微动跳跃弹性开关动态特性测试仪的结构毕业设计Word文档下载推荐.docx

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目录

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1论文研究的背景及意义1

1.2研究现状1

1.3本论文研究的主要内容4

第2章测试原理及测试平台的构架5

2.1测试原理5

2.1.1微动跳跃弹性开关工作过程分析5

2.1.2测试参数的确定6

2.2测试平台的构架6

2.2.1悬臂梁压力式传感器6

2.2.2测试平台的机械构架7

2.3本章小结8

第3章测试系统设计与研制9

3.1测试系统的总体设计9

3.2测试系统的硬件设计9

3.2.1步进电机的控制原理9

3.2.2测试仪器的硬件连接11

3.3测试仪器的组成和位移的完成11

3.4测试仪的结构和主要特点12

3.5试系统软件设计13

3.6试系统控制程序13

3.7本章小结13

第4章测试仪的传动系统设计

4.1电动机规格的选取14

4.2带传动设计14

4.3联轴器的选用16

4.4传动轴的设计16

4.5芯轴的设计18

4.6本章小结18

第5章主要领部件的设计19

5.1轴承的设计19

5.2键连接的设计19

5.3本章小结20

结论21

参考文献22

致谢24

.

第1章绪　　论

1.1论文研究的背景及意义

目前对微动跳跃弹性开关的动态性能的测试技术，国内很少有人研究，尚未形成具有自己知识产权的整套技术理论，在实际生产中要制造出合格的微动开关开关除了利用从国外引进的检测设备（未提供检测技术）进行检测，在很大程度上还要依靠专家的实际经验和严格的工艺制度保证，不仅没有严格标准也影响了生产效率。

因此通过对本课题的研究，研制出完整的微动跳跃弹性开关动态特性测试系统，并通过对实验数据的分析来评定微动跳跃弹性开关的质量，为微动跳跃弹性开关生产的国产化，并建立自己的质量评定标准奠定了基础；

此外，随着科学技术的发展，加工工艺水平也不断提高，对弹性元件的应用日益广泛，质量要求也不断提高，而我国的工艺生产水平十分落后，弹性元件的生产质量较国外有着很大的差距。

随着大规模集成电路制造技术和信息处理技术的发展，测试仪已经成为国民经济不可缺少的基础，在汽车、船舶、航天航空、开关等领域发挥着极其重要的作用。

近年来，我国开关测试仪的生产厂家逐渐增多，设备数量日趋庞大，着重开发各类开关的动态特性的测试。

世界检测业正像网络化测试仪器发展。

　　现代检测技术是人们认识和改造自然的重要手段，也是衡量一个国家科学技术水平的重要标志之一。

随着检测技术的进步，测试仪器必将在网络时代发生革命性的变化，21世纪的仪器概念将会是一个开放的系统概念。

以PC机或工作站为基础，通过网络来构成实用的测控系统，提高生产效率，共享资源，将成为仪器技术发展的方向，网络化仪器将是今后测试仪器发展的必然。

正是由于人们已经认识到科学仪器的重要作用和地位,美、日、欧共体等发达国家均把科学仪器列为国家重点支持的关键技术。

我国的科学仪器产业与发达国家相比,技术差距越来越大,主要产品市场都被外商占领,形势极为严重。

1.2研究现状

动态测试在国际学术组织:

国际计量局（BIPM）、国际电工委员会（IEC）,国际标准化组织（ISO）和国际法制计量组织（OIML）联合制定的《国际通用计量学基本名词》中的定义为:

量的瞬时值以及它随时间而变化的值的确定。

换言之，它指的是被测之量为变量的连续侧量过程。

在动态测试中，测量过程处于不断变化状态，引起动测试误差的因素比静态测量更多、更复杂，这就与传统的被测之量为常量的静态测试有所不同，即以往适用于静态测试的成套经典数据处理方法及测试误差分析与估算方法，不完全适用于动态测试。

在动态测试中，要考虑到被测变量的变化规律及特点、测试系统的动态特性（与测试速度、加速度、惯性、阻尼，以及冲击、振动等动态因素有关）、以及外界扰动（包括环境条件的变动、干扰、噪声等种种因素）等影响。

动态测试数据表现为测试时间的函数，一般由三部分组成:

被测变量、系统误差和随机误差。

动态测试数据的基本特点首先是由其定义所决定的，动态测试所测量的是随测试时间而变化的量，尽管被测量本身未必都是时间的某种函数，但其总是表现为随测试时间而变化的某种函数，可简称为时变性。

由于测试过程中难免存在随机误差或千扰噪声等，因而动态测试数据也象常量的静态测试数据一样具有随机性，可见，动态测试数据的另一基本特点是既含有确定性变化部分，又含有随机性变化部分，即总是表现为测试时间的随机函数，即随机过程，可简称之为随机性。

相邻时间的信号之间具有统计相关性，正是这种相关性才是动态测试数据所具有的一种基本特性，而静态测试数据之间则应是统计独立或不相关的。

由于动态测试系统在测试被测变量过程中，处于不断变化的运动状态，需用微分方程来描述动态测试系统的输入被测变量，与其输出即显示的动态测试数据之间的关系，或以其离散化的差分方程，或以系统内部的状态方程等形式来描述，以反映出其动态特性。

综上所述，动态测试数据具有上述的时变性、随机性、相关性基本特点。

这些特性集中在一起就构成了它的动态特性。

动态测试数据处理的基本任务为:

1）确定合乎实际的动态测试数据及其测量结果的数学模型；

2）合理规定动态测试误差的评定指标，且要求能较全面而客观地反映其方面特性；

3）识别并提取动态测试数据中的各项非周期和周期的确定性变化成分，并拟出其适用性判别或显著性检验的验证方法；

4）从所提取的确定性成分中借助实验测定或辅以数据处理，尽量分离出测试的系统误差；

5）表述与分解动态测试数据中的随机性成分，尽量通过分解而分离或抑制测试的随机误差，并有助于分析其起因。

实践经验表明，通常动态测试数据处理宜分为三个阶段:

预处理;

成分与结果表示。

主要处理阶段是成分分离。

它可划分为两部分:

识别、提取确定性成分和表述、分解随机性成分。

至于采用的具体处理方法，则取决于动态测试数据处理的实际要求及设定的数学模型。

以识别、提取确定性成分为主的处理方法可分为两类:

以解析式或多项式拟合的方法和以函数值序列表示的滤波或平滑方法，分别简称拟合法和滤波法。

表述、分解随机性成分的方法也有多种，司一归纳为两个方面:

在时域上的相关分析和在频域上的谱分析。

人们借助测试系统检测表现事物不断运动着的物理信号，通过分析和处理获取事物运动的状态信息及其量值。

随着现代科学和社会生产的飞速发展，随着快速傅立叶变换（FFT）理论的产生，随着微电子技术的发展，信号分析和处理的高速器件的生产及其算法的不断完善，已建立了较为成熟的动态测试理论和应用技术。

现代动态测试技术是应用现代科学技术，研究动态信号采集、变换、传输和实时处理的技术学科。

它结合现代传感器技术、微电子技术、计算机技术、信号分析与处理技术等技术学科并应用于测试系统和测试过程。

现代动态测试技术与传统测量技术比较有很大不同。

传统的测量技术局限与简单的测量比较，而现代动态测试技术通常以微型计算机为核心构成数据采集测试系统，由传感器、信号调理电路、采样保持电路、模数转换电路及显示器、打印机等外部设备组成。

它带来的变革主要体现在以下几个方面:

1、传统测量的目的局限于以测量系统的输出量来评价被测量，而动态测试于传统的静态测量不同，它测量的是随时间不断变化的量，重点研究测试系统的动态特性；

2、动态测试不同于传统测试中输出与输入量之间简单的数值对应关系，而是输出信号与输入信号之间的对应关系。

动态测试中要求输出信号的波形可以不失真的复现输入信号的波形；

3、现代动态测试技术的目的是要解决测试系统工作过程中遇到的具体技术问题，如信号的获取、处理与分析、信号的显示与记录等及它们之间的祸合关系。

4、现代动态测试系统的复杂性决定其组成之后动态性能未必符合预先提出的要求，但是这种“缺陷”可以通过动态数学模型研究及应用适当的滤波器等手段改进系统的动态特性来弥补，从而实现了动态测试技术的灵活性。

现代测试平台动态测试系统的研究，即以虚拟仪器技术为软件核心，针对硬件测试对象:

振动台，利用一系列的必要硬件工具，结合动态测试理论，建立起一套完整的动态测试系统，并利用这一系统进行信号的采集与分析处理。

该动态测试系统的测试内容主要为振动信号的测试，希望通过利用虚拟仪器技术对振动信号进行时域和频域上的动态测试及分析，从而得到所需要的信息。

1.3本论文研究的主要内容

第2章测试原理及测试平台的构架

2.1测试原理

2.1.1微动跳跃弹性开关工作过程分析

本课题测试的为微动跳跃弹性开关的动态特性。

其中，微动跳跃弹性开关由弓簧系统构成，主要包括：

舌片、弓簧、动簧片、动触头和静触头五个部分，如图2-1所示。

其工作过程简述如下，当制冷家用电器内部温度升高时，波纹管内所充满的饱和蒸汽压力变大，使波纹管产生变形位移，推动推杆移动，推杆的运动使舌片产生弹性变形，同时弓簧也被向内侧的压缩而增大其反力，当弓簧的两个支点运动到动簧片的平面内时，弓簧变形最大，弓簧处于一个极不稳定的状态，当推杆再有极微量运动时，弓簧立即翻转（此时推杆所受弹力迅速减小），拉动动簧片运动并与静簧片接触，此时电路接通，压缩机开始工作，降低制冷家用电器内部温度，使其达到预设的温度，由此可知温度与跳变点的力值相对应，跳变点的力值即为测试与分析的重点；

当内部温度降低时，波纹管内饱和蒸汽压力变小，波纹管产生反向变形位移，拉动推杆后移，舌片变形减小逐渐返回原状态，当弓簧的两个支点再次处于静触头所确定的动簧片平面内时，又翻回到原状态（此时推杆所受弹力迅速增大），使动触点离开静触点，其工作过程示意图如图2.1所示。

图2.1微动跳跃弹性开关示意图

2.1.2测试参数的确定

在本课题中，微动跳跃弹性开关的动态特性是指微动跳跃弹性开关在工作过程中，位移与弹性应力的关系。

因此本课题所要设计并研制的压力式温控器开关动态特性测试系统的目的就是要获得输入的位移信号和相应位移所产生的弹性应力信号。

测试系统的测试及精度要求为：

（1）测力的量程为1000gf（10N），测力的分辨值为1gf（0.01N），测力精度为1%；

（2）位移的最小分辨值为0.01mm。

2.2测试平台的构架

测试微动跳跃弹性开关的动态特性，我们需要获得表征其动态特性的主要参数，即力信号和位移信号。

测试系统的测试过程就是模拟制冷家用电器中微动跳跃弹性开关的工作过程，即逐步对微动跳跃弹性开关施加位移信号观察其产生的力信号。

由于预设温度与跳变点的力值对应，所以跳变点力值的测量精度可反应出被测开关在温控器中的控温精度，所以在动态特性测试过程中，主要的被测参数是微动跳跃弹性开关所产生的力信号。

为了获取所需要的力信号和位移信号，测试系统中的主要测量器件是用于测量力信号的压力式传感器和用于提供位移信号的步进电机。

2.2.1悬臂梁压力式传感器

压力传感器的种类繁多，主要有电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器。

其中应用最为广泛的是压阻式压力传感器，因为它具有较低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

压阻式压力传感器的传感器件是电阻应变片，它是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。

使用时将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

电阻应变片的结构如图2.2所示。

图2.2电阻应变片的结构

电阻应变片电阻值的变化可由公式（2.1）得到：

（2.1）

式中R——电阻应变片的电阻值（Ω）；

ρ——电阻应变片的电阻率（Ωm）；

L——电阻应变片的长度（m）；

S——电阻应变片的截面积（m2）

通过比较分析各种压力式传感器的性能和特点，我们根据本课题所需要的测试系统的设计要求和精度要求，订制了悬臂梁压阻式压力传感器，其结构如图2-3所示。

其中，图2-3-a）为其正视图，图2-2-b）为其左视图。

图2.3悬臂梁压力传感器结构图

该传感器的主要技术指标如下：

量程为10N；

精度为0.077%；

非线性为0.08%FS。

2.2.2测试平台的机械构架

为了使测试系统的每个器件正常工作，我们需要设计并制作测试平台将各个器件搭建在一起，测试平台的结构如图2-3所示。

图2.4测试平台结构图

测试平台主要由底座、传感器支架、测杆、卡具及固定在平台上的传感器、步进电机和工作台组成。

其中，工作台使用南京工艺装备制造厂生产的DZH50-P型精密工作台，它是一个以丝杠作为传动件的直线传动机构，丝杠的导程为4mm，当步进电机旋转一周时，丝杠前后移动一个导程的位移，若步进电机工作在半步方式，则工作台的最小位移量s可由式（2.2）求出：

s=2mm

式中l——丝杠的导程（mm）；

s——步进位移量（mm）。

由上述计算可得，工作台的位移进给量满足测试系统的位移分辨力要求。

测试系统机械平台在设计过程中需要注意的问题叙述如下：

（1）步进电机工作时会产生振动，为保证测试系统具有抗震性，以减小测试时的干扰，平台底座材料是45号钢并具有一定的厚度，使其具有良好的抗震性；

（2）由于测力最大值为10N（较小），平台的测杆、支架和卡具使用合金铝材料即可满足刚度和强度要求，同时也减小了步进电机的载荷；

（3）为避免浪费材料，支架和底座分别加工并采用螺纹连接，螺纹的设计采用国家标准；

（4）为保证测试过程能真实地模拟实际工作过程，测头使用了压力式温控器中的原件测头；

（5）电机安装时用电机前端盖安装止口定位，采取公差配合，保证了电机轴与负载轴的同心度。

测试平台工作时，步进电机旋转带动工作台前后移动，测头与测试件相互作用并使测试件发生弹性变形，产生的弹力可通过传感器测出。

所以此测试平台可以提供测试所需要的位移信号和力信号

2.3本章小结

本章分析了微动跳跃弹性开关的工作过程，得出了测试其动态特性所需要的两个参数力和位移；

本章介绍了测试其动态特性所需要的测量器件传感器和步进电机的工作原理和特点，并选择了适合本课题设计需要的相应器件；

本章介绍了测试平台的设计过程和注意事项。

第3章测试系统设计与研制

3.1测试系统的总体设计

基于PC机的微动跳跃弹性开关动态特性测试系统的总体结构框图如图3.1所示。

图3.1测试系统框图

测试系统的工作过程为：

启动计算机并运行所编制的控制软件，接通步进电机驱动电路、滤波电路及传感器的电源。

控制软件使计算机通过ISA接口控制步进电机控制卡输出步进电机工作所需要的脉冲信号及方向信号，这两路信号再通过步进电机驱动电路控制步进电机工作并带动工作台向前运动，当安装在工作台上的压力式温控器开关与压力式传感器的测头接触并相互作用时，压力传感器将开关件的弹力值转换为电压值，经过放大电路和滤波电路输入到A/D采集卡，再通过ISA接口传送给计算机，此时控制软件开始记录位移值和力值。

当压力式温控器开关出现翻转后，步进电机开始反向旋转，带动工作台向后运动。

当压力式温控器开关与传感器测头脱离时，停止记录数据。

利用控制软件所记录的数据可以画出压力式温控器开关工作过程中的动态曲线（力和位移的关系曲线），并进一步分析其动态特性。

3.2测试系统的硬件设计

3.2.1步进电机的控制原理

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件。

当给步进电机每输入一相控制信号时，步进电机内部会有相应的绕组通电产生磁场，利用其定子磁场和转子磁场的相互作用，使转子转过一定的角度。

步进电机不能直接接到普通的交直流电源上工作，必须使用专用设备—步进电机驱动器。

因此，步进电机控制系统可包括三部分：

脉冲信号源、步进电机驱动器和步进电机。

其结构如图3.2所示。

图3.2步进电机控制系统框图

在步进电机控制系统中，脉冲频率决定了步进电机转速，脉冲个数决定了步进电机旋转的步距角数。

步进电机驱动器要求的脉冲信号一般为TTL电平兼容的方波信号，而步距角选择和电机使能信号为TTL电平信号。

用普通脉冲频率发生器可以对步进电机速度控制，但它不能精确控制所输出的脉冲数，也就不能精确控制步进电机的旋转角度。

根据测试系统的需要，我们使用嘉志6020系列全数字步进电机控制卡作为控制步进电机的脉冲信号源。

嘉志6020步进电机控制卡采用ISA总线与PC机通信，脉冲频率最高可达200000Hz，高电平为4.5-5V，驱动电流最大为50mA。

在安装控制卡前，要正确设置好板地址和板上跳线，6020控制卡的默认板地址为300H，占用300H-30FH的PC机IO地址，在设置板地址时要参考PC机IO地址图，利用其中的空闲部分，并注意不要与其它板卡的地址相冲突。

6020控制卡通过板卡上的跳线设置可有两种脉冲输出方式：

CW（正转）+CCW（反转）或CW（正转）+方向控制信号。

若设为前者，则当方向信号为高电平时，CW信号端有脉冲输出，CCW信号端无脉冲输出；

当方向信号为低电平时，CW信号端无脉冲输出，CCW信号端有脉冲输出。

若设为后者，无论方向信号为高电平还是低电平，CW信号端均有脉冲输出，而CCW信号端均无脉冲输出。

根据后续所设计的步进电机驱动器的需要，我们让6020控制卡以CW+方向控制信号方式输出控制脉冲。

3.2.2测试仪器的硬件连接

图3.3仪器的硬件连接图

仪器的硬件联接如图3.3所示微处理器发出脉冲信号经驱动器和功率放大后输洽步进电机，步进电机经千分螺杆驱动被测开关，并将力信号传给力平衡传感器。

传感器的输出经A/D转换器处理后输给微处理器。

步进电机、传感器、千分螺杆、测杆共同组成仪器的测试台，被测开关盒置千分螺杆的螺毋（工作台）上，螺杆只转动不移动，螺母只做轴向移动。

3.3测试仪器的组成和位移的完成

测试仪器要完成的功能有：

力Fs的测试，舌形簧片的位移S的测试Fs=f（S）函教曲线的绘制。

其系统框图如图3.4所示。

将被测开关置于执行机构的工作台上，工作台由一个千分螺杆驱动，千分螺杆山步进电机带动。

来自微处理器的脉冲信号抠功步进电机，则工作的位移（也是开关整体的位移）S=pn/360°

Φ，式中P为螺杆螺距，n为脉冲数，Φ为步进角。

图3.4测试仪的原理框图

仪器采用力平衡传感器来测试，它的框图如图3.5所示。

在测试过程中，用一测杆连接开关（将测杆一端置于舌形簧片的方孔中）和力平衡传感器（测杆另一端与感应式位移传感器的动磁铁连接）。

在工作台带动开关盒运动时，测杆将力Fs传给位移传感器，它将由于力Fs使动磁铁产生的位移处理为与Fs