基于磁致伸缩逆效应的超磁致伸缩力传感器

磁致伸缩逆效应是稀土超磁致伸缩材料的一个重要应用特性,应用磁致伸缩逆效应可以制作超磁致伸缩力传感器。但由于缺乏相应的设计理论分析,从而制约了其发展。在分析了磁致伸缩逆效应的基础上,给出了超磁致伸缩力传感器的设计原理,设计了超磁致伸缩力传感器的结构,并采用数值计算方法对其磁场进行了计算。计算结果与实验结果的比较表明:二者符合较好,设计的超磁致伸缩力传感器方案是可行的,对其今后进行深入应用研究和优化设计具有重要意义。     

光纤布拉格光栅钢筋腐蚀传感器

基于钢筋混凝土中钢筋锈胀和光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,简称FBG)应变、温度测量原理,设计了一种灵敏度较高的FBG钢筋腐蚀传感器。传感器主要由两个FBG(FBG-1,FBG-2)和带有轴向通孔、轴向通槽、环形槽及盲孔的钢筋件组成,FBG-1用于监测钢筋件的锈胀应变,FBG-2用作温度补偿器。为了提高传感器的成活率,在FBG-1外紧密包裹一层滤纸,并用水泥砂浆封装。此外,推导了钢筋件的腐蚀率计算公式,根据光纤解调仪采集的波长变化值可以计算得到钢筋件的腐蚀率。依据法拉第电解定律设计了电化学加速腐蚀实验,探究传感器的工作性能。实验结果表明,该传感器能够监测到0.7%以内的质量腐蚀率,灵敏度较高,且测量范围大于5%。该传感器能够有效监测混凝土中钢筋的早期腐蚀过程,准确估算保护层开裂时间,具有实际工程应用价值。     

超磁致伸缩高频微小泵温度补偿结构设计

针对超磁致伸缩材料热变形严重影响超磁致伸缩高频微小泵输出精度的现象,在介绍热补偿方法、分析磁致伸缩材料的热来源和微小泵工作原理的基础上,提出了相变材料和热膨胀补偿机构组合的方法,以控制超磁致伸缩棒热变形对微小泵的输出影响。由理论和试验可以得出,该方法对微小泵的温控效果明显,使温度控制在45 ℃±0.5 ℃,有利于提高超磁致伸缩泵的输出精度,实现了超磁致伸缩泵的微型化。     

一种新型光纤电流传感器

一种新型光纤电流传感器王廷云孙圣和郑绳楦（哈尔滨工业大学哈尔滨１５０００１）（燕山大学秦皇岛０６６００４）０引言利用单模光纤，基于磁致伸缩效应，不仅能测量磁场，而且也能测量电流，由此建立的电流传感器与法拉第效应建立的电流传感器相比，它结构简单、灵敏...     

基于聚合物封装的光纤布拉格光栅压力传感器

设计并研究了一种光纤布拉格光栅压力传感器,FBG1与FBG2串联连接,其中FBG1直接封装于聚合物之中,而FBG2先粘贴于弹性基体上再封装于聚合物之中。推导了传感器的灵敏度和解耦算法,并且使用有限元法计算了本传感器压力灵敏度和温度灵敏度,最后对传感器进行了实验验证。实验结果表明FBG1和FBG2的压力灵敏度分别为197.4 pm/MPa和95.7 pm/MPa,温度灵敏度分别为47.2 pm/℃和36 pm/℃,具有良好的线性度,较小的回程误差,并且符合该传感器感知的压力和温度解耦条件。同时,随着聚合物小圆环直径增加,基体的应变量越来越大,并趋近于没有基体时聚合物的应变量。研究表明,较之传统的聚合物封装的光纤光栅压力传感器,本传感器的聚合物与套筒不易脱落,两者之间的非固结连接可以增加传感器灵敏度,并且本传感器具有温度补偿功能。     

一种基于超磁致伸缩材料的发音头盔

在分析了超磁致伸缩材料工作特性的基础上,提出了一种基于超磁致伸缩材料的发音头盔。介绍了发音头盔的工作原理和结构,超磁致伸缩驱动器以及在头盔中固定机构的设计。该发音头盔极大地提高了头盔的使用性能,具有广阔的推广应用前景。     

一种基于阶梯型磁致伸缩复合材料的 聚磁式光纤电流传感器

本文提出了一种基于阶梯型磁致伸缩复合材料的聚磁式光纤电流传感器,解决了常规磁致伸缩复合材料上待测电流诱导磁场“两端高、中间低”的分布问题。首先运用安培环路定律,构建传感器的磁场分布模型,由理论分析可知,材料中心磁场与材料厚度l₁、桥面高度l₂和桥面长度h₁成反比关系;其次,针对传感器的关键参数开展有限元仿真分析,仿真结果表明,材料厚度l₁、桥面高度l₂和桥面长度h₁是材料中心磁场的主要影响因素,磁场会随着材料厚度l₁、桥面高度l₂和桥面长度h₁的增大而减小,与理论分析一致。最后制作材料并开展性能测试,结果表明,随着电流的增大,材料中间位置与两端位置的应变逐渐增大,传感器的线性工作范围为0～1 000 A,灵敏度为0.136με/A。     

超磁致伸缩材料驱动器的数学模型

本文从有助于理解压磁效应的角度,建立了超磁致伸缩驱动器（GMA）的静态力、位移模型。作出了几个有利于指导设计的推论,并对设计中的一些问题做了定性讨论。动态建模时,在Bryant and Wang所建模型的基础上,作了一些重要改进。首次提出了采用磁通反馈的动态模型,解决了将电感作为常量而出现的建模失真问题。     

磁致伸缩液位传感器双检测线圈温度补偿与噪声抑制

为了校正扭转波速度、补偿温度、抑制脉冲电流噪声以及提高输出信号的信噪比,设计了一种双检测线圈结构应用于磁致伸缩液位传感器。推导了扭转波速度与温度的数学模型,得到了扭转波速度随温度的变化趋势;分析了单检测线圈结构存在温度影响测量结果与脉冲电流幅值大等问题。通过理论分析,最终的实验结果表明,与单检测线圈结构相比,双检测线圈结构能够快速计算扭转波速度,补偿温度对测量结果的影响,将脉冲电流噪声信号幅值降低至原来的1/27,测量误差由原来的0.18 mm降低至0.02 mm。双检测线圈结构为磁致伸缩液位传感器优化设计提供了理论指导。     

温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器

飞机载荷参数测试对保障飞行安全至关重要,光纤光栅传感器凭由诸多优势在不断尝试应用在其中。为了实现对结构应变的精确测量,同时排除温度带来的影响,通过对基底及光栅刻写工艺的特殊设计,实现了温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器,并对基底进行有限元分析。在10~60℃的温度范围内,该新型传感器温度灵敏度为45pm/℃,较裸光纤光栅增敏4.5倍,线性度良好。在MTS拉伸试验机上测试拉伸试验件在0~700με条件下传感器特性,灵敏度为1.46pm/με,较裸贴方式增敏1.4倍,线性度良好。传感器温度误差小于0.1℃,应变误差小于3με。实验结果表明,传感器解耦性能良好,与理论分析相符,满足飞机载荷谱测试的应用背景。     

高精度弓型光纤光栅微位移传感器

为了测量控机床结构件、微加工工作台的微小变形量,设计了一种高精度弓型光纤布拉格光栅(FBG)微位移传感器。将光纤布拉格光栅的栅区部分粘贴在弓型上下壁处,当弓形件发生变形时,可测出上下壁的应变值,从而测得位移值并进行温度解耦。实验结果表明,在量程为1mm时,传感器的灵敏度为2.02pm/μm,线性相关系数为0.998 3,实验的迟滞误差为4.08%,重复性误差为4.08%。在温度补偿实验中可以看出,当温度上升1℃,波长漂移量不到1pm。类似于弓型结构衍生出一种半弓型结构的位移传感器。两类传感器相比,弓型传感器的温度灵敏度比半弓型传感器小0.001 5pm/μm,温度补偿效果更好;但半弓型传感器的线性度为0.4%,线性度比弓型传感器好。两种传感器均满足测量值稳定可靠、精度高、抗电磁干扰能力强,温度不敏感等要求。     

光纤光栅压力传感器实验研究

文中提出了一种新颖的光纤布拉格光栅压力传感器,它是利用光纤布拉格光栅(FBG)对应变的传感特性,将光纤布拉格光栅粘贴于C型压力弹簧管上的特定位置,通过光纤布拉格光栅反射波长的变化,来实现对压力的测量。该传感器灵敏度的实验值和理论值分别为0.671nm/MPa和0.791nm/MPa,且具有很好的线性度,迟滞很小,有一定的发展前景。     

镍金属保护光纤布拉格光栅的热处理及高温传感

为了改善镍保护后光纤布拉格光栅(FBG)的高温传感性能,即降低其回程误差,减少其升温与降温灵敏度的差异,本文研究了产生这些现象的原因,认为其主要源于化学镀结合电镀镍过程中的残余应力.讨论了残余应力产生的机理,提出了适用于镍金属保护FBG的热处理方法.三次将金属镍保护后的FBG放置在120℃恒温炉中保温8h后随炉冷却,对...     

A diaphragm-type fiber Bragg grating pressure sensor with temperature compensation

A diaphragm-type fiber Bragg grating (FBG) pressure sensor with two bare FBGs directly bonded on a circular diaphragm along the radial direction has been proposed and studied. Measurement principle and simulation analysis of the pressure sensor are introduced. Using the wavelength shift difference of the two FBGs which respectively measure the positive and negative strain as sensing signal, the pressure sensitivity is increased and the temperature cross-sensitivity is compensated. Experimental results indicate that the measurement sensitivity is 1.57 pm/kPa in a range from 0 to 1 MPa, the correlative coefficient reaches 99.996%, and the temperature compensation performance is distinct. This kind of pressure sensor could be used to measure and monitor the static/dynamic pressure of gas or liquid.     

直流切趾对光纤光栅特性的影响

从模耦合方程出发,分析了直流切趾对光纤光栅特性的影响,给出了直流切趾和光栅啁啾之间的关系,提出了用线性直流切趾来实现均匀模板制作啁啾光栅和同一啁啾模板制作不同色散特性光栅的方法。实验上,用均匀模板制作了色散量为-2 126 ps/nm的啁啾光栅,并用同一啁啾模板制作出了色散量为-1 599.362 71 ps/nm、-1 250.4 ps/nm和-2 011.4 ps/nm的光栅。实验结果表明,理论和实验符合较好。     

基于光纤传感技术的三维地应力传感器

为了实现对地下岩层空间应力状态及其变化规律的有效监测,基于光纤光栅传感技术与平面应力状态测量原理,提出了一种平面应变花与光纤光栅传感技术相结合的监测方法。通过利用碳纤维层积复合材料对光纤光栅封装做成应变传感单元,九个应变传感单元分别组成两组直角应变花与一组等角应变花,三组应变花分别放置于三个圆柱形探头S1,S2,S3上,三个探头以一定的机械结构连接构成地层空间应力的监测的三维地应力传感装置。对光纤应变传感单元进行温度与应力的标定实验,在室内对整体传感装置进行了应力加载模拟实验。实验结果表明:光纤应变传感单元的应力分辨率为0.017 2 MPa;应力监测为0~60 MPa;探头S1最大主应力的监测平均误差为16.31%,探头S2最大主应力的监测平均误差为24.36%,S3探头的绝对误差为0.006 8 MPa;实际加载应力与传感器测量的应力空间角度误差平均值为1.24°。传感器的监测结果与实际加载应力的变化规律相一致,可满足对地下岩层空间应力状态连续监测的要求。     

利用双光杠杆测量非等截面光纤布拉格光栅传感器的应变系数

使用单个光杠杆监测传感器应变时,传感器两端的被夹持部位受力后易与电子万能试验机的夹持器产生滑移。为了消除滑移影响以提高测试精度,本文使用两套光杠杆建立了测量弹性受力部位呈非等截面的光纤布拉格光栅(FBG)传感器等效应变系数ηεeff的实验测量系统。测试时,将两套光杠杆的平面反射镜分别安放在传感器弹性受力部位两侧的固定端端面上,测量出两个固定端在受力变形后的相对位移和相应的FBG中心波长变化量。然后,使用曲线拟合法和累加均值法对实验测得的数据进行处理来获得ηεeff。建立了仿真模型,得到了ηεeff预估值并与实测值进行了对比。结果显示:实验测得的ηεeff为0.681 7με/pm,精度为0.91%,与仿真获得的预估值0.672 0με/pm相差仅为1.42%。该方法满足了准确测量非等截面结构FBG传感器应变系数的要求。     

用于船舶结构监测的大量程光纤布拉格光栅应变传感器

平板结构的贴片式光纤光栅传感器应变测量范围较小,难以满足船舶结构健康监测中的应变测量要求。本文采用不锈钢材质,设计了一种采用环形平面弹簧和平板复合结构的贴片式传感器,通过环形平面弹簧结构将复合结构的大应变转化为光栅的小应变,降低被测物体与光栅之间的应变耦合系数,实现了大应变测量。理论分析了复合结构的传感原理,通过有限元方法仿真了该结构的应力分布,结果证明了该结构能够实现大应变测量。将传感器胶粘在特种钢试件上进行了载荷试验,试验结果表明:该复合结构传感器的量程大于20 000με,且线性度较好,相关系数大于0.99。另外,设计的传感器体积较小,便于安装,能较好地解决船舶结构健康监测中的大应变测量问题。