Terfenol-D/SAW谐振器/Terfenol-D复合磁传感器

设计了一种由超磁致伸缩材料Terfenol-D和SAW谐振器构成的复合磁传感器,在磁场作用下,Terfenol-D沿长度方向伸缩,并将应力应变传递至SAW谐振器,使其产生应变,造成谐振频率改变,通过测量SAW谐振器谐振频率的变化来测量磁场强度.分析了该磁传感器的传感原理,建立了该复合磁传感器的静态模型,对弹性敏感元件进行了受力分析,根据压磁方程和受力平衡得到该磁传感器的静态特性.实验结果表明:该复合磁传感器灵敏度可达341.6Hz/Oe,较Terfenol-D/SAW谐振器结构灵敏度提高了3倍;测量谐振频率的分辨率为1Hz,SAW谐振器频率稳定度为0.1×10-6时,该磁传感器对磁场的分辨率为10-6T.     

一种基片式光纤光栅应变增敏传感器

针对传统裸光栅直接粘贴式应变传感器应变灵敏度小的缺陷,提出了一种基片式光纤光栅应变增敏传感器,通过设计杠杆增敏结构的封装基片实现对光纤光栅的应变增敏.该传感器具有较大的应变放大机制,其测量精度与稳定性超过了裸光纤光栅.建立了该传感器的理论感知模型,并进行了与有限元仿真分析.由等强度悬臂梁标定实验可得该传感器实际应变灵敏度为6.122 pm/με,与理论结果和仿真结果一致,且线性度达到0.99998.通过动态激振实验对该应变增敏传感器的动态响应进行研究,实验结果表明该传感器能够在0～100 Hz范围内保持一致的增敏效果,能够良好的跟踪动态应变.该传感器在大型机械装备的健康监测与故障诊断方面具有良好的应用前景.     

谐振式SAW压力传感器敏感元件研究与设计

量程和温度特性是传感器的两个主要指标,SAW压力传感器的量程由基片材料的结构尺寸决定,温度效应一般采用双端对谐振器来消除,目前关于两个谐振器的位置确定还没有一个确定的方法.通过力学分析得出了圆形石英膜片的半径、厚度、和最大载荷的关系;对石英圆形膜片的应力应变关系进行了有限元数值计算,得出了正负应力在圆形石英膜片的分界点,为设计SAW谐振式压力传感器的物理结构和合理的安排谐振器的位置提供了依据.     

一种无源无线SAW压力传感器结构设计

根据无源无线SAW压力传感器的敏感特点,提出了一种具有较高灵敏度的压力传感器结构设计.传感器的受力敏感部分采用简支梁结构,通过分析找到梁的最大应变点,在梁的上下两侧最大应变区域中心对称分布了两个相同的单端口SAW谐振器.由两个SAW谐振器组成差动式测量结构,具有较高的灵敏度,并减少了温度对测量结果的影响,对迟滞效应带来的误差有一定的补偿作用.     

用于气体传感器的声表面波振荡器频率稳定性分析

作为声表面波(SAW)气体传感器的关键元件,SAW振荡器的频率稳定性直接影响到传感器的灵敏度和检测下限.因此,提高SAW振荡器的频率稳定度是传感器研究的关键.这里在ST石英基片上研制了一种具有低插入损耗(在10dB以内)、单一模式控制的SAW双延迟线型振荡器,并分析了作为频控元件的延迟线Q值以及系统温度对振荡器频率稳定性的影响,提出了改善方法.另外还研究了高频SAW延迟线型振荡器的频率稳定性,研制了一种300MHz频段上的SAW双延迟线型振荡器,其频率稳定度达到了0.066×10-6量级.     

基于图像处理的纱线张力测量系统设计

为了提高非接触式纱线张力测量的速度和精度,提出了一种基于归一化互相关法(Normalized Cross Correlation, NCC)的图像处理方法实现纱线张力的实时测量。基于弦振动理论得出纱线谐振频率与纱线张力之间的关系,利用NCC模板匹配算法提取纱线振动位移得出纱线时变曲线,使用傅立叶变化将时域关系转换为频域关系,通过对比纱线振动频率的理论值和测量值得到该测量系统的精确值。研究表明：文章提出的测量方法实现了纱线张力的实时测量,该方法得出的测量值与理论值之间的绝对误差均小于10%,属于测量误差范围内,并且处理速度快,实现了纱线张力的非接触式实时动态测量。     

基片式FBG在飞机蒙皮测试中的对称补偿研究

基片式FBG传感器封装结构在应变测试中受到广泛关注,尤其是在航空航天领域,其粘贴方式对监测飞机蒙皮应变具有重要意义。为了提高基片式封装结构的FBG测量飞机蒙皮应变精度,对薄板试验件粘贴基片式FBG传感器进行力学性能研究,实验结果表明传统粘结基片式FBG传感器方式会引起被测薄板材在拉伸过程中产生非线性变形。据此,通过ANSYS有限元分析软件仿真粘贴1 mm传感单元的1.5 mm薄板静态加载过程,并进行静力学有限元优化分析,力学分析及理论推导结果显示,对称粘贴基片式FBG传感单元能够解决应变与波长非线性关系,且能够有效补偿温度对测量的影响。搭建FBG解调系统与MTS力学测试实验系统,实验结果表明,在对称补偿的布点方式下,应变测试线性度为0.998,传感单元应变灵敏度为0.946 pm/με,提高了应变测试精度,可以有效的应用到飞机蒙皮应变测试。     

基片式光纤光栅传感器应变传递分析与试验

为研究基片式光纤光栅传感器传递效率,建立了应变传递模型,对基片式光纤光栅传感器与裸贴式光纤光栅传感器进行了对比试验,得到了传感器中心波长与挠度关系曲线,试验结果表明：基片式光纤光栅具有良好的线性度,应变灵敏度为0.822 pm/10－6,应变传递效率可达89.4%。利用ANSYS有限元软件对基片式光纤光栅传感器进行应变传递分析,有限元分析结果与试验结果一致,证明了模型和计算方法的有效。提出铍青铜基片式封装形式,并建立ANSYS模型,对其传递效率进行计算,计算结果表明：铍青铜封装应变传递性能一般,但对光纤光栅具有良好的防护性能。     

声表面波质量传感器

在128°Y切割X传播方向上的LiNbO3基片上设计并研制了新型声表面波(SAW)质量传感器.它将输入叉指换能器激发的SAW中心对称分成两路并由各自的输出叉指换能器检测输出.由于环境温度对SAW延迟线振荡器的振荡频率影响较大,传感器的输出不仅决定于质量沉积区所沉积的质量,还决定于测量时所处的环境温度.为此,在SAW质量传感器测量时,同时监测传感器的输入信息质量沉积区的质量和环境温度及其输出频率信息,采用多传感器信息融合技术进行融合处理,质量传感器的温度灵敏度分别从α s0.2=0.8007/℃,α s0.6=0.2488/℃提高到α' s0.2=1.71×10-2/℃,α‘ s0.6=3.28×10-3/℃.     

测量条干均匀度的平行板式电容传感器优化设计

条干均匀度一般是指纱线沿轴向粗细变化的均匀程度;检测纱线的微小变化对仪器灵敏度等指标提出了很高的要求,因此对电容传感器的结构尺寸进行优化设计是很有必要的;文章对平行板电容传感器检测纱线的原理进行了研究,并利用电磁场有限元分析软件ANSYS,构建了平行板式电容传感器三维模型,分析了传感器极板尺寸参数的变化对灵敏度和线性度两个优化指标的影响,提出多组传感器分段检测法,完成对电容传感器尺寸的优化;另外,针对平行板电容边缘发散电场对检测结果产生干扰的问题,提出等电位保护环法,并仿真验证其对电容传感器边缘效应的抑制作用;研究结果为平行板式电容传感器优化设计提供了依据。     

Design of SAW sensor for longitudinal strain measurement with improved sensitivity

This paper presents the design of a highly sensitive surface acoustic wave (SAW)-based sensor with novel structure for the longitudinal strain measurement. The sensor utilizes thin lithium niobate (LiNbO₃) diaphragm as the sensing element rather than the bulk substrate. The application of the diaphragm effectively decreases the cross-sectional area of the strain sensitive element, and meanwhile reduces the resistance between the sensor and the specimen. The newly designed strain sensor is to operate around a frequency of 50 MHz. The insertion loss of − 12 dB and quality factor of 63 are obtained analytically from impulse-response model. The sensor performance with tensile testing of the steel beam is predicted by the finite element method. The prestressed eigenfrequency analysis is conducted with the COMSOL commercial software. The simulation shows the resonance frequency of the sensor shifts linearly with the strain induced in the testing beam. For the SAW sensor with traditional configuration applying 1 mm thick substrate, the strain sensitivity is obtained as 0.41 ppm/με. For the sensor with the novel design employing thin diaphragm with the thickness of 200 μm, the strain sensitivity is increased to 0.83 ppm/με. With the availability of the bulk micromachining of LiNbO₃, the application of the piezoelectric diaphragm as sensing element in SAW strain sensor can be an alternative way to enhance the sensor sensitivity.

     

基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器敏感机理分析

为实现高灵敏度、低温漂的高性能电流传感器,提出将声表面波技术与磁致伸缩效应相结合的电流检测方法,分析了其敏感机理并改善其温度特性.这种声表面波电流传感器采用128°YX-LiNbO3作为压电基片,表面覆盖SiO2薄膜来改善器件温度稳定性,并溅射超磁致伸缩TbDyFe薄膜以响应电流.在电流作用下,TbDyFe薄膜会发生磁致伸缩效应和ΔE效应,引起声表面波相速度的改变.结合层状介质中声传播理论,分析了给定电流下层状结构中声表面波的传播特性,特别分析了TbDyFe和SiO2膜厚对传感器响应的影响.计算结果表明,TbDyFe和SiO2薄膜厚度分别为0.5μm、2μm时,该声表面波电流传感器具有最大检测灵敏度58.2 kHz/A,有良好温度稳定性和较高的灵敏度,从而为高性能声表面波电流传感器的研制奠定理论基础.     

小张力动态检测系统设计

为了解决小张力在线检测困难的问题,建立了电阻应变传感器在振动噪声干扰下的数学模型,采用补偿传感器消除机械振动的噪声干扰.设计了一种基于dsPIC30F3012和双孔平行梁式电阻应变片传感器的小张力动态检测系统,并从理论和软件仿真的角度,证明了该系统在动态小张力检测中的可行性.     

基于SAW表面气液相效应和GC分离柱的气敏传感器的研究

限于传统涂敷敏感膜的声表面波（SAW）气敏传感器存在成膜困难和选择性差、重复性差以及再生性差等问题，本研究提出一种基于压电基底表面气体气液相转换效应机理的瑞利波传感器。首先建立了挥发性有机气体(VOCs)液相凝聚体薄层负载下的SAW波传模型，并仿真计算了其波传频散和波传衰减。然后在此基础上开发了一种基于瑞利声表面波传感器和气相色谱（GC）分离柱的便携式气体检测系统。最后实验论证了方案的可行性，初步的实验结果表明该系统具有分析时间短、选择性好、灵敏度高（可检测ppb浓度的混合VOCs）以及成本低等优势，因此其在痕量挥发性有机气体检测和分析应用上有良好的潜力和前景。     

基于机织结构的柔性应变传感器的设计与分析

建立机织物的等效电路模型,在导电弹性纤维材料的电阻应变效应基础上推导了机织物的电阻应变关系。设计了机织物的平纹组织结构及信号转换电路,分析了柔性应变传感器的输入输出特性与灵敏度。对机织物的结构参数分析表明,当机织物中的导电弹性纱线为并联方式时,可选用电阻率适中或较低的导电弹性纤维材料,理论上适用于任意尺寸物体的大应变检测;当机织物中的导电弹性纱线为串联方式时,只能选用电阻率较低的导电弹性纤维材料,且仅适用于较小尺寸物体的大应变检测。     

含陀螺效应的声表面波波动方程的求解

含陀螺效应的声表面波(SAW)波动方程的求解是分析旋转压电基体SAW传播特性和设计SAW角速度传感器的理论基础.以旋转条件下压电基体声表面波方程的建立和求解为研究内容,推导了含陀螺效应的Christoffel方程的一般表达式,提出了在求解中必须注意对解耦波的判别及进行相应的处理,设计了计算机数值求解的软件,并给出了流程.以新型压电材料硅酸镓镧作为求解的实例,验证了算法的可行性.理论与算法可为与陀螺效应有关的SAW器件的设计提供参考.     

基于延迟线理论的新型无源声表面波传感器研究

基于声表面波的延迟线理论,设计出一款新型的无线无源SAW温度和压力混合传感器.该传感器中温度对信号的影响掺杂在检测压力变化的信号中,通过引入权重因子,把压力信号从温度和压力共同影响的混合信号中分离出来,从而达到温度和压力同时检测的目的.此设计充分利用了IDT的转换能量,减少了信号之间的干扰,并对IDT及反射器进行优化设计,提高了传感器的灵敏度.此传感器具有无线无源等特点,适合在复杂环境下工作.     

High-resolution high-voltage sensor based on SAW

A surface acoustic wave (SAW)-based high-voltage sensor is described. The sensor consists of a SAW oscillator fabricated on a 10 mm × 10 mm 128° rotated Y-cut, X-propagating LiNbO₃ substrate. The voltage is applied to electrodes on the substrate, and the resulting electric field changes the propagation time of the SAW. The propagation time is directly related to the output frequency of the SAW oscillator. The high-voltage sensor offers a small-sized high-voltage measurement device with several attractive features: a high resolution (better than 0.2 V up to 2.4 kV, better than 0.4 V for higher voltages), a large range (−10 to +10 kV), a high input impedance (> 10¹³ ω) and a low input capacitance (< 10 pF). The sensitivity amounts to 16 Hz V⁻¹.