预拉伸光纤光栅应变传感器传感性能研究

为了提高光纤光栅测量应变的测量范围与测量精度,该文对基片式光纤光栅传感器应变传递理论及其有限元分析应力分布进行了阐述,并对光纤光栅应变传感器的制作工艺进行了探索。封装工艺与普通基片式光纤光栅传感器的不同是在制作时加载确定的预紧力,用等强度梁对预应力基片式光纤光栅传感器进行测试并标定,得到传感器灵敏度为0.88pm/με,线性度为0.996,传递效率为74%。并在MTS拉伸试验机上进行预紧力基片式光纤光栅传感器、裸光纤光栅传感器与电阻应变计压缩对比实验研究,实验表明,预拉伸制作工艺提高了光纤光栅测量压缩应变的线性度与测量范围。     

光纤光栅冰力传感器的开发及应用

根据裸光纤光栅(FBG)对应变的灵敏度远高于对压力的灵敏度这一特点,设计了一种基于等强度梁结构的FBG冰力传感器,并可以通过调节封装构件的尺寸调节其测量压力的灵敏度系数。对传感器的标定结果显示,这种FBG冰力传感器的线性相关度良好,实测的灵敏度系数与理论值一致。该种传感器在冰激桥墩振动模型试验中得到了应用,成功监测了桥墩在不同冰速撞击下受到的冰力。实验表明,这种FBG传感器灵敏度高、可靠性好、对结构自身的影响很小,可直接测量冰的撞击力,适合于模型实验中的冰力监测。     

混凝土嵌入式压电动态剪应力传感器研发

制作了一种利用剪切型压电陶瓷片作为传感元件的可用于混凝土内部动态剪应力测量的传感器,提出了一种标定试验方法,即将动态剪应力传感器嵌入混凝土空心薄壁空心圆筒中,并利用小型落锤试验机,对空心薄壁圆筒施加冲击荷载根据剪力计算值与传感器的输出信号对传感器灵敏度进行标定。试验结果表明,传感器输出与剪应力的线性相关性好,不同传感器之间的灵敏度个体差异小。     

用于流体压力测量的电容传感器

叙述了电容应变式流体压力传感器的基本原理，给出了一种电容应变式流体压力传感器的检测电路，并分析了流体压力大小与传感器输出电压的关系。实验结果表明，该传感器具有精度高、线性度好、灵敏度大等优点，尤其适于微压力和大动态力的测量。     

压阻式压力传感器灵敏度与线性度的仿真方法

灵敏度和线性度是压力传感器最重要的两个性能指标。为了制作出能够满足实际应用需求的压力传感器,必需探索出一种压力传感器灵敏度和线性度的有效仿真方法。提供了一种基于对压阻式压力传感器薄膜表面应力的有限元分析(FEA)和路径积分的仿真方法,从而实现了在满量程范围内不同压力值下对传感器电压输出值的精确估计,在此基础上对压力传感器的灵敏度和线性度进行了有效仿真。实验结果验证了该方法的精确性:传感器样品的灵敏度测试值为42.462～44.460 mV/MPa,与仿真值之间的相对误差控制在3.3%以下,同时得到非线性低于0.16%的良好线性度以满足应用需求。     

气流式补偿回路传感器

提出将气流式水平姿态传感器和角速度陀螺构成补偿回路传感器,通过气流式补偿回路传感器的原理分析和结构设计,陀螺信号消除了干扰加速度对水平姿态传感器信号的干扰,提高了运动载体水平姿态输出信号的精确度。此传感器不仅能进行静态倾角测量,而且能抑制动态情况下加速度对水平姿态传感器输出信号的干扰,使动态水平姿态输出信号也能达到很高的精度,同时还可输出角速度信号。利用单片机对传感器零位电压、灵敏度随温度变化及非线性度进行补偿,能显著提高传感器的线性度,展宽工作温度     

一种用于MEMS检测的无耦合六维力传感器的研制

提出了一种用于MEMS检测试验平台中力学量测量的无耦合六维力 /力矩传感器的设计。对传感器的结构形式、测量原理作了介绍 ,进行了试验验证并给出了从 8路输出电压到六维力 /力矩的传递矩阵。该传感器通过采用巧妙的结构形式和特定的电阻应变片布片方案实现了六维力解耦 ,大大简化了后置信号处理电路的设计且在各轴都具有较好的测量分辨率。实验证明 ,该传感器具有无耦合、测量分辨率高、线性度好、标定简单、贴片方便、制造成本低的优点 ,满足了预计的设计要求     

热场作用下预紧结构与压电传感器输出的研究

压电石英三向力传感器受热影响会导致输出信号产生偏差。基于温度均匀分布假设分析了压电传感器预紧结构在温度影响下的热变形规律,得出施加在压电石英上的热应力是传感器输出信号偏差的主要原因的结论。利用有限元软件对预紧结构加热过程中压电石英所受载荷变化过程进行分析,结果表明,随着热量的流入,压电石英在预紧力施加的方向上的应力变化为-3 315kPa。最后,基于信号偏差的分析结论改进传感器的预紧结构,并设计对比实验进行验证。在240s的加热过程中,改进后测力仪的预紧方向输出信号变化不大于4mV,能够抑制由温度变化引起的输出信号偏差,提高测试准确性。     

热场作用下预紧结构与压电传感器输出的研究

压电石英三向力传感器受热影响会导致输出信号产生偏差。基于温度均匀分布假设分析了压电传感器预紧结构在温度影响下的热变形规律,得出施加在压电石英上的热应力是传感器输出信号偏差的主要原因的结论。利用有限元软件对预紧结构加热过程中压电石英所受载荷变化过程进行分析,结果表明,随着热量的流入,压电石英在预紧力施加的方向上的应力变化为-3 315 kPa。最后,基于信号偏差的分析结论改进传感器的预紧结构,并设计对比实验进行验证。在240 s的加热过程中,改进后测力仪的预紧方向输出信号变化不大于4 mV,能够抑制由温度变化引起的输出信号偏差,提高测试准确性。     

一种用于MEMS检测的无耦合六维力传感器的研制

提出了一种用于MEMS检测试验平台中力学量测量的无耦合六维力/力矩传感器的设计.对传感器的结构形式、测量原理作了介绍,进行了试验验证并给出了从8路输出电压到六维力/力矩的传递矩阵.该传感器通过采用巧妙的结构形式和特定的电阻应变片布片方案实现了六维力解耦,大大简化了后置信号处理电路的设计且在各轴都具有较好的测量分辨率.实验证明,该传感器具有无耦合、测量分辨率高、线性度好、标定简单、贴片方便、制造成本低的优点,满足了预计的设计要求.     

纳米定位控制中消除PZT滞后及蠕变的方法

总结了近年来用ＰＺＴ致动器进行纳米线性定位控制的方法，对其特点和局限性进行了分析，并提出了一种可望在较大行程范围内获得亚纳米定位分辨率的方法。     

Piezo displacement sensors for a compact high-speed x–y nanopositioner in differential actuation mode

An emerging actuation technique in piezo driven nanopositioners is differential actuation, where each axis has two opposing actuators that operate differentially and provide bilateral motion. It has simultaneous benefits of improving linearity and range of displacement. However, few methods for displacement sensing employing in-situ transducers have been considered for this kind of nanopositioners. We address a novel application of PZT piezoelectric chips for direct displacement sensing in differentially driven nanopositioners. First, an electromechanical force analysis is performed in order to increase the PZT sensor sensitivity through the structural design of the nanopositioner. Secondly, the sensing performances of the proposed in-situ PZT sensor are compared with those from an alternative built-in piezoresistive (PZR) strain gauge sensor under equal circumstances, in different sensing and actuation configurations. While the PZR sensor has a larger sensing bandwidth than the PZT one and performs better if the actuation frequency is smaller than 30 Hz, the PZT sensors provides better accuracy when the actuation is well within its sensing bandwidth. The accuracy of the differential sensors and the input-displacement linearity are improved when the mechanical preload force magnitudes on the opposing actuators are balanced. The differential PZT sensor can provide accurate measurements even in a non-differential mode after recalibration.     

PZT非线性特性的研究

对ＰＺＴ的非线性特性进行了理论和实验研究，给出了施加不同电压时ＰＺＴ机电耦合特性的实验曲线，详细讨论了施加电压过程与所产生的机械变形之间的关系。最后根据实验结果给出了ＰＺＴ用作执行元件时的线性工作区、非线性工作区和截止区。     

基于压电陶瓷光相位调制器的光纤微分干涉仪

基于压电陶瓷的逆压电效应,采用压电陶瓷作为光相位调制器设计了光纤微分干涉仪。理论分析和实验结果表明,干涉仪输出光强的幅度和频率与施加在压电陶瓷上的交变信号电压的幅度和频率有关,且在一定的条件范围内呈良好的线性关系。这种采用压电陶瓷作为光相位调制器的干涉仪具有线性范围广,灵敏度高等特点,可应用于对外界环境振动源的监测或用于检测压电陶瓷自身的动态特性。     

基于锆钛酸铅的低电压驱动MEMS电场传感器研究

该文提出一种基于锆钛酸铅(PZT)的低电压驱动微机电系统(MEMS)电场传感器。该传感器基于电荷感应原理,其敏感单元由固定电极和可动电极构成。固定电极与可动电极均为感应电极,同时两者又是屏蔽电极。在PZT压电材料的驱动下,可动电极产生垂直于敏感芯片基底的振动并且与固定电极形成交互屏蔽,当存在待测电场时,分别在可动电极和固定电极上产生相位差为180°的感应电流信号。该文进行了传感器的设计和有限元仿真,提出敏感微结构的加工工艺流程,突破了基于PZT压电材料的可动电极MEMS工艺兼容制备技术,完成了敏感芯片制备,对传感器进行了性能测试。该传感器具有工作电压低的突出优点。实验测试表明,在0～50 kV/m电场强度范围内,采用1 V交流驱动电压,电场传感器的灵敏度为0.292 mV/(kV/m),线性度为2.89%。     

MOS触发器型集成压力传感器

触发器型压力传感器具有灵敏度高，压力测量线性范围可调和能输出数字量等特点，论述了这类新型传感器的工作原理和特性，并重点分析了噪声对传感器特性的影响。为了改善传感器的特性，实验采用三角波调控电压，可以有效地调节传感器的测量灵敏度度和线性范围。     

MEMS magnetic field sensor based on silicon bridge structure

A MEMS piezoresistive magnetic field sensor based on a silicon bridge structure has been simulated and tested.The sensor consists of a silicon sensitivity diaphragm embedded with a piezoresistive Wheatstone bridge,and a ferromagnetic magnet adhered to the sensitivity diaphragm.When the sensor is subjected to an external magnetic field, the magnetic force bends the silicon sensitivity diaphragm,producing stress and resistors change of the Wheatstone bridge and the output voltage of the sensor.Good agreeme...     

铌酸锂双面金属包覆波导电压传感特性

设计了一种利用铌酸锂作为波导基片的双面金属包覆平板光波导,利用波导中超高阶导模高敏感特性制成了一种反射型光学电压传感器。入射激光束采用小角度入射,当光波导处于导模共振状态时,选择一个恰当的工作点,再通过两金属电极对该器件施加直流电压,通过检测反射光强,获得相应的电压值变化。实验测量中所用的电压范围是-800～800V, 得到的线性度值为0.995,波导反射光的反射率变化灵敏度为0.2V-1,实验表明这种电压传感器具有较好的线性和灵敏度,该新型电压传感器具有结构与制作简单、调节方便和成本低廉等优点。