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。     

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。     

四电极含芯压电纤维简谐振动传感特性研究

受到水黾等动物能感知身体振动的毛发感受器的启发,设计了一种能感知外部振动的仿生纤维振动传感器。采用模具干压成型法制备了含铂金芯的压电陶瓷纤维胚体,经过高温烧结、涂镀表面电极、极化后,制成表面四电极含金属芯压电纤维(MMPF)振动传感器。并建立了悬臂梁结构,2对表面电极用作传感电极的传感器理论模型。把纤维固定在基体上,验证传感器对基体结构受到简谐激励的传感性能。结果表明,MMPF能够感知基体结构受到简谐激励的频率、幅值和方向。这种具有感知幅值和方向的仿生纤维振动传感器将有广泛的应用前景。     

基于光纤阵列的气流传感方法研究

提出了一种基于光纤光栅阵列的光纤气流传感器。单模光纤光栅的栅区长度为10 mm,将三根光纤光栅均匀环绕布设于硅胶基体。传感器外界环境温度以及气流流速的改变都会引起传感器反射谱的变化。通过监测反射谱可以实现对外界物理量的测量。实验分析可知,硅胶基体与光纤光栅有着很好的耦合效果,通过改变硅胶基体的长度使得传感器的传感特性得到有效改善。实验研究结果表明,在正常室温情况下,传感器的中心波长漂移量与流速成二次函数关系且传感器具有方向传感特性。本文提出的光纤阵列气流传感器结构紧凑、制作工艺简单、可靠性高。     

基于扫描波长调制光谱的气体质量流量测量方法研究

基于扫描波长调制光谱方法实现了超声速气流的温度、H2O组分浓度、压强、速度以及质量流量的测量。利用两条H2O吸收谱线的谐波信号,研究了均匀流场中超声速气流多参数同时测量的方法。基于波长调制光谱技术的测量结果能准确反映均匀流场中的气体参数,然而实际流场往往具有边界层。针对具有边界层的近似均匀流场,数值仿真研究了谱线选择和边界层厚度对流场中心流测量结果的影响。仿真结果表明,随着边界层厚度不断增大,测量结果误差逐渐增大,选择对边界层温度不灵敏的吸收谱线能够有效降低边界层的影响。对超燃直连台隔离段内的超声速气流进行实验研究,结果表明基于波长调制光谱的测量方法在强噪声和强振动的环境中具有较高的测量精度。温度、H2O组分浓度、压强、速度以及质量流量测量值与预测值的最大相对偏差分别在8.2%、7.2%、2.0%、3.1%和6.4%以内。     

针对静态感知系统的坐标系改进设计

由于四个菲涅尔透镜和四个热释电传感器组成的四元十字阵列静态感知系统探测视场角度大,相邻感知区域有重叠,导致传统的感知系统坐标系的探测精度降低。为了提高探测目标的可靠性,提出一种改进的二维坐标系。该坐标系根据相邻感知区域的重叠区,重新建立十字坐标系统。文中建立了新坐标系的理论模型,经过实验验证,该改进坐标系设计切实可行,使感知系统探测目标精度有所提高,具有一定的实际应用价值。     

分布式热释电传感器网络实验平台的设计

重点研究了基于热释电传感器的分布式无线传感网络实验平台的构建技术。通过研究热释电传感器工作原理、信号衰减模型等硬件特性,设计了基于热释电传感器阵列的无线通信节点。结合大规模或复杂环境应用的需求,搭建了准确的、可拓展的分布式热释电传感器网络实验系统平台;同时开发了基于Labview的数据分析处理虚拟平台,通过实验验证并分析了该平台的性能,实际测试表明实验平台符合实际应用的需求。     

基于稀疏协方差矩阵迭代的单快拍气流速度估计算法

该文研究基于声传感器阵列的单快拍气流速度估计问题。首先,根据声波在亚音速和超音速气流中的传播特性,针对特定的测量装置,建立了声传感器线性阵列的输出模型。在此基础上,提出一种稀疏协方差矩阵迭代的单快拍(Sparse Covariance Matrix Iteration with a Single Snapshot, SCMISS)气流速度估计算法,与其他稀疏估计方法相比,该文提出的SCMISS算法无需正则化参数选择,计算量更低,具有更强的实时性,且只需单快拍采样数据就可对亚音速和超音速气流速度进行统一估计。最后,为了评价所提算法的估计性能,推导了气流速度估计的克拉美-罗界(Cramr-Rao Bound, CRB)表达式。仿真实验验证了该算法的有效性。     

“米”字型PIR构建正方形模型的目标轨迹预推技术

针对单感知平台动静热释电红外传感器（PIR）阵列在目标轨迹测量方面的局限性,提出了利用4感知平台的米字型PIR阵列构成正方形感知模型实现对目标运动轨迹的测量。在该研究中,单感知平台由8个PIR传感器组成米字型阵列,每个传感器间隔45均匀分布;将4感知平台的米字型阵列规则排布建立封闭的正方形感知模型,通过多传感器自适应加权融合算法将4感知平台的32路传感器角度信息进行融合,再结合自身坐标信息及检测目标时间信息通过轨迹预推算法推导出准确的运动轨迹,同时得到目标的运动速度。实验结果表明,该方法有效弥补了单感知平台PIR阵列功能上只能实现单一定位且精度低的不足,实现了目标运动轨迹的准确测量以及时序上目标位置的预判,具有较大的理论意义与实际应用价值。     

基于FPGA的嵌入式FBG解调系统的研究

波分复用技术是构成各种复杂和大型FBG传感网络最关键的复用技术.为了有效解调FBG传感阵列,提出并实现了一种基于COMS图像传感器的FBG图像解调方案,方案的硬件平台采用以FPGA和ARM处理器为核心的主从结构设计,将FBG阵列的波长解调转化为了FBG光斑图像解调.实验结果表明,FBG图像解调系统具有精度高、复用能力强、远程监控、易于维护和升级等优点,对推广应用大型FBG传感网络有实际意义.     

基于啁啾光纤布拉格光栅的流速传感器

设计了一种基于啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)的新型 流速传感器,包括CFBG压强传 感机构和文丘里管。压强传感机构中,密闭铝箔管横截面两边的压力差导致矩形悬臂梁变 形,从而引起粘贴在悬臂梁侧边的CFBG的反射光谱带宽发生变化。通过 检测其带宽,得到被测流体的速度。实验表明,CFBG反射光谱带宽对温度不敏 感,流速传感器的动态测量范围为8~100mm/s,设计方案是切实可行 的。     

基于双光纤布拉格光栅的流速传感器

设计了一种基于双光纤布拉格光栅的新型流速传感器,它包括双光纤光栅压强传感机构和文丘里管.导出了双光纤布拉格光栅的波长漂移差与流速的关系.压强传感机构中的密闭铝箔管横截面两边的压力差导致等腰三角形悬臂梁变形,从而导致安装在悬臂梁两边的光纤布拉格光栅的布拉格波长漂移.通过检测两个布拉格光栅的波长漂移差,得到被测流体的流速.双光纤布拉格光栅通过补偿温度效应,解决了光纤布拉格光栅传感器的交叉敏感问题.该流速传感器的动态测量范围为8～200mm/s.实验表明,双光纤布拉格光栅的中心波长随流速的增加分别向长波和短波方向漂移,而带宽几乎不变,实验和理论符合得较好,该设计方案是切实可行的.

Abstract：

By using the fiber grating pressure sensing setup and Venturi tube,a novel flow velocity sensor based on double fiber Bragg gratings (FBGs) is proposed.The relationship between the flow velocity and the wavelength shift difference is derived.The pressure difference of the two sides of the cross section of the aluminum foil tube in the pressure sensing setup results in the distortion of an isosceles triangle cantilever structure.And the distortion results in the Bragg wavelength shift of the FBGs mounted at either side of the cantilever.By monitoring the wavelength shift difference of the two FBGs,the flow velocity can be obtained.The cross sensitive problem can be solved by compensating the temperature effect.Experimental results are in good agreement with theoretical analysis.The central wavelength of two FBGs shifts to the shorter and longer wavelength respectively with the rise of the flow velocity,while the bandwidth is almost unchanged.The experimental results verify the feasibility of the proposed sensor with a measurement range of 8~200 mm/s.     

用于迫弹速度测量的柔性MEMS流速传感器仿真

大部分迫弹采用引信涡轮发电机兼作为弹道辨识用的速度传感器,但是涡轮发电机存在着低速停转和高速限速等测速问题.设计了一种贴装在引信上测量迫弹飞行速度的宽量程柔性MEMS流速传感器.利用有限元仿真软件对迫弹引信进行了流场仿真,确定了流速传感器在引信进气道内的贴装位置,并对传感器进行了热-流场耦合仿真.引信流场仿真表明,拉法尔管进气道后端壁面处流速与迫弹飞行速度为近似线性关系:迫弹飞行速度0～350 m/s对应壁面流速为0～75 m/s.进气道内安装的柔性流速传感器的热-流场耦合仿真表明,由传感器加热电阻的加热功率和三个测温电阻对的温度差可测量0.01～75 m/s的流速,这为传感器用于迫弹的弹道辨识奠定了理论基础.     

基于MEMS技术的仿生纤毛风速传感器的设计和仿真

设计了一种可以实现二维风速测量的电容式纤毛传感器,其特点为通过差分电容检测流速,传感器运动结构所对应的背硅被完全刻蚀。采用有限元分析软件,通过流体-固体-静电场的多物理场仿真,分析得到了传感器的差分电容与风速的变化关系。结合电容传感器AD7746的理论精度,计算得出传感器的风速灵敏度为0.25mm/s。此外,设计了基于SOI硅片的传感器微加工制备的工艺流程。     

一种基于CMOS工艺的二维风速传感器的设计和测试

给出了一种完全基于CM O S工艺的、能同时测量风速和风向的二维测风传感器的结构、工作原理及其测试结果。该传感器采用恒温差工作模式,热堆输出电压平均值反映芯片温度和环境温度的差,省去了测温二极管。风速测量采用热损失型原理,因此不存在速度量程问题;同时通过四周对称分布热堆的相对差分输出得到风向,风向的测试和风速无关。测试电路是由普通运放电路组成的控制和测试系统。经过风洞测试,风速的测量可以达到23m/s,风速分辨率达到0.5 m/s,风速的最大误差为0.5 m/s。传感器的反应时间为3~5秒,整个功率损耗约为500 mW。     

具有脉宽调制输出的CMOS集成流量传感器

本文介绍一种数字化输出的集成流量传感器,传感器由温敏元件、加热元件和触发器组成,电路连接使得传感器工作在加热和冷却的振荡状态,产生方波输出,其脉冲宽度用作为流速的量度。该传感器由通用的CMOS工艺制成。     

二维MEMS风速风向传感器的设计与测试

给出一种基于MEMS工艺的二维风速风向传感器的设计、制造以及测试结果。该传感器加热电阻采用圆形结构,四个测温电阻对称分布在芯片四周。传感器芯片在玻璃衬底上采用两步MEMS剥离工艺加工,加工工艺简单可靠。该传感器采用恒功率工作方式,利用热温差原理测量风速和风向。经过风洞测试,传感器可以完成360°风向检测,误差不超过10°。     

风力发电中全光纤风速传感器及制作工艺研究

为了实现风力发电场多点、远程风速检测,便于测量和风场风速物联网的构建,采用风杯来调制光纤布喇格光栅的方式,设计了一种全光纤风速传感器,通过光纤光栅波长的变化频率可以求出对应风速值,并对传感器设计结构进行了说明,介绍了传感器的制作封装工艺以及相关的设备和实验数据。结果表明,传感器运行稳定可靠,测量误差不超过0.16m/s,适合于风电场的多点大容量风速监测,对风力发电实际应用具有重大意义。     

光纤布拉格光栅热式流量传感技术研究

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)热式流量传感技术具有测量阈值低、灵敏度高等优点,是近年来流量测量领域的研究热点。概述了FBG热式流量传感原理,总结了当前该技术研究的重点和难点问题(主要分为传感器加热、结构设计、温度补偿和封装增敏四个方面),旨在发现问题、展望未来。从近年来的典型研究成果入手,分析了电加热、光加热两种传感器加热方式和热线式传感结构。温度补偿和封装增敏部分则作为专题来研究,其中温度补偿旨在解决传感器加热换热与环境温度交叉敏感问题。最后归纳分析了该技术在大流量时的低灵敏度特性,并讨论了提升传感器灵敏度未来可能的研究方向和相关方法。     

A novel airflow sensor for miniature mobile robots

A novel airflow sensor has been developed for applications involving miniature chemical sensing robots. Information about air movement is essential for robots when they are searching for the sources of chemical plumes. The airflow sensor described here measures both wind direction and velocity at airflow rates commonly encountered in an indoor environment. Measurements are made by rotating a small paddle in the airflow. The varying speed of the paddle is analysed to determine both wind speed and direction. Low power consumption and rugged construction make the sensor well suited to robotic applications. The prototype sensor is small enough to fit on a mobile robot measuring only 10 cm in diameter. This paper presents the sensor operating principle, construction and some experimental results.