的 三明治结 构 ( 如图1), 采用北京 时代民芯 科技有限 公司的电 容检测芯 片MXT9030作为检测 电路的主 要组成部 分 ,并使用微 控制器配 合来实现 对该芯片 的内部参 数的调节 和配置 ,使加速度 计整体系 统能够达 到最佳工 作状态 。
1 差分电容检测原理
如图1所示 , 在微加速 度计中 ,M是面积为S敏感质量 块 ,与上 、下固定电 极构成差 分电容 。
当外部加 速度为0时 , 质量块位 于中间平 衡位置 ,与上 、 下极板间 的原始距 离均为d0, 块 - 板间电容C1 = C2 = C0 = εε0S / d0; 当有加速 度作用于 加速度计 时 , 敏感质量 块偏离平 衡位置 ,产生位移 △d,C1≠C2。 假设产生 向上的位 移 ,则有 :
由于结构 应力和静 电力反馈 , 质量块位 移较小 ,△d远远小于d0, 忽略高次 项可得 :
通过式 (3)检测出差 分电容 △C,就可得到 加速度信 号的大小 和方向 。
为检测加 速度 , 通常在上 、 下固定极 板上分别 施加互补 (相位相差180°)的高频方 波信号VS, Vout1、 Vout2分别表示 上 、 下极板与M间的输出 信号 , 综合以上 几个公式 ,可得知上 、下极板间 输出的交 流感应信 号Vout:
接口电路将敏感质量块上的交流电压信号放大,经解调电路解调后,由滤波电路输出一个与加速度一致的电压信号。
2 微弱电容信号检测电路
本文设计 的微弱电 容信号检 测电路的 功能框图 如图2所示 。
MXT9030是一种高精度的电容 - 电压转换电路 , 对输入信号可进行数字可编程调节与补偿。 该电路主要用于差分电容传感器、微机械压力传感器、流体传感与控制、便携式传感器等传感器应用领域。
MXT9030是一种适 用于差分 电容传感 器的可编程信号转换器件, 模拟信号通道对传感器信号进行放大 ,并为零位 、跨距 、零位漂移 、跨距漂移 和传感器线 性误差提供 数字校正 ,通过设置 芯片上的 寄存器值 实现 。 MXT9030的内部工 作原理图 如图3所示 。
从图3中可以看 到 ,电容CS1、 CS2的电荷量 依靠C-V转换器进 行读出 ,具体过程 是通过发 送方波到C1和C2上作为驱 动 ,然后读出 从CM中转移出 来的电荷 量以进行 下一步处 理 。 引脚REF在默认情 况下与输 出放大器 相连接 , 产生的VREF作为内部 参考 , 它的值必 须接近 ( VDD+ VSS) / 2 。
具体工作 流程如下 :MXT9030是基于模 拟信号通 道并通过 数字控制 来实现电 容信号到 电压信号 的转换 ,通过电路 中的配置 参数实现 对非线性 和偏置等 误差的调 整补偿 。 电容到电 压的转换 由两个阶 段完成 ,第一个阶 段是电容 - 电压的转 换阶段 , 系统通过 对寄存器COFF、 CCOMP的设置来 实现偏置 的补偿 , 通过寄存 器CNOM、 CDEN实现非线 性的补偿 ; 第二阶段 是增益放 大阶段 , 其中增益 的设置通 过寄存器GAINH,GAINL来控制 , 并通过对 寄存器ROFF的设置实 现精细偏 置校准 。 当CS1= CS2时 ,输出电压 等于内部 参考电压VREF( VOFF为0)。 因此可以 依据VOUT- VREF的值来检 测CS1, CS2是否相等 。 此外 ,MXT9030提供一个 两线数字 接口用于 对其内部 寄存器的 读与写 。 该接口为 双向的 ,MXT9030总是从属 设备 。 SCK引脚用于 时钟 ,SDA引脚是双 向引脚用 于传输数 据 。 在开始传 输数据之 前有一个 开始条件 ( 读和写命 令 ), 即当SCK总是高电 平时 ,SDA有一个从 高电平到 低电平的 下降沿 。
3 微控 制器
微控制器 选择的是 北京时代 民芯科技 有限公司 的MXT430电路 , 其原理如 图4所示 。 微控制器 采用低功 耗设计和16位精简指 令结构 , 具有5种低功耗 模式 ;CPU内置16位寄存器 及常数发 生器 , 能够实现 最高的代 码效率 ; 锁频环FLL+ 和数控振 荡器使得 微处理器 能在6微秒内从 低功耗模 式快速切 换到工作 模式 ;该微控制 器配置有 两个内置16位定时器 、 一个比较 器 、 一个SCAN接口模块 、96段LCD驱动器和48个I/O引脚 。
MXT430可与传感器 构成数据 采集系统 , 捕获模拟 信号并转换为数字信号,处理数字信号并传送到主系统中。
4 应用 分析
本电路输 出电压与 待测电容 的关系为 :
将传感器 电容值和 微控制器 配置参数 代入以上 公式 ,即可求出 电路的最 终输出 。 其中 ,VM为C-V转换后得 到的电压 输出 ,VOFF为偏置电 压 ,VREF为参考电 压 , CCOMP为非线性 补偿电容 。
本文搭建 的加速度 计系统进 行了两方 面的测试 , 一是在静 态条件下 ,MEMS传感器受 到加速度 为0 g, 通过改变MXT9030电路的寄 存器参数 配置 , 查看电路 输出值 , 结果显示 各配置字 有效地调 节了电路 参数 , 电路功能 正常 ; 二是对量 程为±60 g的加速度 计系统进 行动态测试 , 测试仪器 为离心机 , 在不同加 速度条件 下测量电 路输出值 ,然后对数 据进行处 理 ,得到各阶 系数及残 差 , 如表1所示 。
该实验表 明 ,MXT9030电路用于 电容差分 信号检测 ,可检测电 容范围大 ,可调整参 数多 ,能对传感 器误差进 行较大程 度的补偿 ,而且电路 转换精度 高 ,可靠性强 。
5结论
“微金融”加速 篇6
中国银联与中国移动宣布同打造的移动支付平台上线。新华社记者李鑫摄
7月18日, 新浪支付副总经理戴庚在某银行业论坛上对外公开了一项雄心勃勃的计划:新浪微博将建立“微银行”体系, 通过提供线上“虚拟贵宾室”, 新浪微博用户可在微博平台上完成开户、转帐、信用卡还款、汇款、投资理财等服务。
作为国内最大的微博平台运营商, 如何把注册用户超三亿的新浪微博变成现金奶牛, 一直是新浪公司梦寐以求的目标。所以, 在远景规划中, 新浪微银行还计划整合新浪微博的大数据分析、数据流、云计算、社交关系等资源。
当然, 全民理财时代, 新浪的微银行中还会售卖必不可少的投资理财产品, 即将上线的新版新浪微博客户端甚至要推出个人用户的钱包、卡包功能, 钱包将支持手机充值、水电煤缴费等, 卡包将包含会员卡优惠券的领取和购买功能。
新浪微银行梦想披露后备受市场瞩目, 这多少和此前阿里巴巴集团旗下支付宝与天弘基金联手打造的“余额宝”极度火爆有关。
从余额宝到微银行
2013年6月13日, “余额宝”服务悄然上线, 它是由阿里巴巴旗下第三方支付平台支付宝联合天弘基金打造的一项余额增值服务。
简言之, 通过余额宝, 用户在支付宝网站内就可以直接购买基金等理财产品, 获得相对较高的收益, 同时余额宝内的资金还能随时用于网上购物、支付宝转账等支付功能。通过“余额宝”, 用户存留在支付宝的资金不仅能拿到“投资收益”, 而且和银行活期存款利息相比收益更高。
余额宝上线后获得了强烈追捧, 支付宝和天弘基金在推出后不久宣布, 余额宝的用户数截至2013年6月18日晚上9点30分已经突破100万, 这距离余额宝上线还不到6天时间;截至6月30日, 天弘基金牵手支付宝在余额宝平台上推出的天弘增利宝基金客户数达251.56万户, 累计申购金额达66.01亿元, 累计申购笔数286.91万笔。
公开报道显示, 截至7月下旬, 余额宝基金客户数已超400万户, 成为国内用户数最大的货币基金。
余额宝推出后立即引发了市场跟风, 东方财富网全资子公司天天基金网在极短时间内就推出了“活期宝”, 可以购买南方、华安旗下的货币基金;数米基金网推出了“数米现金宝”, 购买的是海富通货币基金A产品;而众禄基金推出了“众禄现金宝”, 可以实现与几十只货币基金功能对接。
这几款产品中, 活期宝影响力较大, 而东方财富网对自己的“儿子”活期宝宣传可谓不遗余力, 登陆其网站后会在最醒目的位置看到余额宝的诱人宣传:“活期宝每万份收益1.6372元, 7日年化收益率为4.4310%, 为活期存款12.66倍, 7月1日至今充值超20亿!”
“低端理财”的魅力
嫌贫爱富是银行理财产品的一个主要特点, 而信托类理财产品基本上是百万、千万身价大客户专享理财产品。不管是新浪的微银行、支付宝的余额宝还是东方财富网的活期宝, 他们的目标客户都是普通人的小份额闲钱, 有人甚至把这种新兴理财定义为“丝理财”, 其实是种对低端客户的挪揄, 但也十分传神。
数据或许更有说服力:根据天弘基金官方数据, 余额宝的户均持有金额为1912.67元。
7月下旬的最新数据显示, 余额宝基金客户数已超400万户, 成为国内用户数最大的货币基金, 尽管每笔申购额非常低, 平均每笔只有两三千元, 但并不妨碍其申购额突破100亿元, 远远超过此前市场预期。
户均投入两三千元的屌丝能成气候吗?海通证券报告比较乐观, 它们认为, 目前支付宝注册用户有8亿, 假设其中10%为活跃客户, 则余额宝的潜在客户可达8000万。按目前户均余额2000元计算, 余额宝潜在规模约为1600亿。若一次计算, 新浪微博三亿注册用户, 按照10%的活跃用户计算, 潜在客户达3000万!
为了吸引低端客户, 余额宝和活期宝都把门槛降到了最低:活期宝单笔充值最低金额仅为100元;而余额宝对于用户的最低购买金额没有限制, 一元钱就能起买, 并宣传自己的目标是让那些零花钱也通获得增值的机会, 让用户哪怕一两元、一两百元都能享受到理财的快乐。
真要是拿一两元钱去理财, 估计未必能体会到理财的快乐, 但超低门槛的设置以及便捷的服务条款设置, 则为网民称道。
《中国传媒科技》调查发现, 以余额宝为例, 它不仅能够提供高收益, 还全面支持网购消费、支付宝转账等几乎所有的支付宝功能, 这意味着资金在余额宝中一方面在时刻保持高于银行活期利率增值, 另一方面又能随时用于消费。
与支付宝余额宝合作的天弘增利宝货币基金, 支持T+0实时赎回, 与此同时, 转入支付宝余额宝中的资金可以随时转出至支付宝余额, 实时到帐无手续费, 也可直接提现到银行卡。
相对于代低端客户而言, 有限的资金在理财同时, 能否不影响随时使用, 也是他们考虑的一个重要因素。
活期宝的设计颇为暖心:随用随取1秒到账, 而且手续费为“零”, 支持7×24小时随时取现。此外, 用户通过“活期宝”在天天基金网已经合作的14家银行卡之间来回转账, 而不收取任何手续费。
不得不提的还有腾讯:它的QQ的1.7亿同时在线, 微信也有3亿用户, 如果它的用户也通过腾讯的微金融产品理财, 结果会是怎样?
调查发现, 目前, 在国内互联网公司中, 腾讯、百度、阿里巴巴、新浪、网易、盛大六家企业都推出了自己的支付工具。而超低门槛, 诸多便利, 上述理财路径的出现赢得互联网上一片赞誉, 但商业性质的网媒和互联网公司显然不会当“雷锋”, 它们的终极目的究竟是什么?
蹒跚学步
当互联网金融做的风生水起, 传统银行业与第三方支付之间的博弈也在继续。
新浪支付副总经理戴庚的关于新郎微银行即将出炉的言论有一个前提:两周前的7月6日, 新浪旗下北京新浪支付科技有限公司刚刚获得央行发放的新一轮支付牌照。业务范围包括:互联网支付、移动电话支付。同时获得上述牌照的还有百度旗下的北京百付宝科技有限公司也获得了牌照。
作为世界上对金融业管制最严厉的国家之一, 未经中国人民银行批准, 任何机构或个人都不得擅自从事金融业务。余额宝和活期宝等业务的成行, 依然依赖于传统基金公司的已获批金融业务, 只不过插上了互联网的翅膀。
以活期宝为例, 销售方天天基金网是中国A股首家财经门户网站—东方财富网旗下全资子公司, 同时也是证监会批准的首批独立基金销售机构, 充值活期宝其实是向基金公司等机构购买相应货币基金。其理财的实质是, 活期宝收集的资金用于购买南方现金增利货币A和华安现金富利货币A两只货币基金。
货币基金主要投资于到期时间在397天以内的国债, 央票, 大额银行存单等, 都是低风险的投资品种。投资者使用活期宝功能可在拥有活期便利的同时, 获得超越定期的收益。
余额宝的合作金融机构为天弘基金, 其服务实质是将基金公司的基金直销系统内置到支付宝网站中, 用户在支付宝账户管理里面将资金转入余额宝, 实际上是进行够买天弘公司的货币基金, 相应资金均由基金公司进行管理, 余额宝的收益也不是“利息”, 而是用户购买货币基金的收益,
金融对于互联网公司的诱惑有多大?活期宝的实际控制者、上市公司、同时也是国内最好几个财经网站之一的东方财富信息股份有限公司, 2012年净利润为3758万元, 而工商银行2012年净利润为2385亿元, 日赚6.5亿元。
尽管脚踩五彩祥云华丽登场而来, 网媒的微金融梦想市场究竟有多大, “腿”能伸多长, 依然是个未知数。
国泰君安证券的调研报告认为, 东方财富网第三方基金销售业务大幅增长, 互联网金融创新持续推进。2013上半年公司第三方基金销售额21.79亿元, 为2012年全年30倍;新推出的"活期宝"业务日均销售额约7000万元, 远超市场预期。因此, 尽管公司目前盈利较差, 但新商业模式的建立或将颠覆原有市场开拓出巨大的空间。国泰君安同时提示了风险:互联网金融盈利模式尚不清晰;市场竞争加剧。
对于第三方支付是否转型为银行, 有第三方支付的业内人士表示:永远不会, 也不想变成商业银行, 因为那样就会跟商业银行竞争。
据此, 业内人士也有不同观点, 银行三个最基本的要素是存、贷、汇, 而第三方支付是做了贷和汇, 没有存款, 做存款需要申请银行牌照, 银监会就会监管, 那第三方支付和银行就在一个起跑线上。
对于新兴支付工具, 银监会创新监管部主任王岩岫接受某媒体采访时认为, 新型的支付工具会颠覆传统的银行经营模式, 这还为时过早。传统的金融模式还是非常有竞争力的。
中国银行电子银行部助理总经理董俊峰则认为网媒通过支付工具介入金融, 让银行也享受到了第三方支付所带来的增量市场, 阿里巴巴、淘宝、微信成为银行金融产品互联网的入口, 给银行带来新的机会。
微加速度计 篇7
生理性微震颤是人与生俱来的运动时固有的一种肢体小幅度振动, 一般情况下生理性微震颤对人们的影响非常小, 但是在某些需要精确操作的场合, 如人在回路的导弹攻击操作等, 生理性微震颤的影响是不能忽视的[1,2], 必须考虑由生理性微震颤给操作所带来的不精确性和不稳定性。另外, 随着智能电子设备的普及, 人在回路的导弹攻击操作, 生理性微震颤对于摄像机、瞄准系统和手写设备输入的影响也同样不容忽视。因此, 开发简单、易用、廉价的震颤抑制系统有着较强的现实意义。
1 微震颤测量单元的方案设计
本文设计的震颤测量单元采用3个双轴加速度计和一个三轴加速度计构成的全加速度计惯性测量系统, 加速度计的安装示意图如图1所示, 3个双轴加速度计安装在彼此相邻的立方体的面中心处, 三轴加速度计的中心位于立方体的中心, 这种配置方式在角速度的解算算法中, 充分利用了9加速度计配置方案输出的冗余信息, 角速度的大小由开方得到, 角速度的方向通过判断角加速度的大小来确定, 避免了由积分求取角速度所带来的累积误差[3]。加速度计选择ADXL203双轴加速度计和KXR94-2283三轴加速度计, 震颤测量单元的试验样机如图2所示。
2 加速度计输出的比力方程
设{b}为载体坐标系, {i}为惯性坐标系, 载体坐标系以载体质心为坐标原点, 惯性坐标系以地面选定的参考点作为坐标原点, 其中载体坐标系的坐标轴方向与放置在载体系质心的三轴加速度计的敏感轴同向, 如图1所示。初始时刻, 载体系与惯性系重合。
设载体上任一点在载体坐标系中用矢径r表示, 在惯性坐标系中用矢径R′表示, 载体坐标系原点在惯性坐标系中用矢径R表示, r、R、R′之间的相互关系如图3所示, 有:
由哥氏定理, 对式 (1) 求导:
式中ωib为载体系在惯性系中转动的角速度。
式中:Ai为载体质心处的比力;Gi为地球引力加速度;f i为载体系上任一点处的比力。
结合式 (3) 、式 (4) 、式 (5) , 载体上任一点处的比力为:
对图4中加速度计各个敏感轴应用比力方程, 有:
式中:fij为编号为i的加速度计在敏感轴j方向上测量的比力;Aij为编号为i的加速度计在惯性坐标系j方向的加速度;ribj为编号为i的加速度计矢径在载体坐标系j方向上的投影;ωij为载体系的角速度在惯性系j方向上的分量。
在图4中, 由加速度计之间的相对位置关系可以得到:
式中:l为加速度计敏感轴中心与载体系坐标原点之间的距离。
在理论上, 在方向j上, Aij是相同的。由式 (7) 和式 (8) , 对敏感轴同向的比力方程进行运算, 消除加速度的平方项, 带入相应的值, 可以得到:
对式 (9) 进行变换, 分别得到角速度的平方、微分和交叉乘积:
在本文设计的震颤测量系统中, 加速度的测量存在较多的冗余信息, 载体系每一个方向上的加速度均有3个测量值, 为了全面利用测量信息, 提高测量精度, 设载体在3个方向上的加速度用式 (11) 表示:
式中:ki为编号为i的加速度计测量值的可信度;σAij为编号为i的加速度计j敏感轴方向上测量值的标准差;
可信度ki的计算涉及到安装误差及其它因素, 由于3个双轴加速度计为同一型号, ki近似取为1/3。
从式 (10) 可以看出, 角速度的求解可以采用积分和开方两种方式, 其中开方可以直接对角速度平方项取平方根, 也可以对相邻两轴角速度的乘积项做代数运算, 然后取平方根。利用积分法求解角速度会出现累积误差, 尽管所使用的加速度计精度较高, 但加速度计的零漂不稳定, 所引入的误差会随着积分而不断累积, 且由此带来的误差没有边界;利用开方求解角速度时, 虽然不会带来累计误差, 但是角速度的符号无法直接由计算得到, 需要通过其它辅助手段确定。将积分法和开方法结合起来求解角速度, 可以在一定程度上避免单独使用开方法或积分法求解角速度所带来的问题。从文献[4]和[5]中可知, 在积分法求解角速度的过程中, 其主要误差来源于加速度计输出的零漂。零漂属于随机误差, 尽管可以通过硬件在试验前进行调整, 但加速度计的零漂并不能完全消除。从所选择的加速度计的手册和所确定的输出带宽可以得到两种加速度计所引入的噪声的有效值分别为
利用MATLAB对角速度解算进行仿真。仿真中, 利用反求方法, 通过设定载体的角速度来获得加速度输出数据, 在解算出的加速度计输出值的基础上, ADXL203加上有效值为0.97 mg的高斯白噪声, KXR94-2283加上有效值为0.4 mg的高斯白噪声, 利用开方法和积分法各自计算出的角速度误差如图5所示, 可以看出, 在角速度较小时, 积分法角速度的解算值比较接近于真实值, 而开方法角速度解算值的误差较大;当角速度大于0.08 rad/s时, 开方法角速度解算值的精度要优于积分法角速度的解算值。因此, 在角速度的解算中, 以0.08 rad/s为分隔点, 有选择地选取开方法和积分法计算的数值作为实际角速度的数值, 即
3 捷联矩阵即时修正算法
在震颤测量中, 采用捷联矩阵将载体系下的加速度和角速度转变为惯性系下的绝对加速度和角速度, 测定载体的姿态。设捷联矩阵为T, 则载体系与惯性系之间的转换关系为:
在测量过程中, 需要不断地对捷联矩阵T进行修正, 修正算法很多, 主要有方向余弦算法、欧拉角变换算法和四元数算法等[6]。本文采用四元数算法, 便于数值积分求解。
四元数由一个实数和三个虚数构成, 表达式[7]为
由欧拉定理可知, 具有固定点的刚体, 其位置的变化可以通过刚体绕通过固定点的旋转轴转过一定的角度得到。
设刚体绕旋转轴转过θ角, 轴线在参考系中的方向余弦分别为cosα、cosβ、cosγ, 则转轴的方向可以表示为:
该转动用四元数表示为:
从四元数的表示形式中可以看出, 四元数既包含了转轴的方向, 也包含了转角的大小。捷联矩阵的四元数表示形式为[7]
对式 (19) , 只要知道了四元数中的4个元, 即可求出捷联矩阵。载体坐标系时刻都在变化, 因此, 捷联矩阵也在时刻变化。捷联矩阵中四元数与角速度的关系为如下式所示[7]
由式 (10) 可以求出ωx、ωy、ωz, 从而得到关于四元数的微分方程组。
用式 (19) 来简写式 (18) 。关于式 (19) 所表示的微分方程组, 利用四阶龙格———库塔进行数值求解, 迭代过程为:
在使用式 (20) 进行迭代的过程中, 需要初始时刻的值。根据坐标系的定义, 参数的初始值为
根据四元数的定义, 有:
结合式 (20) 和实时求解的角速度, 即可实时计算出捷联矩阵, 求出载体系下的物理量在载体系下的表示。
4 载体绝对位置的求解
根据捷联矩阵, 加速度在惯性系中表示为
载体系上任一点任一时刻在惯性系中相对于载体系原点可以表示为ri=T·rb。 (24)
式中:ri为载体系上一点在惯性系中的矢量;rb为载体系上一点在载体系中的矢量。
载体系上任一点在任一时刻的位置可以表示为
5 结论
本文对生理性微震颤及其对精确操作的影响进行研究和分析, 对基于惯性测量原理的生理性微震颤测试技术进行研究;设计了基于全加速度计惯性测量单元的生理性微震颤测量方案并研制了实验样机, 惯性测量单元采用9加速度计的配置方式, 避免了求解微分方程组;角速度的解算采用积分———开方融合算法, 解决了积分法求解角速度时误差累计的问题, 提高了测量的精度;用来实现物理量坐标系转换的捷联矩阵的求解采用四元数方法, 这种方法易于在实时系统上实现。
参考文献
[1]Win T L, Tan U X, Shee C Y, et al.Design and Calibration of an Optical Micro Motion Sensing System for Micromanipulation Tasks[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation, Roma, Italy, 2007:3383-3388.
[2]Ang W T, Riviere C N, Khosla P K.Design and Implementation of Active Error Canceling in Hand-held Microsurgical Instrument[C]//International Conference on Intelligent Robots and Systems, Maui, USA, 2001:1106-1111.
[3]王劲松, 王祁, 孙圣和.无陀螺微惯性测量组合的优化算法研究[J].哈尔滨工业大学学报, 2002, 34 (5) :632-635.
[4]赵国荣, 陈穆清.一种用于九角速度计GFSINS的姿态角速度辅助算法[J].系统仿真学报, 2007, 19 (14) :3350-3353.
[5]刘涛, 赵国荣, 潘爽.无陀螺捷联惯导系统角速度解算的新方法[J].系统工程与电子技术, 2010, 32 (1) :162-165.
[6]陈哲.捷联惯导系统原理[M].北京:宇航出版社, 1986:885.
[7]朱家海.惯性导航[M].北京:国防工业出版社, 2008:209-213.
[8]Rocon E, Ruiz A F, Pons J L.Rehabilitation Robotics:a Wearable Exo-skeleton for Tremor Assessment and Suppression[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation, Barcelona, Spain, 2005:2271-2272.
[9]柳迪.消除手术机器人人手抖动问题的研究[D].天津:天津大学, 2009.
微加速度计 篇8
关键词：三明治微加速度计,温度漂移,敏感结构,热膨胀
0 引言
基于微机械工艺的三明治型微加速度计具有体积小、功耗低、灵敏度高、结构简单等优点[1,2], 是目前一种获得广泛研究与关注的微加速度计。但在某些高性能应用场合, 其输出随温度的漂移仍不能满足使用要求。针对此漂移现象, 有研究者认为结构不对称、残余应力、材料匹配、工艺误差、电路等原因均有可能引起漂移[3,4], 但是, 其中哪个是主导因素, 以及其引起漂移的物理机制尚不明确。中国科学院上海微系统研究所通过工艺的改进, 实现了更好的结构对称[5,6], 从而减小了其漂移。本文针对三明治微加速度计的温度漂移现象, 分析器件结构未严格对称的情况下, 敏感结构弹性梁、敏感质量块在工作后温度升高热膨胀引起的力学与电学平衡关系改变, 由此展开对温度漂移的研究。
1 物理模型
1.1 弹性梁-敏感质量块体系所遵循的力学、电学平衡关系
基于微机械工艺的三明治型微加速度计, 在弹性梁-敏感质量块体系完全对称的情况下, 温度致使该结构热膨胀引起的电容改变将会引起上下敏感电容的同时变化。由于微加速度计采用差分电容检测方式, 该变化对其输出无影响。通常情况下, 由于工艺误差, 连接敏感质量块的弹性梁都会偏离中心微小位置, 记为Δd。在闭环反馈后, 由于电路的作用, 上下敏感电容将回复到某一固定位置, 因此敏感质量块将会相对原位置产生倾斜, 如图1所示。其中, Fe为敏感质量块所受的静电力, Fa是外界作用在敏感质量块上的惯性力, 包括重力;F、M分别为弹性梁作用在敏感质量块上的作用力与弯矩, 相应地, F′、M′是敏感质量块作用于弹性梁上的反作用力和弯矩, Lb0、L0分别为弹性梁和敏感质量块温度未变化时的初始长度。
对敏感质量块, 其力学平衡关系为
即
同时, 合力矩为
因敏感质量块相对于y轴的倾斜角很小, 由式 (3) 可得
由式 (1) ~式 (4) , 并根据作用力与反作用力的关系, 可解得弹性梁末端B点敏感质量块作用于弹性梁的作用力与弯矩。进一步, 可得到弹性梁上沿y方向的弯矩:
对式 (5) 积分, 得到B点处的转角:
式中, E为硅的杨氏模量;I为弹性梁的截面惯性矩。
进一步, 对转角积分, 可得到B点的挠度:
式 (6) 与式 (7) 即为敏感质量块上作用力大小为Fe-Fa时, 弹性梁末端挠度与转角须遵守的力学平衡关系。
另一方面, 在闭环伺服反馈电路的作用下, 上下敏感电容应遵循一定的关系, 如图2所示。由于敏感质量块尺寸远大于弹性梁尺寸, 敏感质量块作刚体处理。
敏感质量块上表面与上极板形成的电容为
式中, β为敏感质量块在x方向的宽度;d1 (x, y) 敏感质量块上表面与上极板之间的距离。
因敏感质量块宽度沿y方向无变化, 式 (8) 可改写为
由图2所示的几何关系, 可知
式中, d0为理想电容间距。
敏感质量块下表面与下极板形成的电容为
同理
其中
在微加速度计工作在闭环伺服反馈的条件下, 上下敏感电容基本相等, 但由于杂散电容等原因, 两电容存在微小差别:
式中, Ck为杂散电容值。
由式 (8) ~式 (14) , 可解得
进一步变形, 可得
式 (16) 即为上下敏感电容有一固定差值Ck时, 弹性梁末端挠度w与转角θ应遵循的电学平衡关系。
1.2 温度变化致敏感结构受热膨胀后的再平衡关系
温度T升高后, 弹性梁伸长为
式中, α为硅的热膨胀系数;ΔT为温度变化量;Lb (T) 为弹性梁温度变化后的长度。
同时, 敏感质量块长度L (T) 也发生变化:
此时, 当敏感质量块上电压未变化, 即静电力未变化时, 依据材料力学原理, Lb和L随温度的改变将引起弹性梁末端挠度w和转角θ的变化:
式 (19) 、式 (20) 为敏感结构热膨胀后, 弹性梁末端挠度w和转角θ须满足的力学平衡关系。由于温度变化引起L (T) 、Lb (T) 的改变, 导致挠度w和转角θ的变动。因此上下敏感电容值也随着改变, 读出电路将使敏感质量块上电压发生变化, 从而静电力改变, 直至静电力与外加惯性力和弹性梁给予敏感质量块的反作用力平衡, 并且平衡时, 须满足电学平衡关系, 即上下敏感电容接近相等, 由 (16) 可得
2 实验与分析讨论
采用如上所述的三明治型微加速度计进行实验, 部分参数如表1所示。
首先进行初始零偏值的确定实验。在室温下, 对以上结构加速度计样品, 采用上下固定电极偏置电压分别为±10V的接口电路, 进行图3所示的各个敏感方向实验。方向1和方向2分别表示加速度计正向放置和反向放置, 即受到±g的加速度;方向3表示受到大小为0的加速度, 并且, 分别测量弹性梁1和弹性梁2在上面的状态 (图3) 。在以上各方向均为60min后待输出稳定采集数据, 由此分别得到输出电压V1、V2、V3和V4, 其中V1对应的加速度为+g, V2对应的加速度为-g, V3和V4分别对应加速度为0的两个状态的输出。将以上电压代入静电力公式, 可得作用在敏感质量块上的静电力Fe:
由图1可知, 敏感质量块所受的合力为FeFa。对正向和反向放置实验, Fa=±mg (m为敏感质量块的质量) 。但由于微细加工误差, 敏感质量块实际质量未知, 因此, 无法求得此时敏感质量块上的合外力。本文将加速度为±g状态的输出取平均, 得到加速度为0时的电压输出值。由此, 取、V3、V4作为零偏时的电压输出值, 将获得的Fe代入式 (6) 、式 (7) , 得到弹性梁末端的3组挠度值w与θ。将以上获得的挠度值w与θ代入式 (16) , 解方程组, 可得实验微加速度计弹性梁初始偏离中点位置Δd和杂散电容Ck。
其次进行温度漂移实验。将加速度计样品以图3所示的各个状态放入温度控制箱进行实验, 实验装置如图4所示。将温度控制箱依次从室温31℃加热到41℃、51℃、61℃和71℃时, 在各温度点60min后待微加速度计输出稳定再记录其输出值, 这里, 取、V3、V4的平均值作为该温度的加速度计输出值, 并根据后续测量的灵敏度换算为等效加速度, 示于图5之中。图5中, gn为标准重力加速度。
再次进行电路温度漂移实验。因传感器温度漂移既与结构变形有关, 也与电路温度特性有关, 为去除电路的影响, 单独对电路进行了温度漂移测试, 测得其温度漂移小于0.3mV/10℃。
同时, 通过转台进行了灵敏度与量程的测试, 1号、2号、3号加速度计的灵敏度分别为24.1mV/g、23.8mV/g和24.5mV/g, 量程分别为61.4g、62.2g和60.1g。
在由实验获得的Δd与Ck基础上, 将以上两值代入式 (21) , 即可获得温度变化时, 要使敏感电容保持固定差值Ck时的弹性梁末端挠度w与转角θ关系。并且, 当温度变化时, L (T) 随之变化, 形成曲线簇, 此即电学平衡关系曲线如图6所示。
变化Fe-Fa值, 根据式 (19) 、式 (20) 得到敏感质量块上力变化时弹性梁末端挠度与转角所满足的力学关系。
两平衡曲线的交点即可获得微加速度计的最终平衡点。随着温度的变化, 此平衡点因之改变。根据平衡点敏感质量块上的力可得其上的电压, 即微加速度计的输出。这些随温度变化的输出形成了漂移。进一步, 根据微加速度计的灵敏度, 可折算得到其对应的加速度漂移值。最终结果如图5虚线所示。
由图5可见, 根据以上计算敏感结构热膨胀引起的输出变化每10℃不超过0.002gn, 而同时, 实验测量值为每10℃变化约 (0.1~0.2) gn。考虑到电路的温漂, 最大不超过0.015gn。由此可见, 敏感结构热膨胀加上电路最大温漂仍远小于实测微加速度计漂移。该结果说明结构的热膨胀不是微加速度计漂移的主导原因。
事实上, 在正向、反向与水平放置加速度计时, 由于实验中夹具、PCB安装、加速度计表芯在管壳中的粘贴方位等因素, 其对应的状态不可能为理想的±g和0, 因此, 会带来Δd和Ck的误差。但是, 该误差仅会引起初始零偏输出的变化, 而对敏感结构引起热漂移的作用, 依据本文力学平衡与电学平衡交点随温度的变化, 该误差在各温度点带来的输出改变仅在10-4gn量级。因此, 实验中零偏值的误差对敏感结构热膨胀引起的输出漂移影响甚微。
3 结束语
本文分析了弹性梁、敏感质量块在温度变化后热膨胀引起的几何尺寸变化, 并导出了该变化导致的力学和电学平衡关系改变。依据两个平衡关系, 得到微加速度计在温度变化每10℃的情况下, 输出漂移不超过0.002gn。同时, 实验显示微加速度计在温度变化每10℃的情况下, 输出漂移为 (0.1~0.2) gn。研究表明, 弹性梁、敏感质量块由于温度引起热膨胀不是微加速度计温度漂移的主要因素, 研究结果为三明治型微加速度计的温度漂移进一步研究提供了参考。
参考文献
[1]Hu Qifang, Gao Chengchen, Hao Yilong, et al.LowCross-axis Sensitivity Micro-gravity Microelec-tromechanical System Sandwich Capacitance Accel-erometer[J].Micro&Nano Letters, 2011, 6 (7) :510-514.
[2]Xiao Fei, Che Lufeng, Fan Kebin, et al.A NewSymmetrical Beam-Mass Structure for Accelerom-eters by Anisotropic Etching without Convex CornerCompensation[C]//Proceedings of the 3rd IEEEInt.Conf.on Nano/Micro Engineered and Molecu-lar Systems.Sanya, 2008:1059-1062.
[3]Zwahlen P, Nguyen A M, Dong Yufeng, et al.Navigation Grade Mems Accelerometer[C]//Pro-ceedings of the IEEE International Conference onMicro Electro Mechanical Systems (MEMS) .HongKong, 2010:631-634.
[4]Dong Y, Zwahlen P, Nguyen A M, et al.Ultrahigh Precision MEMS Accelerometer[C]//16th International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, Transducers’11.Beijing, 2011:695-698.
[5]徐玮鹤, 林友玲, 车录锋, 等.一种圆片级硅三层键合的三明治加速度传感器[J].传感技术学报, 2008, 21 (2) :230-232.Xu Weihe, Lin Youling, Che Lufen, et al.A Sandwich Accelerometer by Wafer-Level Silicon Three-Layer Bonding[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2008, 21 (2) :230-232
微加速度计 篇9
关键词：加速器,加速器拉索,集成,汽车
1 当前形势和研发初衷
从国际上来看,汽车加速器分总成已是成熟技术,加速器分总成的模块化开发已在汽车行业中广泛应用。加速器分总成的模块化生产,由三个部件集成为二个部件,有效隔绝了配合连结过多引起的振动干扰,无论是怠速还是行驶时感觉振颤都很小,加减速都相当平稳。在技术水平上,与日本、美国、德国、法国的水平基本接近,但由于这些发达国家的技术封锁,限制对我国的技术输出,我国的技术水平与发达国家尚有比较大的差距。
目前,国际上汽车零配件的开发往模块化、集成化方向发展,配合世界各大汽车公司进行大规模、大批量生产,本项目设计研发的加速器分总成正符合上述发展趋势的要求。
从国内上来看,传统汽车加速器分总成分别由踏板组件、上盖组件及加速器拉索总成三部分组成,而且三部份部件分别由几家不同供应商提供给主机厂,因此产品匹配、稳定性、可靠性方面存在较多问题。国内目前也有一些厂家采用模块化生产加速器分总成,但普遍情况都不太理想,要么加速器上盖组件是外购的,要么是加速器拉索总成的软管是外购的,大部份零部件是通过外购后组装成加速器分总成,自主开发能力比较弱。生产企业工艺装备落后,产品的配合性能差,质量不稳定,尚难以保证加速器分总成的质量。
而本设计根据人机学工程由人控制踏板通过加速器拉索连接电喷节油器进行汽车加速转换的原理,将加速器踏板组件、加速器上盖组件及加速器拉索总成组成由原来的三个单元组成整合为二元结构,经集成设计合理衔接组成加速器分总成,形成模块化产品。通过优化设计使产品结构紧凑,过渡接头少,装配简捷,占用空间更小,安装方便,结构工艺简单,装配连接简捷方便。而软管和管接头的设计是引进吸收国外的先进技术和生产工艺。软管具有柔性好、强度高,摩擦系数小、耐用及变形小的特点,而管接头里的内衬管又大大减少了钢丝绳与管接头的摩擦力。使产品的性能达到操纵灵活、加速平稳、可靠性好,产品的技术水平可以达到国外同类产品的先进水平,在国内处于领先水平,具有很强的市场竞争力。
2 设计主要内容
本设计的集成汽车加速器分总成装置(图1),包括加速器拉索总成1和加速器踏板总成2,加速器拉索总成包括钢丝绳、钢丝绳接头、管接头、导向钢管和套管,钢丝绳两端分别与钢丝绳接头1连接和钢丝绳接头2连接,钢丝绳置于套管内,套管一端与导向钢管连接,导向钢管与管接头铆接。加速器踏板总成包括踏板杆组件、支架焊合件、回位弹簧、衬套和档圈,加速器拉索总成上还包括有减震垫和尼龙接头,减震垫和尼龙接头套装在钢丝绳上,减震垫套装在与加速器踏板总成连接一端的钢丝绳接头下部,尼龙接头套装在减震垫下部,所述的加速器踏板总成踏板杆一端通过冲压成形有与加速器拉索总成的尼龙接头配合安装的圆形拉索固定环,加速器拉索总成的钢丝绳通过尼龙接头安装在加速器踏板总成的踏板杆组件上。而钢丝绳与钢丝绳接头和钢丝绳接头采用铝合金压铸或锌合金压铸方式连接,钢丝绳接头为T形,减震垫是开有内通孔的不等径圆柱体,其两端部直径与中部直径相同,中部到两端直径逐渐减小,T形钢丝绳接头下部套装在减震垫上部内通孔内;所述的尼龙接头主要由安装段和位于安装段下部的卡销和定位卡构成,安装段与减震垫下端内通孔配合扣紧,卡销扣紧加速器踏板总成踏板杆一端的圆形拉索固定环,所述的圆形拉索固定环开有开口槽,定位卡插入到圆形拉索固定环开口槽中。加速器踏板总成的踏板杆组件主要由踏板杆、焊接在踏板杆另一端的踏板和固定在踏板杆中部的转动销轴组成,所述的踏板杆组件通过转动销轴安装在支架焊合件上,并通过衬套和挡圈定位,支架焊合件上设置有弹簧限位杆,支架焊合件靠近踏板杆的一侧面上设置有前限位块和后限位块,转动销轴上安装有回位弹簧,回位弹簧一端固定连接在踏板杆上,另一端搭靠支架焊合件的弹簧限位杆。前限位块和后限位块上套装有缓冲垫。
本设计为一种集成汽车加速器分总成装置,在加速器拉索总成上新增起保护钢丝绳作用的尼龙接头如图2和起缓冲作用的减震垫如图3,通过加速器拉索总成增加的减震垫,非常明显地提高汽车行驶过程中的平稳性和可靠性。尼龙接头的增加则消除了钢丝绳与踏板杆的拉索固定支架冲压槽边的磨擦,还有踏板杆组件上的踏板杆一端直接采用冲压成形有与加速器拉索总成的尼龙接头配合的圆形拉索固定环,取消拉索固定支架焊接件,消除了钢丝绳与踏板组件上的固定支架焊接件的磨擦,减少整车的故障率和返修率,达到延长产品使用寿命的目的。本设计的钢丝绳接头铆接方式由冲铆改成铝合金压铸或锌合金压铸,拉脱力的强度大大提高,可以达到1000N以上,比传统汽车加速器分总成的拉脱力600N提高了67%以上。
另外,本设计将原汽车加速器分总成的三部件进一步优化调整形成两部件,减少了单元之间的连接,使装置结构简单,质量稳定。本研发设计结构比传统的三部份结构更简单,节省原材料20%以上,加工工时节省50%以上,提高了分总成的负载效益,负载效益可达到80%以上。
3 该设计创新点对比分析
(1)和传统的汽车加速器分总成相比,用两个模块完成以三个模块所完成的功能,踏板的最大行程大于102mm,而且踏板的行程可以通过限位螺栓调节;并且具有较好通用性能,能够同时适用于所有的微型车大部份系列车型。
(2)与国内其它公司采用模块化设计开发汽车加速器分总成相比,在产品结构及设计工艺上进行了改进,采用了尼龙接头保护钢丝绳并增加减震垫,性能优于国内其它公司,在负载率、平稳性、可靠性、耐磨性、故障率和返修率方面优于国内生产的产品。
(3)与国内其它公司采用模块化设计开发汽车加速器分总成相比,在使用材料上进行了优选。将绳接头由冲压件改成铝合金压铸件,加速器拉索总成的钢丝绳与绳接头的拉脱力由588N提高到1100N。加速器拉索总成管接头与软管的拉脱力不小于140N提高到大160N以上。
4 技术工艺路线
(1)技术路线
方案制定——加速器踏板设计——加速器拉索总成设计——加速器拉索两端管接头设计——设计评审——分总成试制——检测——试运行——产品鉴定——完善工艺——批量生产。
(2)工艺路线
5 该设计的意义和前景
“十二五”规划纲要提出坚持走中国特色新型工业化道路,适应市场需求变化,根据科技进步新趋势,发挥我国产业在全球经济中的比较优势,发展结构优化、技术先进、清洁安全、附加值高、吸纳就业能力强的现代产业体系。在加强企业制造方面制定支持企业技术改造的政策,加快应用新技术、新材料、新工艺、新装备改造提升传统产业,提高市场竞争能力。支持企业提高装备水平、优化生产流程,加快淘汰落后工艺技术和设备,提高能源资源综合利用水平。鼓励企业增强新产品开发能力,提高产品技术含量和附加值,加快产品升级换代。推动研发设计、生产流通、企业管理等环节信息化改造升级,推行先进质量管理,促进企业管理创新。推动一批产业技术创新服务平台建设。提出汽车行业要强化整车研发能力,实现关键零部件技术自主化,提高节能、环保和安全技术水平。该专利的发明适应了这个趋势的发展,并为这种趋势的发展提供了创造力。
就目前国内形势而言,研发生产一款能由一家企业独自生产的两单元的汽车加速器分总成对于提高我国汽车配件工业的生产技术水平,带动广西汽车边沿产业如钢铁、橡胶、塑料、机械加工等行业的发展,扩大汽车零配件企业在国内外的影响力具有重要的意义,同时对于我国汽车行业加速器分总成的规模化生产极具现实意义,并可实现良好的经济和社会效益。
参考文献
[1]邓加尊,黄晓练,覃朝兵.一种集成的加速器分总成装置:中国,ZL201110032719.X[P].2013-03-20.