基于响应面法的高温应变计敏感栅结构优化研究

高温应变计是航空发动机重要的研保条件,为满足其更高的使用要求,对高温应变计敏感栅结构参数进行了优化。 首 先,采用有限元计算方法分析了考虑温度误差后敏感栅栅丝长度、栅丝间距和栅丝弯数对测量误差和疲劳寿命的影响;然后,基 于响应面法建立了测量误差和疲劳寿命响应面模型,利用多目标灰狼算法进行了结构参数优化设计,得到了 Pareto 最优解集; 最后,根据优化结果制备高温应变计进行了高温振动疲劳试验。 研究结果表明,不同参数组合的敏感栅结构对高温应变计的性 能影响不同。 结合高温应变计制备需求与性能对比来评估得到的 Pareto 最优解集,得到了一个最优敏感栅结构。 高温下优化 后的应变计疲劳寿命较优化前相比提升了 30. 4% ,优化效果显著。     

提升高温应变计寿命及精度的结构优化方法研究

高温应变电测技术广泛应用于航空发动机热端部件应力状态测量,如何将高温应变计的各部分结构参数进行合理搭配,以提高应变计灵敏度及使用寿命,在工程中具有十分重要的价值。首先,针对影响高温应变计测量误差与疲劳寿命这两个目标,分别建立简支梁-测量误差模型与悬臂梁-疲劳寿命模型;然后,经有限元分析得到各个参数变化对应变计测量误差以及疲劳寿命的影响规律,进而筛选出待优化的参数;接着,采用遗传算法与响应面法相结合对高温应变计进行优化;最后,通过试验对最终优化结果进行验证。结果表明,单参数分析法能直观反映各个参数对应变计灵敏度与寿命的影响规律,基于响应面模型和多目标遗传算法的优化,可得出高温应变计栅丝直径、栅丝长度、栅丝间距、栅丝弯数、基底厚度5个参数的最佳参数组合;优化后的测量误差为0.255%,疲劳寿命达到2.384 6×10~7次循环;试验验证结果表明,多目标优化后测量误差降低了89.2%,疲劳寿命提升了10.14%。     

电阻应变片敏感栅结构参数对应变传递的影响研究

针对电阻应变片引起的电阻应变式传感器应变传递误差问题,对不同的电阻应变片敏感栅结构参数进行了研究。建立了传感器弹性体(等强度梁)、基底、敏感栅和覆盖层的三维模型,利用ANSYS有限元软件,采用设置接触的方式将传感器弹性体与应变片粘贴在一起,分析对比了不同敏感栅材料、厚度、栅丝长宽比和栅丝间距时应变片应变分布情况,确定了传感器应变传递误差的影响因素。研究结果表明:敏感栅材料弹性模量越小、厚度越薄和栅丝长宽比越大,应变过渡区和应变传递误差越小,越有利于应变传递,越能准确反映弹性体变形;敏感栅栅丝间距存在最优值。研究结果给出了各结构参数下的相对误差,为传感器电阻应变片的结构设计和应变片的选择提供了依据。     

寄生式时栅安装误差对传感器测量精度的影响

为了提高寄生式时栅行波信号的质量和传感器的测角精度,研究了离散式测头安装误差对传感器测角精度的影响。介绍了寄生式时栅的结构组成和工作原理,建立了三维仿真模型,应用Ansoft Maxwell仿真软件对测头与转子不同间隙、测头的俯仰角和偏摆角大小变化对传感器测角精度的影响进行了仿真实验分析,同时应用84对级的寄生式时栅搭建实验平台进行了实际实验验证。仿真和实验结果显示:安装误差中的间隙、俯仰角、测头的偏摆角等因素变化对传感器测量精度均有影响。间隙变化对测量精度的影响具有规律,可通过建模进行修正。实验所用的84对级的寄生式时栅最佳安装间隙大小为0.2mm。俯仰角、偏摆角的变化对测量精度的影响规律变化较复杂,故文中建立了相应的误差补偿模型。本文的研究结果可用于指导传感器的结构优化设计、测头的安装和误差精确补偿,进而提高传感器的测角精度。     

纳米时栅位移传感器误差模型建立与分析

纳米时栅是利用交变电场进行精密位移测量的新型传感器。由于传感器的安装偏差、结构实现、基体加工和工作环境变化等均会导致测量误差。为研究误差的产生原因及对测量精度的影响规律,在纳米时栅传感器的测量模型基础上,建立了由于驻波参数变化产生的测量误差模型,具体分析了驻波信号参数变化中幅值不相等、相位不正交、含有高频干扰这3种情况的误差变化情况,经实验验证了理论的正确性,明确了测量误差产生的原因,为纳米时栅的结构最优化设计提供了理论依据。     

小孔节流动静压混合气体润滑球轴承的干扰力矩分析

为提高小孔节流动静压混合气体润滑球轴承的漂移精度,分析了气体干扰力矩(误差力矩)的成因,在一定假设条件下,建立了干扰力矩的数学模型;运用有限元方法,实现了该结构轴承小误差条件下气体干扰力矩的数值求解,并分析了节流孔的孔径误差、节流孔在球面上的位置度误差、球或球腔的非球形误差等几种常见误差对干扰力矩的影响规律。结果表明,节流孔尺寸误差越大、位置偏移误差越大,引起的干扰力矩越大;转子或球腔的非球形误差以及方位角变化,使转子表面切向方向存在不对称的气体分流,使支撑力不通过球心,引起干扰力矩,非球形误差越大,干扰力矩越大;干扰力矩随轴承偏心率增加而增大,同时轴承发生轴向和径向偏心时,即使无误差,也会产生干扰力矩;摩擦力矩不直接影响仪表的漂移率,只对转子的转动起阻尼作用。实验测量了静止状态下,一种开式结构的小孔节流气体润滑球轴承的干扰力矩,验证了该模型和求解方法的正确性。     

基于多读数头位移传感器误差自修正的研究

目前栅式位移传感器主要有光栅、容栅、球栅、感应同步器、旋转变压器、时栅等,提高其精度一般通过增加栅线密度和读数头数量来实现,或者依靠高精度母仪来检测和修正误差,但是这种方式对传感器的加工和安装要求高,或者传感器精度长时间保持性差。本文针对上述问题,提出了基于等差相位构建正交信号、实现多读数头测量、误差特征参数自辨识和误差自修正的新方法,该方法不增加加工和安装难度,定子和转子的槽数接近,多读数头有机集成在同一个定子,使读数头的一致性好。实验结果表明:基于等差相位构建多读数头误差成分少,通过多读数头误差特征参数自辨识和误差自修正后,传感器的误差可达到±1.9″。     

时栅测角系统误差自动采样及补偿研究

由于时栅测角系统受限于校准器的运动和装配环境,难以使用光栅作为精度基准仪器来进行密集的误差采样。为了实现较高精度的测量,通过对时栅测角系统的位移解算和对磁场式Ⅱ型时栅传感器结构进行了剖析,利用稀疏采样误差数据开展了频谱研究,得到了测角系统的补偿模型;提出了一种基于激光干涉仪的时栅测角系统误差自动稀疏采样及补偿的方法,采用了量子粒子群算法对补偿模型进行了求解,从中获取了17个补偿参数,并将其应用到补偿模型中,对测角系统进行了误差补偿。研究结果表明:在稀疏采样的条件下,采用该方法能够快速、准确地实现对时栅测角系统误差进行自动补偿,且补偿后的时栅测角系统的精度达到2.88″。     

高阻抗箔式电阻应变计合金箔材选用探讨

本文通过对高阻抗箔式电阻应变计敏感栅合金箔材性能特点的介绍，以及制作工艺、彩效果及生产成本的比较，提出了适用于制作１０００Ω阻值应变计的合金箔材，可供有关生产厂家参考。     

薄膜传感器绝缘技术

一、引言 随着各种测量仪器的出现,以应变计为传感元件的电阻应变测量方法迅速发展成为实验应力分析中最广泛应用的一种重要方法。 电阻应变测量方法主要用于测量构件表面的应变,被测试件表面的应变是通过应变计的基底传递给敏感栅的。因此,基底材料性能的好坏将直接影响到应变计的许多性     

微型箔式应变计的制造与使用

本文论述了微型箔式应变计的工艺特点和用光化学法制微型箔式应变计的主要工艺问题。通过实践,认为采用正性光刻胶和高浓度三氯化铁腐蚀液的制片工艺,可获得高质量的微型应变计敏感栅。文中还针对微型应变计的特点,论述了使用微型应变计时在测量电阻、贴片定位、粘结剂用量、指压方法、焊接导线、桥压控制等方面应注意的问题。     

精密测试中的振动相位零点漂移误差及其减小方法

精密转子的功能需要通过严苛的动态运行精度来实现,这给振动测试的精度提出更高的要求。现有方法通过对快速傅里叶变换的改进,已经实现对振动幅值、相位等参数的精确提取,但对于振动相位零点漂移误差及其减小方法的研究还较少。通过对精密测试中振动相位零点漂移误差来源及其变化规律的深入分析,提出一种减小精密振动测试中相位零点漂移误差的方法。该方法依据相位序列变化步长搜索键相序列信号变化的周期数、以变化周期内信号的平均值估计相位零点漂移的中间值;在此基础上,结合信号的角度分辨率对初始相位序列的极值进行估计进而确定振动信号初始相位补偿量。该方法的有效性和可行性通过仿真试验和实际测试分析结果得到验证,为提高信号相位的测试精度提供一种可靠的解决方案。     

高精度时栅位移传感器研究

分析了传统位移传感器的优点与不足,讨论了时空转换思想、时空坐标转换方法与时栅位移传感器原理。通过高精度时栅位移传感器的研制过程,介绍了单齿式、差频式、场式和混合式几种时栅的原理结构及其分别达到的分辨率和精度指标,最终通过鉴定的场式时栅达到了0.1″的分辨率和±0.8″的精度。还介绍了谐波修正法思想,目的在于把傅里叶变换用于传感器诞生之前的参数设计和制作过程中的误差修正,而不只是在其后的误差分解和分析。反映出时栅作为一种智能传感器所体现的技术优势和谐波修正法的实用效果,而最终目标是不依赖精密机械加工或不用刻线尺而实现精密位移测量。     

SK—1刚架梁式应变计参数测定装置

本文提出的ＳＫ－１刚架梁式应变计参数测定装置，同目前国际上一般采用简支纯弯矩梁和等强度悬臂梁原理制成的这类装置这一样。该装置是采用刚架梁原理研制而成，并按作者新提出的标定梁图柱面形状误差和标定梁纯度误差两概念，对其进行误差分析和精度检定，实现了以ＳＫ－１装置为主机组合式配套能测Ｋ、Ｚ、θ、Ｈ等１０个参数的高精度应变计参数标定装置。     

基于LabVIEW的雕刻机器人标定测试系统仿真研究

由于机器人构件的结构参数及运动学参数影响了机构的定位准确度与精度,因此通过运动学标定来提高混联式雕刻机器人的加工精度。使用光栅尺等传感器测量位置坐标,基于LabVIEW设计了该机器人的标定测试系统,将传感器输出的TTL信号转化为位移量,采用最小二乘法对系统中MATLAB脚本节点进行参数识别,然后计算刀尖点的中心位置坐标补偿量,并在测试界面对比了标定前后的位置误差。实验表明,标定后的标准误差变化了4.28%,均方根误差减小了30.48%,最大误差减小了22.30%,通过运动学标定提高了机器人的定位精度。     

寄生式时栅传感器动态测量误差的贝叶斯建模

为了提高寄生式时栅传感器的测量精度,分析了它的工作原理和动态误差组成,得到其主要误差分量为常值误差、周期误差和随机误差等。针对寄生式时栅误差特点,建立了寄生式时栅动态误差高精度预测模型,并与其他建模方法进行了比较。选用插入标准值的贝叶斯预测模型,以实际测量的传感器第一个对极动态误差数据进行建模,在后续对极特定位置插入部分实际误差测量数据,建立误差预测模型,预测了传感器后83个对极的动态误差。另选用三次样条插值和BP神经网络建模方法对寄生式时栅整圈动态误差建模,并与建立的误差模型进行了对比。验证实验表明,三次样条插值建模时间最短(0.62s),但其建模精度不高(16.050 0″);贝叶斯动态模型建模时间(0.86s)略长于三次样条插值,但建模精度最高(0.415 3″);BP神经网络建模时间最长(32min),但建模精度最低(19.680 2″)。同时贝叶斯插入标准值建模方法所需数据点(69395个)远少于三次样条和BP神经网络建模数据点(235526个),节省了大量的标定时间和建模数据量,因此可用于寄生式时栅传感器的动态测量误差高精度建模修正。     

嵌入式容栅传感技术及轴功率测试研究

针对旋转轴功率测试存在的传感器信号引线困难、安装空间受限、信号易受干扰的问题,设计了一种嵌入式容栅扭矩、转速传感器和测试系统.测试时在轴的两端分别安装容栅传感器,轴在受到扭矩时产生扭角,则两容栅的输出信号会产生一个相位差,通过测量相位差的变化得到扭矩.容栅传感器的差动结构提高了灵敏度减小了误差,容栅的嵌入式安装,将对被测轴的影响降到了最低.实验证明容栅传感器可靠性高,可以在环境要求严格的情况下长时间使用,并且无需通过滑环、无线或红外进行供电和信号的传输,克服了以上方式安装复杂、信号易受干扰的缺点.     

单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器

在双排结构纳米时栅位移传感器的研究基础上,提出了一种单排差动结构的新型纳米时栅位移传感器。通过直接构造一个匀速运动的交变电场来产生行波信号,解决了双排结构所具有的串扰问题和安装问题;采用差动感应极片来拾取信号,可有效地消除共模干扰。用微纳加工工艺制作了一种多层薄膜的单排差动结构的纳米时栅传感器样机并进行了性能测试,最终在200 mm的量程范围内取得了±150 nm的测量精度。对比双排结构的纳米时栅传感器,这种新型的纳米时栅传感器测量精度、信号稳定性及抗干扰能力得到明显的提高,并且在尺寸减小的同时拓展了有效量程,因此在产品化的过程中更具有应用前景。     

嵌入式时栅传感器的动态自标定

提出了一种新的嵌入式时栅角位移传感器的自标定方法,以提高这类传感器在没有高精度母仪标定以及参数和工作环境发生变化时的测量精度。介绍了嵌入式时栅的特点,提出了利用两个间隔一定角度离散测头之间的误差规律变换来实现自标定的方法。设计了动态自标定系统,采用卡尔曼动态滤波算法来降低动态标定过程中传感器自身稳定性波动和环境干扰的影响。为了寻求最优参数以保证标定精度,提出了残差的控制算法。最后,运用设计的自标定系统对传感器进行了标定实验,并与以往母仪标定方法进行了对比。实验结果表明,传感器的误差从标定前±20″降低到±2.4″,标定参数与实际传感器误差成分相吻合,标定精度与以往母仪标定的精度基本相同,满足时栅传感器的标定要求。     

埋入式光纤布拉格光栅传感器封装结构对测量应变的影响

考虑在实际应变测量中传感器封装形式会影响光纤Bragg光栅测得的应变响应,本文研究了测量应变与实际应变之间的关系。针对埋入式光纤Bragg光栅传感器,建立了应变传递函数,并对传递函数的正确性和各个参数对测量应变的影响进行了研究。首先,根据埋入式光纤Bragg光栅传感器的受力特点,提出了多项式形式的剪应力分布,进一步建立了应变传递函数。然后,利用数值方法和实验对该应变传递函数进行验证。最后,分析了传感器长度、胶结层弹性模量、胶结层厚度对测量应变的影响。计算结果表明:该应变传递函数正确;胶结层厚度越薄,弹性模量越大,越有利于应变传递。该应变传递函数计算误差控制在5%以内,完全满足埋入式光纤Bragg光栅测量精度要求,对其实际应用具有指导意义。