浮动式剪应力微传感器的标定

流体壁面剪应力微传感器的精确标定是进行流动测量的基础。分别采用自重加载、离心加载和风洞吹风三种不同方法,对基于电容检测原理的浮动单元剪应力微传感器进行标定与实验研究。对比了三种实验方法和标定的结果,分析了标定过程中的设备、传感器的加工及安装等误差的影响。研究结果表明,标定的传感器灵敏度为30 mV/Pa,三种标定方法的误差在2%以内,采用离心加载标定的误差最小;为进一步减小标定误差提供了改进方法。利用标定后的传感器,在风洞中对标准翼型的定点壁面剪应力值进行了测量,与仿真结果进行对比,二者能够较好吻合。     

光纤法珀压力传感系统设计与风洞初步实验

针对航空领域对大气压力的测量需求,基于光纤法珀传感和低相干干涉技术,搭建了光纤法珀多通道压力传感系统。介绍了系统解调算法及工作原理,对光纤法珀压力传感器的标定和温度补偿方法进行理论分析,将非恒温条件下的传感器拟合误差降低至0.134% F.S.。在风洞环境中,在侧滑角-4~4变化范围内,对飞机实体模型的三个监测点进行压力测量实验,并将压力测量结果与Ansys-Fluent软件模拟仿真结果做对比。结果显示,光纤法珀压力传感系统与模拟仿真数据变化趋势相同,全量程误差为0.38% F.S.,证明此系统能够提供可靠的压力数据,真实反映飞机模型被监测位置在风洞中的受力情况。     

一种微摩擦力光学测试方法

为了测试微观条件下材料表面的摩擦学性能,给出了一种微摩擦力的光学测试方法。基于MEMS工艺制作了硅微力传感器,通过标定的方法得到了微力与传感器的变形量之间的关系,采用光反射的方法测量了试验过程中传感器的变形量,进而通过数据处理得到微摩擦力。简要介绍了微摩擦力的光学测试原理,给出了硅微力传感器的结构及制作过程,并对铜和铝的表面进行了微摩擦力测量。初步试验结果表明,该方法具有测试精度高、重复性好、系统性能稳定的优点,能满足微机电系统中摩擦力测试的需要。     

多线结构光视觉传感器测量系统的标定

为实现大尺寸轧钢几何尺寸、形状误差、表面缺陷的实时检测,采用4个激光器和4个CCD摄像机搭建了多线结构光视觉传感器测量系统。针对多视觉传感器全局校准的关键问题,设计了特殊形状的靶标,提出了新的全局标定方法。利用交比不变原理获取光平面上多个标定点,同步实现视觉传感器的局部标定和全局校准。详细阐述了标定的基本原理和系统构建过程,分析了标定中存在的误差,并提出了减小误差的方法。实验验证系统重复测量精度在0.04mm以内,测量相对误差小于0.9%。     

激光三角位移传感器误差补偿的建模研究

为降低激光三角位移传感器非线性误差对其测量精度的影响,研究了激光三角位移传感器误差补偿的建模方法。深入了解激光三角位移传感器工作原理,在此基础上定量分析该传感器非线性误差。利用神经网络构建激光三角位移传感器误差补偿模型,使用多层神经网络获取线阵CCD与接收透镜之间的夹角。以及入射光线与接收透镜之间的夹角的映射关系。运用所得映射实现激光三角位移传感器误差补偿。实验结果表明：激光三角位移传感器的重复性优良,且测量时的光斑在线阵CCD上的成像质量较为优异。该方法补偿后的激光三角位移传感器残差大幅度下降,最大下降幅度约为46%。将待测物体表面粗糙度控制在5.6μm～9.6μm范围内,可获得更好的激光三角位移传感器误差补偿效果。     

用于表面粗糙度检测的双波长光纤传感器研究

论述了用于表面粗糙度测量的双波长光纤传感器的工作原理和实验装置，实验结果表明该系统具有线性好、抗干扰性强、测量精度高、可测微小面积等特点。推导了该传感器系统的测量误差公式，数值计算了温度变化造成的测量误差并据此做出了温度一测量误差关系曲线，分析了双波长传感器方案对于温度误差的改善程度。     

表面粘贴布拉格光纤光栅传感器的应变传递耦合机理研究

建立表面粘贴布拉格光纤光栅(FBG)传感器、黏结层、被测物体三者间应变耦合传递的分离式模型,推导得出FBG测量应变与被测应变真值之间的修正关系。通过有限元模拟和实验,验证该理论模型的精确性,并在不同粘贴条件下讨论理论解的精确程度和适用性。结果表明:理论值与实验值稳合良好,误差普遍低于1.6%;应变感知率及精度与粘贴长度和涂层弹性模量呈正相关,与被测物体力学强度呈负相关;应变感知率对保护涂层、黏结层的几何特性不敏感,但其精度与两者呈负相关。研究成果对表面粘贴FBG应变测量、误差修正和传感器设计具有重要的参考意义。     

基于单目的手持式视觉测量方法研究

提出一种基于单目视觉和惯性传感器的视觉测量方法,当手持移动摄像头时,利用惯性传感器获取摄像头轨迹,再根据多视角测量原理,测量被测物体的大小、位置等信息;利用图像特征点的移动信息抑制加速度传感器的累积误差。实验证明测量结果误差在2%以内,且该方法不需要任何摄像机外参数的先验知识及定标参照物,可满足实际测量需求。     

PSD位移传感器测量误差的修正方法

为了提高自制位置敏感探测器(PSD)激光三角位移传感器的精度,提出一种简单、可行的数据修正方法,对传感器所采用的测量原理、敏感器件及自制工艺等进行了研究。首先,对自制的位移传感器的静态精度进行实验标定,分析其位移误差曲线。通过将位移测量误差曲线与敏感器件自身检出误差曲线进行比对,结合自制传感器的组装工艺,分析其误差来源。然后,通过调整激光三角测量原理中位移传递公式的具体参数,达到优化自制位移传感器的静态精度的目的。最后,用反复多次地,不同测量范围、测量步长下的位移数据曲线优化效果,证明这种修正方法的普适性。实验结果证明:经过该方法修正后,自制的PSD位移传感器的测量数据的误差降低约80%,其静态位移精度基本达到1%。这种修正方法能够简单、有效地提高PSD激光三角位移传感器的测量精度。     

基于传感器的精密光学位移测量预测研究

考虑到当前的精密光学位移测量预测因其动态预测能力较差,导致位移测量预测结果误差较大的问题,设计基于传感器的精密光学位移测量预测方法。选择合适的传感器,设定测距获取光学测量原始数据。对采集到的数据进行整理与分析,获取待测目标位移特征参数。使用支持向量机理论结合位移特征参数,构建位移测量预测模型。计算预测模型损失函数,控制预测误差。通过数据采集传感器获取振动系统的位移,将其作为实验对比过程中的对照位移值。经实验结果证实,采用本方法的位移精度高达52%,而位移耗时高达3%,在不同的测距与振幅条件下,此方法的预测误差小于当前方法预测误差,且预测结果与实测结果较为一致。     

用于微摩擦测试的微力传感器及其制作

微构件表面的摩擦状况和磨损机理与宏观构件有较大的区别，需一种能够测量微米尺度样品摩擦特性的专用仪器。给出了一种新型硅微力传感器的设计原理、结构、制作工艺及其弱信号采集方法。静态性能测试结果表明，传感器最大输出电压2000μV，重复性约为1．3％，灵敏度约为65V／N，分辨率为46μN，总精度为2．3％，基本上满足了微摩擦测试的需要。实验及计算表明，通过优化微力传感器的结构，改进芯片的封装，可以大大减少其体积，并提高其各项性能指标。     

8/4-4分载式并联六维力传感器建模与分析

为增大传感器量程,适应大负载要求,基于8/4-4并联压电六维力传感器,提出了一种8/4-4分载式并联结构的六维力传感器。基于大力分载原理,在8/4-4并联压电六维力传感器的基础上,各个支链采用压电陶瓷作为敏感元件,增加中心承载梁,使其分载传感器的大部分外负载广义六维力。建立8/4-4分载式并联六维力传感器的数学模型,并推导其解耦算法。通过ADAMS算例仿真与理论模型进行对比,六维力传感器的数学模型及解耦算法的误差不超过0.14%,验证了其准确性。     

新型风力压电发电装置设计及发电性能

为了利用压电发电装置采集自然界中的风能,并解决传统压电发电装置受外界振源限制的缺陷,设计了一种新型的风力压电发电装置。对装置中的悬臂梁压电振子进行了发电电压的理论分析及有限元验证,结果表明,压电振子发电电压的理论计算结果与ANSYS仿真结果基本吻合,两者之间的误差仅为0.54%。在此基础上,运用ANSYS有限元软件来计算该新型风力压电发电装置的发电能力,计算得到装置在振幅为1 mm、频率为20Hz的简谐力作用下,一个悬臂梁压电振子所产生的电压为30.1V。为了获得最佳的发电性能,对发电装置的结构参数进行了优化设计,研究结果表明,当悬臂梁压电振子的上表面比风车轴凸轮上凸点的最低点位置高2mm时,该装置具有最佳的发电性能,一个悬臂梁压电振子可产生约60.3V的发电电压。     

基于聚酰亚胺基底的热线式剪切应力传感器

利用非硅微机械加工技术,制作了一种柔性热线式剪切应力微传感器。该传感器以聚酰亚胺膜为基底,可与被测曲面物体紧密贴合,具有较好的测量适应性和准确性。传感器采用线性度好、温度系数较高的铂金属制作敏感热线。为减少对被测流场的干扰且便于传感器的信号传输,传感器使用了背面引线结构。设计了恒温工作模式的传感器检测电路,并对电路的工作原理和参数设置进行了详细分析。对传感器进行了风洞实验,绘制得到剪切应力与输出电压的关系曲线。实验结果表明,设计制作的传感器及其电路可行。     

压电双晶梁MEMS传感器的稳健设计研究

微机电系统(MEMS)传感器结构参数的微小变差会影响其性能稳定。为提高MEMS传感器性能的稳健性,以压电双晶梁MEMS传感器为例,根据Smits模型,分析压电双晶梁的设计变量和噪声因素的随机性,建立基于随机模型的稳健设计数学模型;编制算法程序,确定MEMS传感器的最优设计解结果优于原设计方案。对比其稳健设计容差模型所得优化解,两者误差率为6.17%,验证了稳健设计结果的正确性。研究表明,即使设计变量存在变差,稳健设计仍能提高MEMS传感器的性能,并保证设计解的稳健性。     

基于差压原理的矿用光纤光栅风速传感器

设计了一种新型的矿用光纤光栅风速传感器,利用差压原理实现风速转化,由波纹管、等强度悬臂梁和双光纤光栅组成差分敏感机构,并通过算法进一步进行温度补偿,有效克服了温度交叉敏感问题,提高了应变测量的灵敏度。文中推导了光纤光栅中心波长变化量与风速的关系,同时对敏感机构进行了水压模拟试验,得到传感器敏感机构的灵敏度为0.703 pm/Pa,与理论值具有很好的吻合度;对风速传感器样机进行风洞试验测试,结果表明风速在0.2~20 m/s的情况下,传感器测量误差可基本控制在0.3 m/s以内,并具有良好的线性关系。     

一种简单的电容式三维力柔性触觉传感器设计

随着机器人智能化程度不断提高,机器触觉和机器视觉技术均得到了很大发展,但是目前大部分触觉传感器均不能满足触觉感知应用的要求。因此,提出了一种新型的具有滑觉检测功能的柔性三维力触觉传感器。该传感器能够将力量变化转化为气隙变化,进而引起电容发生变化。然后将接触力建模为实测电容的多项式函数,对传感器输出进行校正进而实现法向力测量和滑动检测。测试结果显示,提出的传感器能够以较高的精确度测量法向力,重复性好,并且能够检测滑动现象,在0-100mN测量范围内的法向灵敏度约为0.4 pF/N,均方根误差为1%。此外提出的传感器结构简单、成本较低,易于大规模生产和应用。     

基于压电传感的电缆接头界面压力测量研究

配网电缆接头冷缩管的界面压力是电缆接头绝缘强度和密闭性能的重要保障。目前研究中很少分析在界面压力测量中因薄膜传感器本身形变造成的误差。因此,该文首先优化压电薄膜传感器结构,减小压电材料形变产生的影响,然后根据实际形变量对弯曲力进行补偿,分别给出了结构优化与受力补偿的量化公式,并试制电缆接头界面压力测量装置。实验结果表明,在有补偿情况下测量的界面压强值与无补偿测量值相差11.5%,且误差随曲率半径的减小而增大,验证了压电薄膜传感器形变弯曲力补偿的必要性。     

压电力传感器中晶轴偏转产生的维间耦合研究

针对压电式石英力传感器的维间耦合现象,从敏感材料测量原理出发开展研究。结合优化算法,以控制维间耦合为目标,建立了石英晶轴偏转与传感器维间耦合的公式关系,计算了石英晶轴偏转角度的容差范围,并通过有限元仿真验证了公式精度。结果表明,晶轴偏转对传感器维间耦合影响较大,建立的公式在一定范围内可较高精度地计算维间耦合输出,为高精度压电传感器的研究提供了参考。