研究的内容及目的
研究单自由度机械系统在外力作用下的真实运动规律
确定原动件的真实运动规律，为机构运动分析作准备
因为原动件的运动规律决定了单自由度机械系统的
所有运动构件的运动规律。故确定了原动件的运动规律，则其他各构件运动规律经运动分析可知。
研究机械运转速度波动产生的原因及其调节方法
降低机械的速度波动的幅度
机械系统的运转从开始到停止的全过程可分为三个阶段
机械原动件的角速度随时间变化情况
根据动能定理：
启动阶段E E E W W W W G f r d ?=-=±--0E
E E W W c d ?=-=-0 空载起动作用在机械系统上的外力在任一时间间隔内所作的功，应等于机械系统动能的增量。
0 0E E W W W f d r >>=加速运动
—原动件的速度由零逐渐上升至正
常工作的ωm 速度
稳定运转阶段的状况有：
匀速稳定运转：ω＝常数
t
ω
稳定运转周期变速稳定运转：ω(t)=ω(t+T)起动非周期变速稳定运转
停止
ωm
t
ω稳定运转起动停止
匀速稳定运转时，速度不需要调节
稳定运转阶段
T
ωm i
t
ω
稳定运转
起动
停止
ωm 1
ωm 2
机械的运转过程及特征
速度波动产生的不良后果：
在运动副中引起附加动压力，加剧磨损，使工作可靠性降低
引起弹性振动，消耗能量，使机械效率降低
影响机械的工艺过程，使产品质量下降
载荷突然减小或增大时，发生飞车或停车事故
为了减小这些不良影响，就必须对速度波动范围进行调节
速度波动调节的方法:
对周期性速度波动，可在转动轴上安装一个质量较大的回转体（俗称飞轮）达到调速的目的
对非周期性速度波动，需采用专门的调速器才能调节
周期性变速稳定运转:
00=-=-E E W W c d 在一个运动循环以及整个稳定运转阶段中，输入功等于阻抗功(总耗功)c
d W W =但在一个周期内任一时间间隔中，输入功与总耗功不一定相等匀速稳定运转：
在任一时间间隔中
W W W W =+=每一个运动周期的始末速度相等
ωm
t
ω稳定运转起动停止
稳定运转阶段
机械的运转过程及特征
实际机械中，大部分机器都具有周期性运动循环的特性
一个运动循环，对应机器主轴的
一转(冲床)
两转(四冲程内燃机)数转(轧钢机)
几分之一转(铣床)
稳定运转阶段
停车阶段
0 =d W 驱动力撤去为快速停车，机器通常加有制动装臵
0<-=-E E W W c d —原动件的速度从正常工作速度
下降到零
为研究机械系统的真实运动规律，必须首先建立机械系统运动方程式—外力与运动参数间的函数关系式
例曲柄滑块机构（简单机械系统）
根据(质点系)动能定理：各外力的功等于动能的增量。3个活动构件组成一个质点系
dt
P dW dE ?== 微分形式
能增量瞬间的动dt ?
?? ??+++=23322222221121212121υωυωm J m J d dE S S S
例曲柄滑块机构（简单机械系统）
3个活动构件组成一个质点系
dt
P dW dE ?== 微分形式
能增量瞬间的动dt ?
?? ??+++=23322222221121212121υωυωm J m J d dE S S S ()
()dt F M m J m J d S S S 331123321222212222121121
υωυωυω-=+++机械运动方程
()
()dt
F M m J m J d S S S 331123321222212222121121
υωυωυω-=+++机械运动方程n 个活动构件的机械系统，其运动方程的一般形式：
()dt M F J m d n i i i i i i n i i Si Si i ??
????∑±=??????∑+==11221221cos )(ωαυωυ例曲柄滑块机构（简单机械系统）
3个活动构件组成一个质点系
(
)
()dt
F M m J m J d S S S 331123321222212222121121
υωυωυω-=+++机械运动方程例曲柄滑块机构（简单机械系统）
3个活动构件组成一个质点系
?
?
?
?
32S21无法求解和或未知，由于υωυω方程复杂不便求解
机械系统的等效动力学模型
对于单自由度的机械系统，只要知道其中一个构件的运动规律，其余所有构件的运动规律就可随之求得
因此，通常为使建立的运动方程式简单和求解方便
☆先把复杂的多构件机械系统等效简化成一个构件—等效构件(机械系统的等效动力学模型)
通常将定轴转动或直线移动构件作为单自由度机械系统的等效构件☆再根据动能定理建立等效构件的运动方程并求解
将研究整个机器的运动问题转化为研究一个构件的运动问题，从而使研究机械真实运动的问题大为简化将单自由度机械系统的动力学问题转化为与其动力特性相当的一个连架杆(等效构件)
选定一个构件作为等效构件
将作用于机械系统上的所有外力和外力矩、所有构件的质量和转动惯量，都转化到等效构件上
使整个系统的运动变成一个构件的运动
转化的原则(等效条件)转化前后：动能不变
转化前后：外力的功(或功率)不变
等效构件：具有与原机械系统等效的质量或等效的转动惯量、其上作用有等效力或等
效力矩，而且其运动与原机械系统相
应构件的运动保持相同。
等效条件：
等效构件所具有的动能等于原机械系统的总动能
等效构件的等效质量（等效转动惯量）所具有的动能等于机械系统的总动能 等效构件的瞬时功率等于原机械系统的总瞬时功率
成一个质点系
?
?
?
?(
)
()dt
F M m J m J d S S S 331123321222212222121121
υωυωυω-=+++机械运动方程
成一个质点系
为了便于计算，通常将绕定轴转动或作直线移
υ3
F e
m e
假想物体的转动惯量，替代了所有运动构件的质量和转动惯量
A
B
ω1
M e
J e
?
成一个质点系
υ3
F e
m e
F e 、M e —等效力和等效力矩
m e 、J e —等效质量和等效转动惯量
假想质量替代了整个机器所有运动构件的质量和转动惯量
为了便于计算，通常将绕定轴转动或作直线移
F e
υB
m e
A
B
ω1
M e
J e
?
个构件质心的速度第—作用点的速度力—个构件的动能第—个构件上的力矩加在机器第—个构件上的力加在机器第—设i F i E i M i F Si i i i i i υυ动惯量
个构件对其质心轴的转第—个构件的质量
第—个构件的角速度第—之间的夹角
与—i J i m i F Si i i i i i ωυα
第七章机械的运转及其速度波动的调节
§7-1 概述 （1）研究机械运转及速度波动调节的目的 周期性速度波动 危害：①引起动压力，η↓和可靠性↓。 ②可能在机器中引起振动，影响寿命、强 度。 ③影响工艺，↓产品质量。 2、非周期性速度波动 危害：机器因速度过高而毁坏，或被迫停车。 本章主要研究两个问题： 1) 研究单自由度机械系统在外力作用下的真实运动 规律。通过动力学模型建立力与运动参数之间的运动微分方程来研究真实运动规律。 2) 研究机械运转速度波动产生的原因及其调节方法。 （2）机械运动过程的三个阶段 机械运转过程一般经历三个阶段：起动、稳定运转和停车阶段 a) 起动阶段：外力对系统做正功（W d-W r>0），系统的动能增加（E=W d-W r)，机械的运转速度上升，并达到工作运转速度。 b)稳定运转阶段：由于外力的变化，机械的运转速 度产生波动，但其平均速度保持稳定。因此，系统 的动能保持稳定。外力对系统做功在一个波动周期 内为零(W d-W r=0)。 c)停车阶段：通常此时驱动力为零，机械系统由正 常工作速度逐渐减速，直至停止。此阶段内功能关 系为W d=0；W r=E。 （3）、作用在机械上的驱动力 驱动力由原动机产生，它通常是机械运动参数 （位移、速度或时间）的函数，称为原动机的机械 特性，不同的原动机具有不同的机械特性。如三相 异步电动机的驱动力便是其转动速度的函数，如图 所示。 B点：Mmax(最大的驱动力矩)、ωmin(最 小的角速度)； N点：M n为电动机的额定转矩，ωn为电动机的额定角速度； C点：所对应的角速度ω0为电动机的同步角速度，这时的电动机的转矩为零。 BC段：外载荷Mˊ↑，ω↓，电机驱动力矩将增加 M dˊ↑,使M dˊ= Mˊ，机器重新达到稳定运转； AB段：外载荷Mˊ↑，ω↓，但电机驱动力矩却下降 M dˊ↓,使M dˊ< Mˊ，直至停车； 电机机械特性曲线的稳定运转阶段可以用一条通过N点和C点的直线近似代替。 M d = M n(ω0-ω)/( ω0-ωn) 式中M n、ωn、ω0可由电动机产品目录中查出。 （4）、生产阻力 生产阻力与运动参数的关系决定于机械的不同工艺过程，如：
机械原理各章练习题
机构的结构分析 1.选择题：（每题后给出了若干个供选择的答案，其中只有一个是正确的，请选 出正确答案） (1)一种相同的机构_______组成不同的机器。。 A.可以 B.不能 C.与构件尺寸有关 (2)机构中的构件是由一个或多个零件所组成,这些零件间________产生任何相对运动。 A.可以 B.不能 C.变速转动或变速移动 (3)有两个平面机构的自由度都等于1，现用一个带有两铰链的运动构件将它们串成一个平面机构，则其自由度等于______。 A. 0 B. 1 C. 2 (4)原动件的自由度应为________。 A. -1 B. +1 C. 0 (5)基本杆组的自由度应为________。 A. -1 B. +1 C. 0 (6)理论廓线相同而实际廓线不同的两个对心直动滚子从动件盘形凸轮机构，其从动件的运动规律_______。 A.相同 B.不相同 (7)滚子从动件盘形凸轮机构的滚子半径应______凸轮理论廓线外凸部分的最小曲率半径。 A.大于 B.小于 (8)直动平底从动件盘形凸轮机构的压力角_______。 A.永远等于0度 B.等于常数 C.随凸轮转角而变化 (9)设计一直动从动件盘形凸轮，当凸轮转速及从动件运动规律V=V(S)不变时，若最大压力角由40度减小到20度时，则凸轮尺寸会_______。 A.增大 B.减小 C.不变 (10)凸轮机构中从动件作等加速等减速运动时将产生______冲击。 A .刚性 B.柔性 C.无刚性也无柔性 2.正误判断题： (1)机器中独立运动的单元体，称为零件。
(2)具有局部自由度和虚约束的机构，在计算机构的自由度时，应当首先除去局部自由度和虚约束。 (3)机构中的虚约束，如果制造、安装精度不够时，会成为真约束。 (4)任何具有确定运动的机构中，除机架、原动件及其相连的运动副以外的从动件系 统的自由度都等于零。 (5)六个构件组成同一回转轴线的转动副，则该处共有三个转动副。 (6)当机构的自由度 F>0，且等于原动件数，则该机构即具有确定的相对运动。 (7)运动链要成为机构，必须使运动链中原动件数目大于或等于自由度。 (8)在平面机构中一个高副引入二个约束。 (9)平面机构高副低代的条件是代替机构与原机构的自由度、瞬时速度和瞬时加速度必需完全相同。 (10)任何具有确定运动的机构都是由机架加原动件再加自由度为零的杆组组成的。 试题参考答案： 平面连杆机构 1.选择题：（每题后给出了若干个供选择的答案，其中只有一个是正确的，请选 出正确答案） (1)当四杆机构处于死点位置时，机构的压力角________。 A.为0° B.为90° C.与构件尺寸有关 (2)四杆机构的急回特性是针对主动件作________而言的。 A. 等速转动 B. 等速移动 C. 变速转动或变速移动 (3)铰链四杆机构中若最短杆和最长杆长度之和大于其他两杆长度之和时，则机构中________。
第一章绪论教学内容 *本课程研究的对象和内容 *本课程的性质、任务及作用 *机械原理学科的发展现状 学习要求 *明确本课程研究的对象和内容，及其在培养机械类高级工程技术人才全局中的地位、任务和作用。 *对机械原理学科的发展现状有所了解。 重点难点 本章的学习重点是：本课程研究的对象及内容。本章介绍了机器、机构、机械等名词，并通过实例说明各种机器的主要组成部分是各种机构，从而明确了机构是本课程研究的主要对 象。当然，由于此时尚未具体学习这些内容，故只能是一个概括的了解。 学习安排 学习方法 如何学好本课程。 要学好本课程,首先必须对机械在一个国家中的重要作用有明确的认识，机械现在是、将来仍是人类利用和改造自然界的直接执行工具，没有机械的支持, 一切现代工程(宇航工程、深海工程、生物工程、通信工程、跨江大桥、过海隧道、摩天大楼、……)都将无法实现。 了解机械原理学科发展现状和趋势，既有助于对机械原理课程的深入学习，也有助于让我们深信机械工业将永不停歇地日新月异地迅猛发展。 第二章机构的结构分析 学习内容 *机构的组成(构件、运动副、运动链及机构) *机构运动简图及其绘制 *机构具有确定运动的条件 *机构自由度的计算 *计算平面机构的自由度时应注意的事项 *虚约束对机构工作性能的影响及机构结构的合理设计 *平面机构的组成原理、结构分类及结构分析 *平面机构中的高副低副 学习要求 *搞清构件、运动副、约束、自由度、运动链及机构等重要概念。 *能绘制比较简单的机械机构运动简图。 *能正确计算平面机构的自由度并能判断其是否具有确定的运动；对空间机构自由度的计算有所了解。 *对虚约束对机构工作性能的影响及机构结构合理设计问题的重要性有所认识。 *对平面机构的组成原理有所了解。 重点难点 本章的学习重点是：构件、运动副、运动链及机构等概念，机构运动简图的绘制，机构
第七章 机械的运转及其速度波动的调节 1一般机械的运转过程分为哪三个阶段?在这三个阶段中,输入功、总耗功、动能及速度之间的关系各有什么特点？ 2为什么要建立机器等效动力学模型？建立时应遵循的原则是什么？ 3在机械系统的真实运动规律尚属未知的情况下，能否求出其等效力矩和等效转动惯量？为什么？ 4飞轮的调速原理是什么？为什么说飞轮在调速的同时还能起到节约能源的作用？ 5何谓机械运转的"平均速度"和"不均匀系数"？ 6飞轮设计的基本原则是什么？为什么飞轮应尽量装在机械系统的高速轴上？系统上装上飞轮后是否可以得到绝对的匀速运动？ 7机械系统在加飞轮前后的运动特性和动力特性有何异同（比较主轴的ωm ，ωmax ，选用的原动机功率、启动时间、停车时间，系统中主轴的运动循环周期、系统的总动能）？ 8何谓最大盈亏功？如何确定其值？ 9如何确定机械系统一个运动周期最大角速度Wmax 与最小角速度Wmin 所在位置？ 10为什么机械会出现非周期性速度波动，如何进行调节？ 11机械的自调性及其条件是什么？ 12离心调速器的工作原理是什么？ 13对于周期性速度波动的机器安装飞轮后，原动机的功率可以比未安装飞轮时 。 14 若不考虑其他因素，单从减轻飞轮的重量上看，飞轮应安装在 轴上。 15大多数机器的原动件都存在运动速度的波动，其原因是驱动力所作的功与阻力所作的 功 保持相等。 16机器等效动力学模型中的等效质量（转动惯量）是根据系统总动能 的原则进行转化的，因而它的数值除了与各构件本身的质量（转动惯量）有关外，还与构件 的 有关。 17当机器中仅包含速比为 机构时，等效动力学模型中的等效质量（转动惯量）是常数；若机器中包含 自由度的机构时，等效质量（转动惯量）是机构位置的函数。 18 图示行星轮系中,各轮质心均在其中心轴线上，已知J 1001=.kg ?m 2,J 2004=.kg ?m 2， J 2001' .=kg ?m 2，系杆对转动轴线的转动惯量J H =018.kg ?m 2，行星轮质量m 2=2kg ， m 2'=4kg ， 0.3H l =m ，13H i =-，121i =-。在系杆H 上作用有驱动力矩M H =60N ?m 。作用在轮1上的阻力矩M 1=10N ?m 。试求： (1)等效到轮1上的等效转动惯量； (2)等效到轮1上的等效力矩。
第7章机械的运转及其速度波动的调节 7.1 复习笔记 一、概述 1．本章研究的内容及目的 （1）内容 ①研究在外力作用下机械的真实运动规律； ②研究机械运转速度的波动及其调节的方法。 （2）目的 ①对机构进行精确的运动分析和力分析； ②将机械运转速度波动的程度限制在许可的范围之内。 2．机械运转的三个阶段 如图7-1-1所示为机械原动件的角速度ω随时间t变化的曲线。
图7-1-1 机械运转的三个阶段 （1）起动阶段 ①角速度特点 在起动阶段，机械原动件的角速度ω由零逐渐上升，直至达到正常运转速度为止。 ②功能特点 驱动功W d大于阻抗功W r′（＝W r＋W f），机械积蓄了动能E。W d＝W r′＋E。 （2）稳定运转阶段 ①角速度特点 a．周期变速稳定运转 满足下列角速度特点的稳定运转称为周期变速稳定运转： 第一，原动件的平均角速度ωm保持为一常数； 第二，原动件的角速度ω出现周期性波动。 b．等速稳定运转 如果原动件的角速度ω在稳定运转过程中恒定不变，则称为等速稳定运转。 ②功能特点 在一个周期内，机械的总驱动功与总阻抗功是相等的，即W d＝W r′。 （3）停车阶段 ①功能特点 a．在机械的停车阶段驱动功为0，即W d＝0。 b．当阻抗功将机械具有的动能消耗完时，机械便停止运转。其功能关系为E＝－W r′。 ②制动器的效果 安装制动器的机械的停车阶段如图7-1-1中的虚线所示，停车时间缩短。
（4）过渡阶段 起动阶段与停车阶段统称为机械运转的过渡阶段。 3．作用在机械上的驱动力和生产阻力 （1）原动机的运动特性 各种原动机的作用力（或力矩）与其运动参数（位移、速度）之间的关系称为原动机的机械特性。 （2）解析法的特点 ①当用解析法研究机械的运动时，原动机的驱动力必须以解析式表达； ②为了简化计算，常将原动机的机械特性曲线用简单的代数式来近似地表示。 （3）生产阻力的特点 ①取决于机械工艺过程； ②可以是常数，也可以是执行构件位置、速度或时间的函数。 二、机械的运动方程式 1．机械运动方程的一般表达式 机械运动方程式的一般表达式为 ()()2211d /2/2cos d n m i Si Si i i i i i i i i m v J Fv M t ==????+=±???????? ∑∑ωαω 式中，αi ——作用在构件i 上的外力F i 与该力作用点的速度v i 间的夹角； J Si ——质心Si 的转动惯量；
力平衡加速度传感器原理设计 摘要：本文介绍了一种力平衡加速度传感器的原理设计方法。差容式力平衡加速度传感器在传统的机械传感器的基础上，采用差动电容结构，利用反馈原理把被测的加速度转换为电容器的电容量变化，将加速度的变化转变为电压值。使传感器的灵敏度、非线性、测量范围等性能得到很大的提高，使其在地震、建筑、交通、航空等各领域得到广泛应用。 关键词：加速度差容式力平衡传感器 加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。 1、加速度传感器原理概述 加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。差容式力平衡加速度传感器则把被测的加速度转换为电容器的电容量变化。实现这种功能的方法有变间隙，变面积，变介电常量三种，差容式力平衡加速度传感器利用变间隙，且用差动式的结构，它优点是结构简单，动态响应好，能实现无接触式测量，灵敏度好，分辨率强，能测量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的电容量一般很小，仅几pF至几百pF，其容抗可高达几MΩ至几百 MΩ，所以对绝缘电阻的要求较高，并且寄生电容（引线电容及仪器中各元器件与极板间电容等）不可忽视。近年来由于广泛应用集成电路，使电子线路紧靠传感器的极板，使寄生电容，非线性等缺点不断得到克服。 差容式力平衡加速度传感器的机械部分紧靠电路板，把加速度的变化转变为电容中间极的位移变化，后续电路通过对位移的检测，输出
一个对应的电压值，由此即可以求得加速度值。为保证传感器的正常工作.，加在电容两个极板的偏置电压必须由过零比较器的输出方波电压来提供。 2、变间隙电容的基本工作原理 如式2－1所示是以空气为介质，两个平行金属板组成的平行板电容器，当不考虑边缘电场影响时，它的电容量可用下式表示： 由式（2－1）可知，平板电容器的电容量是、A、的函数，如果将上极板固定，下极板与被测运动物体相连，当被测运动物体作上、下位移（即变化）或左右位移（即A变化）时，将引起电容量的变化，通过测量电路将这种电容变化转换为电压、电流、频率等电信号输出根据输出信号的大小，即可测定物体位移的大小，若把这种变化应用到电容式差容式力平衡传感器中，当有加速度信号时，就会引起电容变化 C，然后转换成电压信号输出，根据此电压信号即可计算出加速度的大小。 由式（2－2）可知，极板间电容C与极板间距离是成反比的双曲线关系。由于这种传感器特性的非线性，所以工作时，一般动极片不能在
微加速度计原理与应用 a 在20 世纪40 年代初，由德国人研制了世界上第一只摆式陀螺加速度计。此后的半个多世纪以来，由于航天、航空和航海领域对惯性测量元件的需求，各种新型加速度计应运而生，性能和精度也有了很大的完善和提高。加速度计面世后作为最重要的惯性仪表之一，用在惯性导航和惯性制导系统中，与海陆空天运载体的自动驾驶及高技术武器的高精度制导联系在一起。这时候的加速度计整个都很昂贵，使其他领域对它很少问津。 直到微机械加速度计的问世，这种状况才发生了改变。随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功，应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计就是惯性传感器件的杰出代表。 微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。结合陀螺仪（用来测角速度），就可以对物体进行精确定位。根据这一原理，人们很早就利用加速度计和陀螺进行轮船，飞机和航天器的导航，近年来，人们又把这项技术用于汽车的自动驾驶和导弹的制导。汽车
工业的迅速发展又给加速度计找到了新的应用领域，汽车的防撞气囊就是利用加速度计来控制的。微加速度计的工作原理 微加速度计的结构模型如图所示：它采用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速度。图中只画出了一个基本单元。它是利用比较成熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构。图中的质量块是微加速度计的执行器，与质量块相连的是可动臂；与可动臂相对的是固定臂。可动臂和固定臂形成了电容结构，作为微加速度计的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅材料经过立体加工形成的一种力学结构，它在加速度计中的作用相当于弹簧。当加速度计连同外界物体（该物体的加速度就是待测的加速度）一起加速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制。显然该位移与外界加速度具有一一对应的关系：外界加速度固定时，质量块具有确定的位移；外界加速度变化时（只要变化不是很快），质量块的位移也发生相应的变化。另一方面，当质量块的发生位移时，可动臂和固定臂（即感应器）之间的电容就会发生相应的变化；如果测得感应器输出电压的变化，就等同于测得了执行器（质量块）的位移。既然执行器的位移与待测加速度具有确定的一一对应关系，那么输出电压与外界加速度也就有了确
加速度计和陀螺仪传感器原理、检测及应用 摘要：微机电系统（MEMS）在消费电子领域的应用越来越普及，移动市场的增长也带动了MEMS需求的日益旺盛。实际上，MEMS传感器正在成为消费类和移动产品差异化的关键要素，例如游戏控制器、智能手机和平板电脑。MEMS为用户提供了与其智能设备交互的全新方式。本文简要介绍MEMS的工作原理、检测架构以及各种潜在应用。本文网络版地址：http：//https://www.doczj.com/doc/e518912108.html,/article/247467.htm 关键词：MEMS；加速度计；陀螺仪；传感器 DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.013 引言 微机电系统（MEMS）将机械和电子元件集成在微米级的小型结构中。利用微机械加工将所有电气器件、传感器和机械元件集成至一片共用的硅基片，从而由半导体和微加工技术组合而成。MEMS系统的主要元件是机械单元、检测电路以及ASIC或微控制器。本文简要介绍MEMS加速度计传感器和陀螺仪，讨论其工作原理、检测结构以及目前市场的热点应用，对我们日常生活具有深远的影响。 1 MEMS惯性传感器 MEMS传感器在许多应用中测量沿一个或多个轴向的
线性加速度，或者环绕一个或多个轴的角速度，以作为输入控制系统（图1）。 MEMS加速度计传感器通常利用位置测量接口电路测 量物体的位移，然后利用模/数转换器（ADC）将测量值转换为数字电信号，以便进行数字处理。陀螺仪则测量物体由于科里奥利加速度而发生的位移。 2 加速度计工作原理 根据牛顿第二定律，物理加速度（m/s2）与受到的合力（N）成正比，与其质量（kg）成反比，加速度方向与合力相同。 上述过程可简单归纳为：作用力导致物体发生位移，进而发生电容变化。将多个电极并联，可获得更大的电容变化，更容易检测到位移（图4）。V1和V2连接至电容的每侧，电容分压器的中心连接到物体。 物体重心的模拟电压通过电荷放大、信号调理、解调及低通滤波，然后利用Σ-ΔADC将其转换为数字信号。将ADC输出的数字比特流送至FIFO缓存器，后者将串行信号转换为并行数据流。随后，可通过诸如I2C或SPI等串行协议读取数据流，再将其送至主机做进一步处理（图5）。 Σ-ΔADC具有信号带宽较窄，分辨率非常高，适合加速度计应用。Σ-ΔADC输出由其位数决定，很容易转换成“g”（单位），用于加速度计算。“g”为重力加速度。
机原大作业 题3-23 班级： 学号： 姓名： 指导老师：
题目 3-23 在图示机构中，已知原动件1以等角速度w1=10rad/s 逆时针转动，l AB =100mm ， l BC =300mm ，e=30mm 。试用复数矢量法求构件2的转角θ2、角速度w2和角加速度α2，构件3的速度v 3和加速度a 3。 （1）建立封闭矢量多边形 L1+L2=L4+e (a) L1e iθ1+L2e iθ2=L4 (b) =>{L1cosθ1+L2cosθ2=L4 L1sinθ1+L2sinθ2=e (c) 联立可得 L4=[l 22 ?(e ?l 1sinθ1)2]1/2+l 1cosθ1 （d ） θ2=arctan [e?l 1cosθ1 l 4?l 1cosθ1 ] (e) (2)速度分析 将试(b)对时间t 求导，可得 il 1w 1e iθ1+il 2w 2e iθ2=l 4 (f) 将上式虚部和实部分开，并联解可得 l 4 =v 3=?[w 1l 1sin (θ1?θ2)]/cosθ2 w 2=? l 1cosθ1 l 2sinθ2w 1
(3)加速度分析 将式（f）对时间进行求导，可得 -l1w12e iθ1+il2w2e iθ1?l2w22e iθ2=l4 将上式虚部和实部分开，并联解可得 w2=α2=?(w12l1sinθ1+w22l2sinθ2)/(l2cosθ2) l4=a3=[?w12l1cos(θ1?θ2)+w22l2]/ cosθ2 (4)程序代码（c语言） #include
MEMS加速度计原理 技术成熟的MEMS加速度计分为三种:压电式、容感式、热感式。压电式MEMS加速度计运用的是压电效应，在其内部有一个刚体支撑的质量块，有运动的情况下质量块会产生压力，刚体产生应变，把加速度转变成电信号输出。 容感式MEMS加速度计内部也存在一个质量块，从单个单元来看，它是标准的平板电容器。加速度的变化带动活动质量块的移动从而改变平板电容两极的间距和正对面积，通过测量电容变化量来计算加速度。Freescale的MMA7660FC这一款加速度计（3-Axis Orientation/MotionDetection Sensor），这一款芯片也是利用这一原理设计的。datasheet的第9页介绍了其工作原理：当芯片有向右的加速度时，中间的活动质量快相对于另外两块电容板向左移动，这两平行板电容器的电容就发生了变化，从而测量出芯片运动的加速度。 热感式MEMS加速度计内部没有任何质量块，它的中央有一个加热体，周边是温度传感器，里面是密闭的气腔，工作时在加热体的作用下，气体在内部形成一个热气团，热气团的比重和周围的冷气是有差异的，通过惯性热气团的移动形成的热场变化让感应器感应到加速度值。 由于压电式MEMS加速度计内部有刚体支撑的存在，通常情况下，压电式MEMS加速度计只能感应到“动态”加速度，而不能感应到“静态”加速度，也就是我们所说的重力加速度。而容感式和热感式既能感应“动态”加速度，又能感应“静态”加速度。 从上面的分析中，我们可以看到利用容感式和热感式加速度计进行定向时，加速度计测得的加速度里面包括重力加速度在各个轴上的重力分量和动态运动引起的加速度分量。因而，我觉得我们在利用这一类加速度计进行定向时，必须将动态加速度去掉（较为困难）；在进行检测芯片的运动时，必须将重力加速度的去掉。 师兄，我觉得如果我们选择用加速度计来进行定向的话，我们可以考虑ST的LSM303DLH （5*5*1mm,0.83mA）这一款芯片。这一款芯片集成了测加速度和磁场的功能，完全可以满足我们定向的需求
速度波动的调节 一、选择题 1、为了减小机械运转中周期性速度波动的程度，应在机械中安装（ ）。 A. 调速器 B. 飞轮 C. 变速装置 D. 减速器 2、为了调节机械运转中非周期性速度波动的程度，应在机械中安装（ ）。 A. 飞轮 B. 增速器 C. 调速器 D. 减速器 3、机器中安装飞轮是为了（ ）。 A. 消除速度波动 B. 达到稳定运转 C. 减小速度波动 D. 使惯性力平衡 4、机器中安装飞轮后，机器的速度波动得以（ ）。 A. 消除 B. 增大 C. 减小 D. 不变 5、对于作周期性速度波动的机械系统，一个周期中系统重力作功为（ ）。 A. 零 B. 小于零 C. 大于零 D. 不等于零的常数 6、若不考虑其它因素，单从减轻飞轮的重量上看，飞轮应安装在（ ）。 A. 高速轴上 B. 低速轴上 C. 任意轴上 D. 机器主轴上 7、为了减轻飞轮的重量，飞轮最好安装在（ ）。 A. 任意构件上 B. 转速较低的轴上 C. 转速较高的轴上 D. 机器的主轴上 8、合理的设计应是尽可能地把飞轮安装在机器中转速（ ）的轴上。 A. 较低 B. 较高 C. 较高或较低 D. 不变 二、分析题 1.（05）一机械系统的的功效动力学模型如图（a ）所示。 已知稳定转动时期一个运动周期内等效力矩 r M 的变化规律如图（b ）所示，等效驱动力矩 M D 为常数，等效转动惯量J=1.0kg.m 2(为常数)，等效驱动的平均转速 m n =200r/min 。试求： （1） 等效驱动力矩 d M ； （2） 等效构件的速度波动系数δ及等效构件的最高转速 max n 和最低转速min n ； （3） 若要求等效构件的许用速度波动系数为[]0.04δ=，试求安装在等效构件A 轴 上飞轮的转动惯量 F J .
加速度传感器原理与应用简介 1、什么是加速度传感器 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。 加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）的改进的。另一种就是线加速度计。 2、加速度传感器一般用在哪里 通过测量由于重力引起的加速度，你可以计算出设备相对于水平面的倾斜角度。通过分析动态加速度，你可以分析出设备移动的方式。但是刚开始的时候，你会发现光测量倾角和加速度好像不是很有用。但是，现在工程师们已经想出了很多方法获得更多的有用的信息。 加速度传感器可以帮助你的机器人了解它现在身处的环境。是在爬山？还是在走下坡，摔倒了没有？或者对于飞行类的机器人来说，对于控制姿态也是至关重要的。更要确保的是，你的机器人没有带着炸弹自己前往人群密集处。一个好的程序员能够使用加速度传感器来回答所有上述问题。加速度传感器甚至可以用来分析发动机的振动。 目前最新IBM Thinkpad手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动，自动调节相机的聚焦。 概括起来，加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。 3、加速度传感器是如何工作的 线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡，A（加速度）=F（惯性力）/M（质量）我们只需要测量F就可以了。怎么测量F？用电磁力去平衡这个力就可以了。就可以得到F 对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。 现代科技要求加速度传感器廉价、性能优越、易于大批量生产。在诸如军工、空间系统、科学测量等领域，需要使用体积小、重量轻、性能稳定的加速度传感器。以传统加工方法制造的加速度传感器难以全面满足这些要求。于是应用新兴的微机械加工技术制作的微加速度传感器应运而生。这种传感器体积小、重量轻、功耗小、启动快、成本低、可靠性高、易于实现数字化和智能化。而且，由于微机械结构制作精确、重复性好、易于集成化、适于大批量生产，它的性能价格比很高。可以预见在不久的将来，它将在加速度传感器市场中占主导地位。 微加速度传感器有压阻式、压电式、电容式等形式。 ·压电式 压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压
机械速度波动的调节 一、复习思考题 1．机械的运转为什么会有速度波动？为什么要调节机器的速度波动？请列举几种因速度波动而产生不良影响的实例。 2．何谓周期性速度波动和非周期性速度波动？请各举出两个实例。这两种速度波动各用什么方法加以调节？ 3．试观察牛头创床的飞轮、冲床的飞轮、手抉拖拉机的飞轮、缝纫机的飞轮、录音机的飞轮各在何处？它们在机器中各起着什么的作用？ 4．何谓平均速度和不均匀系数？不均匀系数是否选得越小越好？安装飞轮后是否可能实现绝对匀速转动？ 5．欲减小速度波动，转动惯量相同的飞轮应装在高速轴上还是低速轴上。 6．飞轮的调速原理是什么？为什么说飞轮在调速的同时还能起到节约能源的作用？ 7．飞轮设计的基本原则是什么？为什么飞轮应尽量装在机械系统的高速轴上？ 8．什么是最大盈亏功？如何确定其值？ 9．如何确定机械系统一个运动周期最大角速度ωmax与最小角速度ωmiu所在位置？ 10．离心调速器的工作原理是什么？ 二、填空题 1．若不考虑其他因素，单从减轻飞轮的重量上看，飞轮应安装在轴上。 2．大多数机器的原动件都存在运动速度的波动，其原因是驱动力所作的功与阻力所作的功保持相等。 3．若已知机械系统的盈亏功为(Δω)max，等效构件的平均角速度为ωm，系统许用速度不均匀系数为[δ]，未加飞轮时，系统的等效转动惯量的常量部分为J c，则飞轮的转动惯量J 。 三、选择题 1．在机械系统速度波动的一个周期中的某一时间间隔内，当系统出现时，系统的运动速度，此时飞轮将能量。 a.亏功，减小，释放； b.亏功，加快，释放； c.盈功，减小，储存； d.盈功，加快，释放。 2．为了减小机械运转中周期性速度波动的程度，应在机械中安装。 a.调速器 b.飞轮 c.变速装置
MEMS加速度计的原理及运用 高鹏黄国胜 2006．12.19 目录
1.MEMS加速度计基本原理分析 1.1 MEMS简介 1.2微加速度计的类型 1.3 差分电容式加速度计的结构模型及其工作原理 1.4 MEMS微加速度计的制造工艺 1.5 MEMS微加速度计主要性能指标的设计和控制 1.6 MEMS加速度计的其它结构 1.7 各厂商MEMS加速芯片参数对比 1.8 线性度 1.9灵敏度与功耗2．MEMS加速度计国内外现状 3．微加速度计的发展趋势 4．MEMS加速度计应用前景分析 5．用MEMS加速度计测量加速度、角度
1.1MEMS简介 随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功，应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计（microaccelerometer）就是惯性传感器件的杰出代表。微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。结合陀螺仪（用来测角速度），就可以对物体进行精确定位。根据这一原理，人们很早就利用加速度计和陀螺进行轮船，飞机和航天器的导航，近年来，人们又把这项技术用于汽车的自动驾驶和导弹的制导。汽车工业的迅速发展又给加速度计找到了新的应用领域，汽车的防撞气囊（Air Bag）就是利用加速度计来控制的。 作为最成熟的惯性传感器应用，现在的MEMS加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。本文将就微加速度计进行初步设计，并对其进行理论分析。 1.2 微加速度计的类型 1.2.1 压阻式微加速度计 压阻式微加速度计是由悬臂梁和质量块以及布置在梁上的压阻组成，横梁和质量块常为硅材料。当悬臂梁发生变形时，其固定端一侧变形量最大，故压阻薄膜材料就被布置在悬臂梁固定端一侧（如图1所示）。当有加速度输入时，悬臂梁在质量块受到的惯性力牵引下发生变形，导致固连的压阻膜也随之发生变形，其电阻值就会由于压阻效应而发生变化，导致压阻两端的检测电压值发生变化，从而可以通过确定的数学模型推导出输入加速度与输出电压值的关系。压电式微加速度计是最早出现的微加速度计，其优点是：结构简单，芯片的制作相对容易，并且接口电路易于实现。其缺点是：温度系数比较大，对温度比较敏感；和其他原理微加速度计相比，其灵敏度比较低，蠕变和迟滞效应比较明显。
第7章 机械运转速度波动的调节 7.1 机械运转速度波动调节的目的和方法 机械运转速度的波动可分为两类 （1）周期性速度波动 调节周期性速度波动的常用方法是在机械中加上—个转动惯量很大的回转件——飞轮。盈功使飞轮的动能增加，亏功使飞轮的动能减小。飞轮的动能变化为() 20221??-=?J E ，显然，动能变化数值相同时，飞轮的转动惯量J 越大，角速度ω的波动越小。 （2）非周期性速度波动 如果输入功在很长一段时间内总是大于输出功，则机械运转速度将不断升高，直至超越机械强度所容许的极限转速而导致机械损坏；反之，如输入功总是小于输出功，则机械运转速度将不断下降，直至停车。汽轮发电机组在供汽量不变而用电量突然增减时就会出现这类情况。种速度波动是随机的、不规则的，没有一定的周期，因此称为非周期性速度波动。这种速度波动不能依靠飞轮来进行调节，只能采用特殊的装置使输入功与输出功趋于平衡，以达到新的稳定运转。这种特殊装置称为调速器。 机械式离心调速器结构简单、成本低廉，常用于电唱机、录音机等调速系统之中；但它的体积庞大，灵敏度低，近代机器多采用电子调速装置实现自动控制。 本章对调速器不作进一步论述，下面各节主要讨论飞轮设计的有关问题 7.2 飞轮设计的近似方法 7.2.1 机械运转的平均速度和不均匀系数 各种不同机械许用的机械运转速度不均匀系数δ，是根据它们的工作要求确定的。例如驱动发电机的活塞式内燃机，如果主轴的速度波动太大，势必影响输出电压的稳定性，所以这类机械的机械运转速度不均匀系数应当取小一些；反之，如冲床和破碎机等一类机械，速度波动稍大也不影响其工艺性能，这类机械的机械运转速度不均匀系数便可取大一些。几种常见机械的机械运转速度不均匀系数可按表7-1选取。 表7-1 机械运转速度不均匀系数δ的取值范围
第七章机械的运转及其速度波动的调节1一般机械的运转过程分为哪三个阶段在这三个阶段中,输入功、总耗功、动能及速度之间的关系各有什么特点 2为什么要建立机器等效动力学模型建立时应遵循的原则是什么 3在机械系统的真实运动规律尚属未知的情况下，能否求出其等效力矩和等效转动惯量为什么 4飞轮的调速原理是什么为什么说飞轮在调速的同时还能起到节约能源的作用 5何谓机械运转的"平均速度"和"不均匀系数" 6飞轮设计的基本原则是什么为什么飞轮应尽量装在机械系统的高速轴上系统上装上飞轮后是否可以得到绝对的匀速运动 7机械系统在加飞轮前后的运动特性和动力特性有何异同（比较主轴的ωm，ωmax，选用的原动机功率、启动时间、停车时间，系统中主轴的运动循环周期、系统的总动能）8何谓最大盈亏功如何确定其值 9如何确定机械系统一个运动周期最大角速度Wmax与最小角速度Wmin 所在位置 10为什么机械会出现非周期性速度波动，如何进行调节 11机械的自调性及其条件是什么 12离心调速器的工作原理是什么 13对于周期性速度波动的机器安装飞轮后，原动机的功率可以比未安装飞轮时。 14 若不考虑其他因素，单从减轻飞轮的重量上看，飞轮应安装在轴上。 15大多数机器的原动件都存在运动速度的波动，其原因是驱动力所作的功与阻力所作的 功保持相等。 16机器等效动力学模型中的等效质量（转动惯量）是根据系统总动能的原则进行转化的，因而它的数值除了与各构件本身的质量（转动惯量）有关外，还与构件的有关。 17当机器中仅包含速比为机构时，等效动力学模型中的等效质量（转动惯量）是常数；若机器中包含自由度的机构时，等效质量（转动惯量）是机构位置的函数。 18 图示行星轮系中,各轮质心均在其中心轴线上，已知 J 1 001 =.kg?m2,J 2 004 =.kg?m2，J 2 001 ' . = kg?m2，系杆对转动轴线的转动惯量 J H =018 .kg?m2，行星轮质量m 2=2kg， m2'=4kg， 0.3 H l= m，1 3 H i=- ，12 1 i=- 。在系杆 H上作用有驱动力矩M H=60N?m。作用在轮1上的阻力矩M1=10N?m。试求： (1)等效到轮1上的等效转动惯量； (2)等效到轮1上的等效力矩。
11.1 在图示的搬运机构中，已知滑块5质量m 5=20kg ，l AB =l ED =100mm ，L BC =L CD =L EF =200mm ， 903231===???。作用在滑块5上的工作阻力F 5＝1000N ；其他构件的质量和转动惯量均忽略不计，如选构件1为等效构件，试求机构在图示位置的等效阻力矩M r 和等效转动惯量J e 。 图11.1 【分析】对于本题，由于除滑块5外，其余构件的质量和转动惯量均忽略不计。所以只要求得15/ωv 的值，就可求得所需的等效阻力矩和等效转动惯量。 解： （1）求15/ωv 由于 903231===???，所以在矢量方程CB B C +=中，C 和B v 大小相等，方向相同；同理，在矢量方程F E E F v v v +=中，F v 和E v 也是大小相等，方向相同。对于构件3，由于L CD =2L ED ，所以2/C E v v =。这样： A B B C E F l v v v v v 152 1 2121ω===== 从而 m l v A B 05.02 1.021 5 === ω (2) 求M r m N v F M r ?=?==5005.01000)( 1 5 5ω (3) 求J e 根据公式∑=??? ???????? ??+?? ? ??= n i i Si Si i e J v m J 1 22ωωω得： ()22 2 15505.005.020m kg v m J e ?=?=??? ? ??=ω 【评注】本例比较简单，关键在于进行运动分析，由于机构处于特殊位置，给速度的分析带来一定的困难，但只要弄清楚速度的关系，特殊位置的机构速度分析又非常简单。 11.2 在图11.2(a)所示的机构中，曲柄l 的长度为l 1，其对轴A 的转动惯量为J l 。连杆2的长度为l 2，质心在S ，且l BS =l 2/2，质量为m 2，绕质心S 的转动惯量为J 2，滑块3为一齿条，质量为m 3。齿轮4的转动惯量为J 4，其分度圆半径为r 4。作用在机械上的驱动力矩为M 1，工作阻力矩为M Q 。试求以曲柄1为等效构件时的等效转动惯量J e 和等效力矩M e 。 图11.2 【分析】 本题是典型的平面连杆机构的等效转动惯量和等效力矩的计算问题，解题的关键是速度分析和等效公式的运
第10章 机械的运转与速度波动调节 习题解答 10-1．如图10-1所示导杆机构中，已知mm l AB 240=，mm l BC 750=，?=30?，摆动导杆2对回转 轴B 的转动惯量2 4.0m kg J B ?=，作用于构件2上的阻力矩m N M ?=452,其他构件的质量忽略不计，当取曲柄1为转化构件时，试求机构的等效阻力矩r M 及等效转动惯量J 。 解：求速度瞬心12P 121412241212==P P P P P V l l ωω 14122412 21cos30-== =0.6305cos30 P P BC AB P P BC l l l l l ωω 由动能等效： 2212211=22e J J ωω， 则：222221 =()=0.40.6305=0.159kg.m e J J ωω? 由功（或功率）等效： 122=e M M ωω， 则：2 21 =( )=450.6305=28.37N.m e M M ωω? 10-2．图10-2中所示为作用在多缸发动机曲柄上的驱动力矩d M 和阻力矩r M 的变化曲线，其阻力矩 等于常数，其驱动力矩曲线与阻力矩曲线围成的面积（2 mm ）依次为320,580-+， 260,390,190,520,390+-+-+及190-，该图的比例尺mm m N M /100?=μ。设曲柄平均转速 为min /120r ，其瞬时角速度不超过其平均角速度的%3±，求安装在该曲柄轴上飞轮的转动惯量。 图10-2 图 10-1
解：按比例做能量图 22 2 27606.0601202720 602][] [m kg n W W J m m ?=??? ? ???= ?? ? ??= = πδπδ ω 10-3．如图10-3所示为某机械转化到主轴上的等效阻力矩r M 在一个工作循环中的变化规律。设等效 驱动力矩d M 为常数，主轴转速min /300r n =，若运转不均匀系数δ不超过1.0，试求安装在主轴上的飞轮的转动惯量F J 和机械所需的驱动功率P 。（其他各构件的等效转动惯量均略去不计）。 解：ππ πω106030022=?= =n ππππ23003 1 300032300?=+?+?d M m N M d ?=++=750 150500100 按比例作能量示意图 2 2 287.231 .0)10(750] [m kg W J F ?=?= = ππδ ω 7501023.6d P M kW ωππ==?= 10-4．如图10-4所示为定轴齿轮传动机构，已知作用于齿轮3上的力矩m N M ?=323，各轮齿数为 60,48,20,403221===='z z z z ，齿轮1回转方向如图示。各轮的转动惯量为：2 10.1J kg m =? π 图10-3