具有温度自补偿功能的新型光纤光栅应变传感器的研究

分析了光纤光栅的温度应变交叉敏感的机理，设计并制作了一种新型的具有温度补偿和应变增敏效果的光纤布拉格光栅应变传感器．实验结果表明，在-10-50℃的温度变化范围内，传感器实现了良好的温度补偿和应变增敏效果，温度敏感性降低至封装前的1／10，应变敏感性增至原来的1．17倍．     

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。     

基于光纤光栅法珀腔传感器的结构表面温度测量方法

针对结构表面温度测量需求,提出了一种基于光纤光栅法珀腔传感器的表面温度测量方法,通过光纤光栅和光纤法珀 传感同时获取被测结构的温度、应变信息,从而补偿应变对温度的交叉敏感。 本文分析了光纤光栅法珀腔的表面温度测量原 理,通过仿真对传感器的主要参数进行了设计;并提出了一种基于双参数的最小均方差估计算法用于光纤光栅法珀腔传感器的 信号解调;最后,对光纤光栅传感器和光纤光栅法珀腔传感器进行了温度测量对比实验。 试验结果表明,光纤光栅法珀腔温度 传感器在常温到 400℃范围内,温度测量值的直线拟合相关系数为 0. 998 4,最大误差百分比为 1. 46% ,均优于单光纤光栅温度 传感器。     

应变解耦增敏式FBG温度传感器的设计与应用

为了实现飞机载荷谱飞行实测中对温度参数的精确测量，设计了一种应变解耦增敏式光纤光栅（fiber Bragg grating,简称FBG）温度传感器。通过力学建模分析设计新的传感器结构，对传感器的光纤光栅进行增敏处理，选取铝7075-T6为基底进行全覆盖式封装，提出光纤光栅封装位置与结构件之间无直接接触方式，排除结构形变对温度传感器带来的影响。经标定测试传感器温度灵敏速度为40.4 pm/℃，是普通光纤光栅的4倍。搭建实验系统进行其性能探究以及在拉伸实验机上进行解耦特性验证，拉伸实验件的变形对该温度传感器没有影响，与理论分析相符，最终将传感器贴于飞机座舱中进行实际工程应用。实验表明，传感器测得的温度差最大不超过±1 ℃，表明设计的传感器可以用于实际温度测量中，满足在飞机载荷谱飞行实测中温度参数精确测量的需求。     

基于桥梁结构的FBG传感器温度与应变交叉敏感问题的研究

对光纤布拉格光栅(FBG)传感器在桥梁结构健康监测中产生的温度与应变交叉敏感问题进行了研究。采用参考光纤光栅法在应变传感光纤光栅附近额外加入一个温度测量光纤光栅,对应变光栅实现温度补偿功能。设计了基于参考光纤光栅法的FBG传感器及FBG传感器封装的机械结构,并通过实验来验证FBG传感器的性能。实验数据表明,温度传感光纤光栅几乎不受应变的影响,应变传感光栅的中心波长变化与温度变化呈一阶线性关系,修正后的测量结果更加精确,达到了双参数同时测量的目的,应变与布拉格波长的线性关系非常好,相关系数达到0.99以上。参考光纤光栅法能够很好地解决FBG传感器温度与应变交叉敏感的问题。     

管式封装FBG大量程温度传感器及其特性研究

针对工程温度测量问题,提出了一种光纤光栅温度传感器的管式封装方法。利用耐高温AB胶将裸光栅粘贴于铜管内壁,实现增敏效果。首先简述了光纤光栅温度传感原理及其增敏模型,然后搭建了相应的温度实验平台,并且实验研究了铜管封装FBG温度传感器与裸光栅的温度感知特性。实验结果表明:在-40℃~120℃的区间范围内,铜管封装FBG温度传感器的灵敏度达到25 pm/℃左右,与理论值相符,且相较于裸光栅具有更高的灵敏度与线性度。该温度传感器具有良好的温度感知特性,可以应用于工程温度的检测。     

基于温度补偿方法去敏的新型光纤光栅压力传感器

本文阐述了一种带温度补偿、基于平面薄板结构的新型光纤光栅压力传感器.作为弹性体的压力敏感薄板,其硬心通过一L型刚性位移传递机构拉动压力敏感FBG;温度去敏通过被动温度补偿和残留温度效应实时修正来解决.传感器性能指标测试如下:重复性0.066%FS,回程误差0.846%FS,线性度0.102%FS,传感器精度±0.591%FS;在-30℃到+80℃范围内,传感器零点漂移为+1.720 8%FS,灵敏度漂移为+0.010 4%FS,传感器温漂为+1.731 2%FS.     

基于光纤布拉格光栅的柔性触滑觉复合传感研究

针对仿生皮肤柔性触滑觉复合传感问题,提出了一种基于光纤布拉格光栅的双层分布式传感单元。首先,研究了光纤布拉格光栅的传感机理,推导了基于参考光栅的温度补偿原理;然后,利用聚合物弹性材料对光纤布拉格光栅传感阵列进行保护性和增敏性封装,设计了双层"十字型"的分布式传感阵列单元,并对传感阵列单元压力灵敏度进行了仿真分析研究;最后,搭建实验系统平台,对柔性复合传感器进行了温度、触觉和滑觉传感实验。仿真和实验结果表明,该柔性触滑觉传感器具有良好的线性度和响应速度,温度灵敏度为13 pm/℃,是裸光纤布拉格光栅的1.31倍;正向压力灵敏度为7.289 nm/MPa,x正向和x负向剪切力灵敏度分别为0.060 2和0.063 6 nm/N;由滑觉传感特征信号可以获取物体的滑移信息。该传感器有望表贴或埋置于仿生手内部,对实现仿生手触滑觉信息感知具有一定的应用价值。     

基于弓形梁增敏结构的FBG振动传感器研究

利用光纤光栅(FBG)随弓形梁弯曲变形的敏感特性,通过设计特制的增敏结构,研制了一种基于弯曲特性的FBG振动传感器.根据ANSYS数值分析和实验结果表明,在加速度0～5g、工作频率0～40 Hz范围内,传感器加速度特性曲线呈现良好对应关系,灵敏度可达458.1 pm/g,精度约0.002 g.该传感器系统采用双光栅形式实现了温度补偿,且在所测加速度范围内显示出较好的灵敏度和重复性,频响误差小,能够满足航空结构振动监测与控制需求.     

超低温宽温域环境下FBG传感器应变标定方法

在某超低温风洞结构健康监测的工程中,光纤光栅传感器被用来实时监测风洞洞体结构变形,然而超低温及宽温域的环境会极大地影响应变测量精度。为解决光纤光栅传感器在-196℃至常温范围的应变测量的温度影响,进一步提高测量精度,提出了一种超低温宽温域环境下的光纤布拉格光栅(fiber-optic Bragg grating,简称FBG)传感器应变灵敏度系数标定方法。该方法通过一套超低温宽温域标定系统对FBG传感器在-196℃～20℃的多个温度点的应变灵敏度系数进行了试验测量,利用该标定结果修正超低温宽温域环境下温度对应变的测量结果,可有效提高光纤光栅传感器的应变测量精度。试验还发现,FBG传感器的应变灵敏度系数呈现出随温度降低而升高的规律,该结论对进一步开展超低温宽温域环境下FBG应变传感器温度补偿研究奠定了基础。     

微型热敏剪应力传感器的温度补偿

微型热敏剪应力传感器在航空航天等领域有重要应用价值,然而基于热敏感原理的间接剪应力测量会引入流体环境温度的影响.结合热敏剪应力传感嚣的热交换模型,研究了流体环境温度变化的影响机理.分析了常用温度修正方法的应用局限性,设计了结合流体温度、从信号处理角度修正传感器输出的温度补偿方法,没有增加电路复杂程度,显著提高了测量精度.测试实验表明:当流体环境温度在10～20℃范围变化时,温度造成的输出信号偏移误差从原来的2％/℃降低到了0.5％/℃,证明了该方法的有效性.     

基于加速应力法的压力传感器泄漏检测

通过加速泄漏试验,对使用条件下压力传感器基准腔O型密封圈的气密性能进行检验,识别出密封结构存在潜在泄漏故障的产品。通过稳定产品温度、固定观测姿态、控制检测时间等方法改进了测量系统,以精确地检测泄漏结果。在既保证加速效果,又不造成产品损伤的前提下,对压力传感器施加温度、压力激发应力,经过多组温度和压力参数组合的加速泄漏试验,将试验后压力传感器的泄漏量与实际工作中的泄漏量相比较,计算得到加速泄漏试验的加速倍率,确定了压力传感器加速泄漏试验合格判据。通过试验比较,最终选定高温70℃、加压0.3 MPa、保持48 h的试验方案。加速泄漏试验方法可作为压力传感器的寿命试验方法,验证产品的使用期限。     

一种新型PZT压薄膜应力传感器的设计仿真

针对目前应力传感器不能兼顾柔性、动态测量及无法测量曲面接触应力特征信息等难题,设计了一种新型的PZT压电薄膜柔性应力传感器。主要有由PZT压电薄膜、导线、特殊的压敏涂层等构成。传感器的受力信息可以通过检测PZT压电薄膜传感器的电荷变化来获取,可应用于测量各种接触面之间的应力。为研究测量轮胎路面等具有复杂曲面接触结构的应力分布提供了新的思路和方法,分析了压电传式感器的工作原理,压电薄膜的传感特性,建立有限元分析模型,进行仿真分析,结果表明该传感器结构简单、体积小,相对于传统测量方法更加可靠,适用于曲面应力的测量。     

局部结构改变对偏航轴承结构强度的影响

为了保证偏航轴承可靠运行,在其组件上置入了径向、轴向位移和温度传感器,以在线监测轴承的运行状态,并及时对其维护或更换。介绍了传感器在轴承组件中置入的位置,并分析了置入传感器后局部结构的改变对轴承结构强度的影响,分析表明:置入传感器后轴承沟道的最大接触应力增幅为10%～15%,且轴承的最大接触应力和结构变形对轴承上传感器置入槽的高度变化比较敏感,因此,在进行轴承结构设计时,应严格确定槽高,并在设计完成后重新校核轴承的承载能力。     

可调谐F-P腔进行锥形光栅 反射带宽解调的应力测量方法

理论分析和实验验证了通过对锥形光栅反射谱进行带宽解调来获得环境应力/应变的可行性,提出了对锥形光栅反射谱采用可调谐F-P腔进行带宽解调的方法,通过应力加载实验对该带宽解调方法进行了验证,并取得了较好的反射带宽解调和应力测量效果。实验证明,该测量系统实现了对温度变化不敏感的应力测量,同时具有较高的灵敏度,应力测量精度为0.060 N。在进一步进行锥形光栅中心反射波长解调的基础上,该方案可实现温度和应力的同时测量。     

耐高温压阻式压力传感器研究与进展

传统的硅扩散压阻式压力传感器用重掺杂4个P型硅应变电阻构成惠斯顿电桥的力敏检测模式，采用PN结隔离，高温压阻式压力传感器取消了PlN结隔离，与半导体集成电路平面工艺兼容，符合传感器的发展方向。根据力敏材料的分类，分别介绍了多晶硅中高温压力传感器、SiC高温压力传感器和单晶硅SOI（silicon on insulator）高温压力传感器的基本工作原理和国内外的发展现状，重点论述了BESOI（bonding and etch-backSOI）、SMARTCUT和SIMOX（separation by implanted oxygen）技术的SOI晶片加工工艺。以及由此晶片微机械加工成的芯片封装的高温微型压力传感器部分特性，对此领域的发展作了展望。     

APPLICATION OF FEA TO THE COLLOCATION OF ACTUATOR/SENSOR IN THE INTELLIGENT STRUCTURES

INTRODUCTIONThere are two characteristics of piezoelectriccomPOnents that permit them to be used as sensorsand actuators in advanced intelligent structure. Thefirst is called the direct piezoelectric effect that impliesthat when some mechanical force or pressure isapplied on a piezoelectric comPOnent, a charge/voltageis generated.The second is called the conversepiezoelectric effect that implies that when somecharge or voltage is imPOSed on a piezoelectriccomPOnent, the comPOnent will…     

An integrated sensor for pressure, temperature, and relative humidity based on MEMS technology

This paper presents an integrated multifunctional sensor based on MEMS technology, which can be used or embedded in mobile devices for environmental monitoring. An absolute pressure sensor, a temperature sensor and a humidity sensor are integrated in one silicon chip of which the size is 5 mmX 5 mm. The pressure sensor uses a bulk-micromachined diaphragm structure with the piezoresistors. For temperature sensing, a silicon temperature sensor based on the spreading-resistance principle is designed and fabricated. The humidity sensor is a capacitive humidity sensor which has the polyimide film and interdigitated capacitance electrodes. The different piezoresistive orientation is used for the pressure and temperature sensor to avoid the interference between sensors. Each sensor shows good sensor characteristics except for the humidity sensor. However, the linearity and hysteresis of the humidity sensor can be improved by selecting the proper polymer materials and structures.     

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。