微扑翼飞行中的生物和仿生力传感器述评

随着昆虫飞行机理和仿生扑翼飞行研究的不断进展,理解昆虫的传感系统并研制适于微型扑翼飞行器的仿生传感器逐渐成为目前关注的焦点,而MEMS的快速发展使得研制新型的仿生微型传感器成为可能。简要介绍仿生扑翼飞行中传感系统研究现状,对昆虫飞行中采用的力传感器原理、分类进行了介绍;重点分析了几种典型的力传感器;归纳和总结了基于昆虫毛状传感器、钟状传感器和平衡棒仿生,采用各种MEMS技术研制的微型力传感器的生产工艺和应用特点;探索和展望了仿生力传感器的发展特点和今后的发展趋势。     

微结构气体传感器的加热器设计与模拟

利用有限元分析工具ANSYS,对所设计的硅基微结构气体传感器的温度场进行了模拟.运用实体建模的方法建立了传感器衬底的多层结构模型,采用8节点等参数热单元solid70进行了分析.根据器件工作时需要的加热功率,设计了这种硅基气体传感器衬底微加热器的尺寸,确立了对流和环境温度等边界条件,从而达到气体传感器衬底的温度场分布均匀的要求.     

基于微型热敏传感器阵列的边界层分离点测量研究

通过分析流体边界层分离原理,针对分离点附近物面剪应力的变化规律,提出了用微型热敏传感器阵列在被测物体表面贴附完成实时分离点检测的测量方案.同时,提出了基于流体壁面剪应力分布测量边界层分离点原理的一维微型热敏传感器阵列输出信号的处理方法,并利用柔性一维热敏传感器阵列在标准翼型NACA0012上进行低速风洞试验,得到流体剪应力对应翼型表面位置传感器上的输出电压数据.通过对试验结果进行数据处理,验证了该判定方法对分离点位置判定的正确性和有效性.     

热电薄膜型气体流量传感器的热模拟分析

利用有限元分析工具ANSYS/FLOTRAN ,模拟并分析了一个基于薄膜结构的热电型气体流量传感器的温度场。并具体地分析了在气体流量通道入口处气体的流向角度对传感器输出信号以及气体流动状态的影响。将最终的模拟计算结果与实验数据进行比较 ,发现二者基本吻合。利用此热学模型来模拟和分析此类传感器 ,不但可以减少大量的模拟分析过程而且可以降低计算的复杂度 ,另外也为此类传感器的设计和验证提供了一个非常简单而有效的方法和依据。     

一种新型硅电容式流速流向传感器的设计

设计了一种基于体微机械加工技术的新型硅电容式流速流向传感器.这种传感器由圆柱型阻流体和支撑梁构成,这种结构将流体的流速流向信息转化为阻流体的位移,通过四组正交电容来测量位移,从而得到流体的流速和流向.理论计算了传感器的结构尺寸并利用有限元分析方法计算了传感器的电容输出.     

一种大量程压力传感器的结构优化设计与仿真分析

设计了一种大量程硅压阻式压力传感器,通过理论模型分析优化传感器结构尺寸,保证薄膜的线性变化和抗过载能力;并通过有限元建模分析可动薄膜位移及应力随压力变化关系,对结构进行优化设计;同时用有限元仿真验证理论分析的正确性.通过理论与仿真优化分析,提出了采用C型膜片一体化硅压阻式压力传感器结构,可动薄膜选用方膜边长为1000μm,厚度为50μm,实现0~2 MPa的压力测量.     

微型高温压力传感器芯片设计分析与优化

基于弹性力学和板壳力学理论,分析了微型高温压力传感器圆形膜片的受力分布,为力敏电阻在应变膜上的布置提供依据;利用有限元分析方法,借助ANSYS仿真软件,对微型高温压力传感器应变膜进行了一系列的分析和计算机模拟,探讨了传感器圆形应变膜简化应力模型的合理性以及温度对应力差分布的影响,得到了直观可靠的结果,为微型高温压力传感器芯片设计和研发新颖的微型高温压力传感器芯片提供有力的依据.     

基于微机械加速度计的振速水听器的设计与分析

对基于惯性传感器的同振球型振速水听器的工作原理进行了说明.采用多端口组件网络方法建立了用于振速水听器的梳齿式硅微机械加速度计的系统级模型.对内置加速度计,外部采用弹性连接的振速水听器在平面声波作用下的响应进行了仿真分析.分析结果表明,振速水听器不失真测量的工作带宽取决于其与水介质的密度比、波尺寸、与弹性连接构成振动系统以及加速度计自身振动系统的特性参数.多端口组件网络方法能够有效地实现振速水听器的建模与仿真.     

基于微电子的微型化学与生物传感器

近二十年来,电极尺寸相当于或小于微米极的微电极技术已有了长足的发展,并显示了有别于常规电极的优越性能。以迅速发展着的微电子技术制作的微电极也为微型化学传感器和生物传感器的批量制作及商品化展现了引人注目的前景。以厚膜和薄膜技术制作的微电极已在微型传感器领域中得到了相当成功的应用,某些微型气体传感器和生物传感器已实现商品化。近年来,基于硅片各相异性三维刻蚀的微机械加工技术也已用于微型传感器的制作。     

用于避障研究的微型仿生机器鱼3维仿真系统

基于VC++6.0开发环境和OpenGL（open graphics library）国际图形标准,在Windows系统下开发了微型仿生机器鱼3维仿真系统。该系统可以降低用实体机器鱼进行机器鱼避障能力研究的成本和减少在研究过程中对实体机器鱼造成的损害。采用多边形建模的方法构建了虚拟微型仿生机器鱼模型,模拟了鱼类尾鳍的摆动。提出了一种模拟红外传感器探测障碍物的虚拟射线方法。并采用实时模糊决策算法设计了基于多传感器信息的复合模糊控制器,决策微型仿生机器鱼的避障行为。仿真实验表明,复合模糊控制器实时性好、效率高;无论是单个任意形状的障碍物还是多个连续障碍物,复合模糊控制器都能有效地引导仿生机器鱼避开障碍物,到达目标点。微型仿生机器鱼3维仿真系统为研究仿生机器鱼的自主避障能力提供了可靠、逼真、便利的平台。     

基于动力学仿真的系留气球鼻锥有限元分析

针对系留气球进行了动力学仿真分析,在此基础上对一种用于固定球体的新型鼻锥结构进行了结构有限元分析,以确定其强度与刚度.首先采用计算流体力学CFD求得特定风速下系留气球所受的气动力,随后通过多体动力学软件Adams进行动力学仿真分析,确定作用在鼻锥上载荷的大小,并以此作为有限元分析的载荷边界条件;然后采用有限元分析的方法对鼻锥结构进行静力学和动力学分析;最后确定极限风速下艇首与鼻锥连接处的变形、载荷及应力情况.通过分析,为新型鼻锥结构进一步的设计改进与优化提供了参考依据.     

梳齿谐振器宏模型的系统级应用

宏模型的获取是由Krylov子空间投影法结合器件级有限元分析的宏建模方法来实现,利用此模型和基于可重用IP设计思想的系统级组件建模方法建立由VHDL-AMS语言描述的梳齿谐振器系统级模型,在华大VDE仿真平台上搭建出了梳齿谐振器的系统模型,并进行一系列的仿真,包括时域阶跃、交流电压信号仿真和频域交流小信号仿真,仿真结果与商用仿真工具ANSYS仿真结果保持良好的一致.     

Flow analysis in valve with moving grids through CFD techniques

The compressible air flow in a typical puffer chamber with moving contact between fixed electrodes has been studied using computational fluid dynamics techniques. Moving grid methods in CFD process not only plays a pivotal role in understanding the flow behavior in time domain but also helps for fixing the internals at optimal locations. A typical laboratory puffer chamber geometry has been extracted from the published literature and generated multi-block structured grid using Altair’s HyperMesh software. Flow simulation in axi-symmetry duct comprises fixed electrodes, moving contact and exit duct has been carried out with ANSYS-CFX software. It has been observed that, due to steps and curvature in the geometry, flow takes different turns from inlet and velocity distribution between fixed electrodes indicates vortex flow with turbulent eddies. CFD simulation with valve element mesh motion indicates that pressure history is significantly affected by the velocity of moving contact in the puffer chamber. The results obtained for a typical puffer chamber with the mesh motion are qualitative in nature and forms the sound basis for future design studies of electro-fluid dynamics of circuit breakers.     

仿生魟鱼环形胸鳍波动推进的流场仿真

针对自主设计的仿生魟鱼水下机器人环形胸鳍波动推进过程进行了流场仿真研究。基于魟鱼前进运动时的胸鳍波动特征,建立了仿生环形胸鳍三维波动运动模型。利用CFD对胸鳍波动推进过程进行数值计算,分析了波动胸鳍产生的拉力以及前向运动的速度等推进性能。研究了周期波动过程中鳍面的周向压力分布,进行鳍面附近核心涡以及切面二维涡分量的计算,分析了涡的产生、发展以及尾迹涡的相关特性。结果表明,稳定后的拉力系数以近似正弦波形式进行波动,鳍面波动前后缘分布的高压和低压区域随波动沿周向从前往后传播,环形波动长鳍最终在尾迹处形成卡门涡,流场分析为仿生魟鱼水下机器人的运动控制及性能优化提供理论基础。     

Flow simulation in industrial cyclone separator

The problem of ash settling on super-heater tube bank, due to improper velocity distribution, in the cyclone separator used at Circulating Fluidized Bed Combustion (CFBC) has been investigated by means of computational fluid dynamic techniques. With the help of Computational Aided Design (CAD) software packages, the geometries of recycling cyclone, has been constructed. With the suitable domain decomposition for the cyclone geometry, multi-block structured mesh has been generated and exported to commercial Computational Fluid Dynamic (CFD) solver – TASCflow. After assembling these grids in the flow solver, duplicate elements at mating surfaces are eliminated through generalized grid interfaces. Incompressible viscous flow for the specified flow conditions are simulated and numerical results are interpreted through contour plots and streak lines. The velocity distribution pattern obtained from the analysis exhibits strong flow recirculation with large turbulent eddies in the cyclone outlet. The analysis also observed high pressure drop across the cyclone separator. To improve the velocity distribution and to reduce the pressure drop, geometry has been modified with the deflector plates in the outlet duct and repeated the simulation. The results obtained for modified geometry are encouraging and shown the improved velocity distribution pattern in the outlet duct. The calculation of particle trajectories depends upon Stokes number, relative velocity of fluid/particles and concentration of particles. If the Stokes number, defined as the ratio of particle response time to system response time is less than one, particles motion is inline with the fluid motion. If the Stokes number is greater than one, particle motion deviates the fluid streams. Effects of these particle impacts are significant on component surface, especially, when they reacts/rebounds the wall surfaces.     

谐振式微加速度传感器的有限元分析

有限元分析用来评估一种新颖的谐振微加速度传感器,仔细分析新结构的几个主要振动模态,优化结构参数,证实这种硅基谐振式微加速度传感器的灵敏度高于1 000 Hz/gn.而且在有限元分析的基础上对实际制造的非完全匹配的双端固定音叉的特点和对于测量的不良影响进行分析.     

Modeling and Simulation for a Microstructure Silicon Concentrated Force Sensor

Based on the sensing mechanism of microsensor, a simulation model of a practical silicon beam resonator attached to an E-type round diaphragm and used for measuring concentrated force is established. The relationship between the basic natural frequency of the beam resonator and the concentrated force is calculated, analyzed and investigated. As a microsensor FEM is used to study some important simulation results on the vibration features of the beam resonators. Based on the differential output signals, a se...     

Visualization and interaction of finite element analysis in augmented reality

In this paper, augmented reality (AR) is used to enhance the visualization and interaction of finite element analysis (FEA) of structures. An integrated simulation system is proposed which acquires input data using sensors and uses AR technology to visualize FEA results in the real world. A number of intuitive interaction methods have been devised and implemented in this system. The user can perform real-time FEA simulation to investigate structural behavior under different loading conditions either through manipulating virtual loads or creating different loading conditions. Exploration of FEA results is enhanced through natural interfaces for manipulating, slicing and clipping the result data. Moreover, the user can modify the FE models of the structures through simplified operations for different purposes, e.g., adding structural members for stiffening and performing local mesh refinement. The modified model can be re-analyzed automatically. A prototype system has been built and a case study has been implemented to demonstrate the innovative interaction methods and evaluate the system performance.     

V型微通道热沉的 流体流动与传热问题研究

V型微通道热沉具有体积小、流速小、散热效率高等优点,是将多个DL线阵组装为面阵并实现高性能冷却封装的良好解决方案.本文采用计算流体力学软件Fluent建立了V型微通道的数值模型,研究了其中的流体流动与传热问题.仿真结果表明,设计的V型微通道可满足激光二极管线阵的散热要求.仿真分析结果与V型微通道热沉样品的模拟热源加载实验测试数据对比,吻合较好,证明了数值仿真的有效性.     

微传感器和执行器的计算机模拟技术

介绍了计算机模拟技术在微传感器和微执行器设计中的应用 ,通过对多晶硅压力传感器和微泵膜片的计算机模拟分析 ,优化了器件的结构设计。研究工作表明计算机模拟是微传感器和微执行器设计的有效工具