仿生半规管传感器密度差感知特性研究

采用表面对称电极含金属芯聚偏氟乙烯(PVDF)纤维(SMPF)传感器,代替人体纤毛细胞感受器,设计制备了一种仿生半规管。根据压电方程和密度差理论,建立仿生半规管的密度差感知机理理论模型。搭建了实验系统,测试了传感器对仿生内淋巴液与仿生壶腹嵴之间密度差变化的感知功能。实验结果表明,仿生壶腹嵴传感器在液体压力作用下可以产生相应的变形,并且不同密度差下的响应幅值不同,同时验证了人体半规管中,当密度差足够大时,半规管具有对直线加速度产生反应的能力。     

PVDF压电纤维仿生柔性传感器水下传感特性研究

感知器官对于许多动物必不可少,尤其是生活在水下的生物。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)为材料,模仿水生动物海豹的触须设计制备了一种表面四电极PVDF压电纤维仿生柔性传感器。利用激振源测试所制备的传感器性能,包括输出不同的波形测试对不同激励的感知,对水动力的感知及对水下运动物体方向的感知。实验结果表明,该传感器对不同激励的感知性能很好,速度检测极限可达0.15 mm/s,且有良好的方向性检测能力,对水下情况感知的应用前景广。     

钢管混凝土柱断面界面剥离缺陷检测试验研究

提出一种基于压电陶瓷激励与传感技术的钢管混凝土柱界面粘结缺陷检测方法。将嵌入式压电功能元和粘贴在钢管外壁的压电陶瓷片分别作为驱动器和传感器,比较不同频率简谐信号下传感器测量幅值,发现界面剥离区域传感器测量信号幅值明显小于无剥离区域传感器信号幅值,探讨了不同激励频率下所定义的损伤指标的变化。     

仿生毛发气流传感器在流场中的传感特性研究

模仿昆虫感受器的结构,设计制备了一种仿生毛发气流传感器——表面对称电极含金属芯聚偏氟乙烯(PVDF)纤维（SMPF）传感器。基于流体力学理论和第一类压电方程建立了SMPF的气流传感模型。搭建了实验系统,验证了SMPF对于气流速度的传感能力。实验结果表明,SMPF的输出信号和气流速度的平方成线性关系,验证了理论模型,表明SMPF具有感知气流速度的能力。将纤维呈阵列排布置于风洞流场中,用气流对纤维阵列进行冲击,搭建实验系统,验证了纤维在流场中的传感特性,并进行有限元仿真分析。实验结果表明,在风洞装置中,当有气流流过时,会产生流动边界层,且沿着气流速度方向边界层厚度越来越厚,同一截面上的气流速度差也越来越大。实验结果验证了理论模型,表明SMPF具有感知流场分布的能力。     

半电极压电纤维能量收集动力学建模与仿真

半电极含金属芯压电纤维能将环境振动通过弯曲变形转换成电能。运用分析力学方法建立了半电极含金属芯压电纤维能量收集装置的理论模型,推导了在谐波激励下,经过AC-DC转换后的归一化能量表达形式,分析了能量收集效率受金属芯与压电层的半径比、柔度系数比、压电材料的机电耦合系数及外界激励方向的影响,分析结果表明,当半径比达到2.4,材料机电耦合系数达到0.4,能量收集效率会接近相对最大值。本研究结果适用于压电纤维能量收集装置的分析与优化设计。     

含金属芯压电纤维对Lamb波传感实验研究

含金属芯压电纤维(MPF)是一种新型的压电功能元件,该文将其应用于超声Lamb波的传感.该文简述了其传感特性、研究现状,建立了一套基于MPF的兰姆(Lamb)波主动监测系统,实验研究并分析了MPF对Lamb波的传感特性.实验结果表明,MPF作为Lamb波传感器是可行的,且其对Lamb波的传感具有很强的方向性,随着Lamb波传播方向与MPF轴向夹角的增大,信号的峰值单调递减.当激励信号频率为160 kHz时,沿MPF轴向激励时信号幅值约为垂直于MPF轴向时的5倍.     

仿生角加速度传感器设计及传感特性研究

半规管是人体前庭系统中的一种角位移感知器官,该文基于人体半规管几何尺寸、机械属性及内部结构,利用表面对称电极含金属芯聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维(SMPF)传感器,设计制备了一种结构尺寸、工作机理与人体半规管基本一致的仿生角加速度传感器。同时搭建了实验系统,对仿生半规管传感器的感知理论模型进行了验证。实验结果证明,传感器的工作机理与数学模型推导结果基本一致,仿生传感器在不同加速度刺激下输出相应幅值的电信号。通过扫频实验确认系统固有频率约为10 Hz,可用于人体头部的运动检测。     

冲击下钢筋混凝土桥墩损伤监测试验研究

钢筋混凝土桥墩受船舶等撞击后损伤状况的监测对其安全性评估具有重要意义。该文提出一种基于压电应力波传播的钢筋混凝土桥墩损伤状况监测方法,对表面布置有压电陶瓷传感器阵列的钢筋混凝土桥墩缩尺模型进行落锤冲击试验,对比冲击前后简谐激励下测量信号幅值和扫频激励下测量信号小波包能量值,实现试件裂缝损伤监测。监测结果与试件实际开裂情况吻合。结果表明,所提方法能有效地监测桥墩结构在冲击作用后的裂缝损伤状况。     

弯曲摆动作用下MFC输出开路电压幅值的研究

为了对基于柔性压电材料的流致振动俘能装置的设计优化提供技术支持,对一种压电纤维复合材料（MFC）的压电纤维片在弯曲摆动作用下的压电特性展开研究。首先理论分析了MFC压电纤维片的压电输出机理,并建立了压电模型,得出影响MFC压电纤维片输出开路电压幅值大小的各种因素;然后设计搭建了一种基于步进电机的MFC压电纤维片往复弯曲摆动试验台,利用该试验台研究了MFC压电纤维片在不同弯曲角度、弯曲摆动速度、基板、表面积等因素下的压电特性。研究结果表明,MFC压电纤维片的输出开路电压幅值随纤维片弯曲角度的增加而增大,当输出电压幅值达到最大值,继续增加弯曲角度,输出开路电压幅值不会产生明显变化;其输出开路电压幅值随压电片表面积的增加而变大;弯曲摆动速度及基板对输出开路电压幅值影响较小。     

复合材料结构与表面压电材料动态布局优化

针对简谐激励作用下的复合材料结构,通过优化结构的铺层、纤维铺设角度和铺层材料及优化结构表面压电材料的分布,实现了最小化结构振动响应。将压电材料的压电效应等效为压电感应力作用。应用离散材料优化(DMO)法对压电复合材料结构进行建模,以结构局部位移响应为优化目标函数,给定质量约束,建立优化问题模型,并使用移动渐近线法(MMA)求解优化问题。数值算例结果表明,该优化设计的振动响应明显小于初始设计的振动响应,说明该优化方法的有效性。     

光纤形态传感器研究进展

光纤形态传感技术是解决柔性体形态测量、光电缆实时形态跟踪、医疗介入针轨迹实时跟踪等3D形态恢复问题的创新型技术方案。光纤形态传感技术以光纤作为敏感元件,传感器具有结构简单、易于嵌入安装、测量不需要视觉接触、耐腐蚀,以及抗电磁干扰等优点,适用于水下、地下等复杂环境中的大尺度结构形态测量。近年来,光纤形态传感器受到了越来越多的关注,文章综述了光纤形态传感技术的最新研究进展,以一维曲率传感器、全向型曲率传感器和空间形态传感器为线索,介绍了各阶段传感器的研究现状以及面临的挑战。     

光纤布拉格光栅振动传感器的研究进展

随着光纤传感技术的不断发展,光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)振动传感器在实际应用中的复杂振动测量性能愈发优良可靠。基于FBG振动传感器的优势,简略地阐述了FBG振动传感器的工作原理,并介绍了近5年国内研发的部分悬臂梁型、膜片型、铰链型三种结构的优缺点。最后针对FBG振动传感器提出了4个方面的建议,并展望了FBG振动传感器的发展方向。     

布里渊光时域分析仪与马赫-曾德尔干涉仪共同检测传感技术

布里渊分布式光纤传感器适用于测量静态的温度/应力,而马赫-曾德尔干涉仪分布式光纤传感器(DOFS)可测量动态的应变变化。许多应用场合需要静态和动态的传感信息,这是单机理分布式光纤传感器难以达到的。由于布里渊光时域分析仪(BOTDA)和马赫-曾德尔干涉传感器都采用双向环路传感光纤结构,通过共用光源和主要光器件,将布里渊光时域分析仪和马赫-曾德尔干涉传感器相结合。利用布里渊传感测温度,马赫-曾德尔传感器测振动,从而可实现多机理多参量传感。搭建了25 km传感实验系统,对于马赫-曾德尔振动传感,定位精度达到60 m,并可计算振动频率;对于布里渊传感,在没有振动时传感光纤的始端和末端都为2 ℃的测量精度,但在振动时得到始端为3 ℃、末端为4 ℃的测量精度。     

消除萨尼亚克光纤电流传感器振动干扰的光纤补偿环研究

与传统电磁式电流互感器相比,基于法拉第效应的光纤电流传感器有许多明显的优点,因而获得了广泛的研究。萨尼亚克(Sagnac)环形电流互感器是在干涉式光纤陀螺结构上发展起来的一种互感器结构。外界环境的振动因素是抑制Sagnac光纤电流互感器的最重要因素之一。为了消除振动对电流互感器测量结果的影响,给出了一种新型的光纤电流互感器免疫方案,其基本原理是增加外部闭环线圈来补偿所受振动影响。利用琼斯矩阵对此种光纤电流互感器结构进行了详细的理论分析。理论分析及实验结果均能证明此种方案可以完全消除电流互感器在实际环境中所受振动因素的不利影响。为高精度Sagnac干涉式光纤电流互感器的实现提供了可行的解决方法。     

应用于折射率检测的光纤表面等离子体波传感器的研究

光纤表面等离子体波传感器具有结构简单、灵敏度高等特点,在机敏结构中具有非常重要的应用前景。运用光纤表面等离子体波来测量折射率是一种简便、灵敏的方法,我们可以利用这一特性制作出通过检测折射率对复合材料进行固化检测的光纤表面等离子体波传感器。本文介绍了光纤表面等离子体波传感器的基本原理及利用这种光纤传感器来测量折射率的初步研究。     

光纤倏逝波化学传感器灵敏度特性研究

为了克服传统光纤化学传感器的不足,运用宽光谱分析法设计一种基于倏逝波原理的光纤化学传感器,研究了传感器的几何结构参数,溶液浓度与灵敏度的关系。运用光束传播法(BPM)分析传感器几何结构参数与灵敏度的关系;通过化学腐蚀方法制备出不同参数结构的传感器,并用不同浓度亚甲基蓝溶液对这些传感器进行实验验证。实验结果表明,模拟结果与实验结果相符,溶液浓度越大,传感区纤芯越细、越长,灵敏度越高;文章提出的光纤倏逝波化学传感器在水质检测方面有着潜在的应用。     

基于过度耦合融熔双锥耦合技术的光纤振动传感器

介绍了两种新颖的单端传感器的设计方案,即带反射镜的OCFC传感器和OCFC光纤环路传感器,研究了在不同应变下这些OCFC传感器的透过率谱,并建立解调系统,给出了在振动作用下这些传感器的输出量.由于这些传感器成本低,很容易制造,且OCFC光纤环路传感器有良好的低频和高频响应,解调系统结构简单、价格低廉,因此这种传感器很适于实际工程应用.     

光纤传感技术的发展及应用

介绍了传光型光纤传感器与传感型光纤传感器的基本原理,阐述了强度调制型光纤传感器、干涉型光纤传感器、光纤光栅以及光纤声发射传感器的应用,提出了我国光纤传感技术存在的问题以及发展方向.