膜片式水下力传感器力学特性与设计原则分析

以水下机器人所用多轴力传感器的压力平衡结构为研究对象,基于液体的可压缩性,提出了膜片式压力平衡传感器内外压力差的迭代算法,推导出了膜片式压力平衡法的内外压力差、额外轴向力及相关公式。分析了压力差在传感器上产生的额外轴向力及影响额外轴向力的相关因素,结果表明,膜片式压力平衡法难以胜任大压力平衡。总结了膜片式水下力传感器结构设计原则：基于膜片式压力平衡的水下力传感器结构应紧凑,其长径比、壁厚应尽可能小;压力平衡膜片面积应尽量大,而内部存油液应尽量少。     

软囊式水下力传感器的力学特性与设计原则

以水下机器人用多轴力传感器的压力平衡结构为研究对象,基于液体的可压缩性,根据弹性薄壳力学分析,选择长壳理论研究软囊变形,并对其进行修正。指出软囊变形所引起的额外轴向力对设计和使用水下力传感器是不可忽视的,提出软囊式压力平衡传感器内外压力差的迭代算法,推导出软囊式压力平衡的内外压差、额外轴向力及相关公式。分析压力差在传感器上产生的额外轴向力及有关的影响因素,总结软囊式压力平衡能够胜任大压力平衡,且对大压力下的微小压力具有极强的平衡能力的特点。得出软囊式水下力传感器结构应紧凑、长径比应小、壁厚应尽可能小、内部存油液应少的设计原则。     

波纹管用于水下仪器设备压力平衡的力学性能分析

运用非线性有限元方法分析了U形波纹管在深海大压力环境下的非线性力学行为,提出了波纹管体积变化的计算方法和相关公式;基于液体的可压缩性,推导出了仪器工作水深与波纹管体积变化以及内外压差之间的关系式,并给出了内外压差的计算流程,从而为压力平衡用波纹管的设计计算提供参考。以充油式深海压力传感器为例,分析了U形波纹管的压力平衡能力与各种因素之间的关系,总结了波纹管式压力平衡结构的设计原则,从而为基于波纹管式压力平衡的水下仪器设备的结构设计提供指导。     

一种水下机器人用多轴力传感器的结构设计

水下机器人用多轴力传感器的设计必须首先解决水压力平衡的问题。通过对几种典型的机器人用多轴力传感器结构在水压作用下的应力、应变进行分析，得到这几种结构的特点和适用条件：实心的柱体可以承受深水压力，但由于海水的腐蚀作用，开放式柱体不适合作为弹性体；充油或充气的刚性封闭的薄壁结构不能承受深水压力；带补偿膜的薄壁圆筒结构只能承受浅水压力的作用；用软外囊封包的结构可以承
受深水压力，实现足够大的体积变化而不致被破坏，但存在容易破损以及形状、质心不定的缺陷。提出一种水下机器人用多轴力传感器自适应结构的设计构思，这种结构兼有开放式和封闭式结构的优点。按照这种设计构思已试制出原型样机     

差压变送器轮胎式检出轴密封结构

日本的春本谦一,杭田嗣郎等四人发明了差压变送器轮胎式检出轴密封结构,并取得专利。该发明用于力平衡式差压变送器检出轴密封支点上。一般在工艺过程中要求密封支点能承受较大的流体压力,且动作灵敏,跟踪及时,并能正确变换空气压信号或电气信号的检测量。但是,到目前为止,在工艺过程差压、力,液位的检测中仍普遍采用膜片式(图1)     

基于MEMS的水下触觉力传感器及BP网络标定实现

由于受到水压强影响,水下触觉力测量易产生交叉灵敏度,造成触觉力信号分辨困难的问题。针对此问题设计了基于MEMS的水下触觉力传感器。该触觉力传感器呈胶囊外形且为差压式结构,上侧感知水压强与触觉力信息,下侧感知水压强信息,通过在MEMS上下侧矢量叠加实现触觉力测量。设计了基于STM32的传感器数据采集电路及BP网络数据融合算法。通过构建4层BP网络,触觉力信号、温度信号、深度信号作为网络输入,真实触觉力值作为网络输出训练网络,将训练好的神经网络发送至STM32通过数据处理实现真实触觉力输出,传感器融合精度5%。文中设计的触觉力传感器具有的差压式结构能够消除水静态压强影响,并且结合BP网络数据融合算法实现了真实触觉力信号输出,对水下环境用触觉力测量具有重要意义。     

膜片式光纤光栅压力传感器的灵敏度分析

在理论推导光纤光栅压力传感器的灵敏度的基础上,采用结构增敏方法,设计并研制出了一种实用型高灵敏度的膜片式光纤光栅压力传感器,并用液压法对传感器的灵敏度进行了实验研究。实验结果表明,该高灵敏度膜片式光纤光栅压力传感器的反射波长移动量与膜片载荷(或水柱高度)成正比,其线性度达到0.9999,压力灵敏度系数为-0.023/MPa;实测压力灵敏度为0.03pm/Pa,理论压力灵敏度为0.0301pm/Pa,与实测压力灵敏度非常接近,二者的相对误差仅为0.33%。     

基于超弹性体材料的微型光纤法珀压力传感器

针对体内介入式医疗应用需求,提出一种基于超弹性体材料的微型光纤法珀压力传感器设计与制作方法。 通过理论分 析建立了适合超弹性体硅橡胶材料的 Mooney-Rivlin 力学仿真模型,对不同组分、厚度感压材料的受压变形状态进行了理论分 析,并获得优化的传感器材料及结构参数。 进一步提出微型光纤法珀压力传感器的制作方法,通过感压性能测试、温度影响测 试和体外血液压力测试,对比验证了不同参数传感器的感压性能。 结果表明,在感压材料直径 180 μm、厚度 250 μm 时,测压范 围 0~ 40 kPa 内传感器的压力灵敏度达到 154. 56 nm/ kPa,20℃ ~ 50℃大温度范围内引起的压力测量相对误差仅为 0. 36% ,温度 对压力测量的影响完全可忽略。 相比传统膜片式光纤压力传感器,基于超弹性体材料的微型光纤法珀压力传感器不仅尺寸小、 灵敏度高,还具有成本低、方便制作的技术优势。     

深海装备压力补偿器及测试系统的设计

介绍了液压驱动的深海作业装备的具体工况,分析了深海作业装备要求液压系统进行压力补偿的特殊原因,对设计的滚动橡胶膜片式压力补偿器进行了受力分析,得出了影响补偿器压力稳定的因素,在理论分析的基础上对滚动橡胶膜片式压力补偿器进行了详细设计,阐述了该压力补偿器的机械结构、密封结构及工作机理,并介绍了压力补偿器应用母体之一的水下机器人;针对压力补偿器设计了配套的试验测试系统,该测试系统能够满足压力补偿器的保压测试、功能性测试等常规试验。     

一种水下灵巧手指端力传感器的研究

采用水压力补偿技术，设计了基于圆筒式测力结构的水下灵巧手指端力传感器，分析了其工作原理。采用有限元法计算了圆筒式测力结构的应变分布，验证该结构的合理性，由此推导出测量原理方程。采用有限元法对模型进行模态分析，确定了传感器的工作带宽。在陆上对传感器进行标定实验，根据实验数据计算出标定矩阵。性能测试结果显示，在陆上和浅水环境中测量结果一致，验证了该传感器在陆上标定是可行的。该传感器可用于水下，且测试精度满足目前水下灵巧手研究的要求。     

高温压力传感器技术研究

提出的基于MEMS技术的耐高温压力传感器,采用耐高温SOI力敏元件以及梁膜组合设计,保证传感器有较高频响的同时,具有耐平衡高温和瞬时超高温的能力.研制的耐高温压力传感器可以用于0～220 ℃恶劣环境条件下的压力测量,并能解决1000 ℃的瞬时冲击.给出了传感器的结构模型和实测数据,得到比较满意结果.     

矿用抢险多级泵转子部件轴向力数值模拟及平衡方法研究

因对称布置的矿用抢险多级排水泵出口段的轴端水压力较大,无法平衡轴向力,本文采用非对称布置的叶轮导叶结构,其轴向力可达到平衡,本文进一步采用切割末级叶轮后盖板的方式来完全平衡整泵转子的轴向力。基于CFX软件,采用标准k-ε模型对装配了不同尺寸后盖板的叶轮、导叶、进出水段的矿用抢险多级排水泵的全流场模型进行了数值模拟,获得了整泵的外特性及转子部件的轴向力的结果,得到末级叶轮后盖板不同切割尺寸与轴向力的尺寸范围;预估了轴向力完全平衡时,末级叶轮后盖板的切割尺寸,通过数值模拟验证了预估结果。本文所采用的矿用抢险多级泵转子部件轴向力平衡措施以及模拟方法,可为类似的多级泵产品提供参考。     

离心泵平衡孔位置对轴向力及外特性的影响

以离心泵平衡孔平衡轴向力的方法为研究对象,利用计算机CFD技术和试验研究相结合的方法,对平衡孔径向位置与平衡轴向力的效果和泵的外特性的关系进行了深入研究。研究表明,平衡孔位置对轴向力和外特性影响有一定的规律,对平衡室内压力影响显著;随着平衡孔位置径向半径增大,平衡室内整体压力增大,轴向力也越大;径向半径越小,平衡轴向力的效果较好,但泄露量大,扬程和效率略有降低。     

活塞膜片式压力补偿器的分析

针对深海大压力平衡问题，提出一种活塞膜片式压力补偿器，阐述了补偿器的工作原理。采用O型圈密封结构，并通过 ANSYS 大型分析软件对其密封性能进行了分析。建立了补偿器的数学模型，利用Simulink进行了仿真，证明该补偿器能够实现深海压力和油液体积的补偿，拥有较好的密封性能和良好的动态特性。     

多级离心泵轴向浮动支撑结构的研究与设计

为解决多级离心泵因轴向力引起的平衡盘磨损和轴承烧损等问题,提出了一种组合轴承支撑结构。该结构由轴向自由的圆锥滚子轴承(文中称为浮动轴承支撑)与圆柱滚子轴承组合而成。其中,圆锥滚子轴承侧轴承安装外套采用浮动结构,允许轴承轴向自由窜动,并限制转子向泵进口端方向移动的极限位置,保证平衡盘保持有最小间隙,避免了平衡盘磨损;组合支撑结构确保圆柱滚子轴承只承担径向力,圆锥滚子轴承只承担轴向力,改善了轴承受力条件。浮动轴承支撑采用弹性压盖,确保轴承内外圈与滚子紧密贴合,防止滚子与内外圈的相对滑动,提高轴承的使用寿命。实际应用表明该结构运行平稳可靠。     

离心泵的轴向力的数值计算与分析

在对带平衡孔的离心泵进行详细的分析,建立离心泵全流场的数值计算模型,基于流场模拟软件CFX,运用RNG k-ε双方程湍流模型,获得离心泵内部压力分布,得到轴向力的大小,并且在数值计算的基础上计算出各组成轴向力的大小。研究表明,由于平衡腔及平衡孔的影响,造成叶轮内部压力分布并不均,叶轮进口流场发生巨大变化,并且由此产生的轴向力占到整个轴向力组成的主要部分。     

电阻应变式压力传感器应用

正电阻应变式热套热电偶压力传感器,通过枯结在弹性元件上的应变片的阻值变革来丈量压力值.众所周知,平凡电阻丝受到拉伸时,电阻值增大;受到压缩时,电阻值减小,这便是所谓金属电阻的应变效应.电阻应变片压力传感器正是依据这一原理制成的。电阻应变式压力传感器的重要布局情势有膜片式、筒式和组合式,膜片式得当于测低压,筒式则得当于测高压。     

一种高压大流量气动定差压力控制阀的研究

介绍一种高压、大流量气动定差压力控制阀及其结构特点 ,对其性能进行了理论分析和实验研究。由于采用了直动膜片式放大结构和气体静压支承原理 ,该阀具有响应灵敏、控制精度高、自适应能力强等优点。目前 ,该阀已用于某发射装置     

增压器浮环轴承润滑过程数值分析

以流体滑动轴承的润滑理论为基础，分析研究了内燃机增压器浮环轴承的工作机理和结构参数与性能的关系。建立了浮环轴承力平衡、力矩及摩擦功率损失的方程式，探讨了轴承内外膜承载能力与相应转速比、间隙比、偏心率等参数之间的关系。结果表明：浮动套内外半径比增大，偏心率减小，承载能力增大；间隙过大或过小，难以形成润滑油膜，影响承载能力；索氏数（Sommerfeld数）越大，则轴承的承载能力也越大。     

考虑弹流润滑效应的三点接触球轴承刚度特性分析

为获得润滑状态下三点接触球轴承更为准确的刚度特性,应考虑弹流润滑效应对轴承刚度的影响。文中基于拟静力学模型考虑高速离心力和陀螺力矩效应,根据给定轴承的结构参数和工况,计算滚动体与内外圈的法向接触载荷和各部件的运动速度。将拟静力学模型的计算结果和润滑介质参数代入弹流润滑模型,求解出滚动体与内外圈之间的压力分布和油膜厚度分布。进一步研究了转速、轴向载荷和润滑油的初始黏度对油膜压力和最小油膜厚度的影响。基于弹流润滑理论分析了转速和轴向载荷对轴承接触刚度、油膜刚度及综合刚度的影响。结果表明：转速的提高会大幅增加润滑油膜的整体厚度;润滑油初始黏度的增大会增加油膜厚度;随着轴承转速的提高,轴承的整体轴向刚度和轴向油膜刚度减小;随着轴向载荷的增大,轴承轴向刚度和轴向油膜刚度增大,且差值变化不大。