自标定薄膜温度传感器的研制与标定

由于尺寸小,使用常规热电偶静态标定方法标定薄膜热电偶时,在标定过程与使用过程中,传感器和补偿导线上的温度梯度分布不一致,使薄膜热电偶的热电势也不同,影响其测温准确性。为解决这一问题,设计了集薄膜金—铂热电偶和薄膜铂电阻器于一体的自标定薄膜温度传感器及其标定系统,使用电子印刷法制备传感器,采用激光加热技术模拟其使用时的温度分布,通过有限元仿真分析其温度分布规律,基于温度外推实现薄膜热电偶静态特性自标定。结果显示,传感器中的薄膜热电偶在室温到300℃内的塞贝克系数为5. 3～7. 6μV/℃。     

CFCC-SiC基底NiCr/NiSi薄膜热电偶制备及性能研究

在碳纤维增韧补强碳化硅陶瓷复合材料(CFCC-SiC)表面制备了NiCr/NiSi薄膜热电偶。传感器结构自下而上依次为CFCC-SiC陶瓷基底、SiO2过渡层,Al2O3绝缘层及NiCr/NiSi热电偶层。对所制备传感器进行了静态标定,其在300℃~700℃范围内具有稳定的热电动势输出,平均Seebeck系数为41.71μV/℃,传感器极限使用温度约为750℃。     

高温陶瓷薄膜热流传感器动态响应有限元分析

航空、航天等领域的高速发展对精密热流测量技术提出了更严苛的挑战。ITO/In₂O₃陶瓷材料相比贵金属材料有着更高的塞贝克系数,并拥有低密度和优异的高温力学性能。基于有限元仿真方法,建立了ITO/In₂O₃热电堆型薄膜热流传感器热电学仿真模型,设计了2种薄膜热流传感器结构,综合分析了热电堆在不同的热阻层分布、热阻层厚度和热流密度下的传热性能和输出动态响应变化,提出了ITO/In₂O₃薄膜热流传感器的优化设计方案。     

金属基Pt/ITO薄膜热电偶的制备

采用多层膜结构制备了金属基Pt/ITO薄膜热电偶,薄膜热电偶由Ni基合金基片、NiCrAlY过渡层、热生长Al2O3层、Al2O3绝缘层、Pt/ITO功能层和Al2O3保护层构成.静态标定结果表明:样品的平均塞贝克系数为107.45 μV/℃.测试温度可达到1000℃.时效处理可以有效提高薄膜热电偶的输出热电势.     

MEMS薄膜热流传感器研制

基于微加工技术设计制备了一种微机电系统(MEMS)薄膜热流传感器。采用COMSOL软件,对不同结构参数MEMS薄膜热流计进行仿真模拟,通过对仿真结果对比和分析,优化热流传感器的设计参数。根据优化的设计参数利用MEMS工艺制备薄膜热流计。搭建了标定系统,对所制备的MEMS薄膜热流计进行性能测试和标定。实验结果表明:薄膜热流计的电压输出响应曲线的变化趋势和仿真结果一致,此外,薄膜热流计的输出电压和热流密度呈良好的线性关系。     

薄膜高温热流测量技术研究

薄膜热流传感器具有响应时间快,体积小等优势,可用于航空、航天等领域高速飞行器表面短时间的高温热流瞬态测量。热流传感器原理基于不同热障层薄膜下薄膜热电偶温度变化量的大小,通过离子束溅射镀膜工艺成功制备快速响应薄膜高温热流传感器。试验结果表明:该传感器热响应时间可达0.1s,温度可达900℃。     

Stewart型六维力传感器的标定方法研究

I、II类误差是影响Stewart型六维力传感器测量精度的主要因素,对Stewart型六维力传感器的测力原理和误差引入原因做了简要的介绍。为提高传感器的实际测量精度,减小测量误差,提出了一种基于标定杆的标定方案。通过理论分析验证了该方案的可行性并通过有限元仿真软件ANSYS完成了Stewart型六维力传感器的静态标定仿真实验,标定前后传感器测量精度的对比证明该方案可有效提高传感器的实际测量精度,降低I、II类误差。     

多晶硅纳米薄膜压阻和电学修正特性

本文制备了不同掺杂浓度的多晶硅纳米薄膜,研究了掺杂浓度对多晶硅纳米薄膜压阻和电学修正特性的影响。利用低压化学气相淀积法制备了不同掺杂浓度的多晶硅纳米薄膜,掺杂浓度分别为1.0*10^20cm-3、2.0*10^20cm-3、4.1*10^20cm-3和7.1*10^20cm-3。利用应变系数测量装置对不同掺杂浓度多晶硅纳米薄膜的应变系数进行了测量,利用恒流源和万用表测量 不同掺杂浓度多晶硅纳米薄膜的电学修正特性。实验结果表明:多晶硅纳米薄膜的应变系数与掺杂浓度有关,应变系数范围:33.38~38.41,利用电学方法能够修正多晶硅纳米薄膜的电阻,最大修正范围可达15.4%,多晶硅纳米薄膜具有较高的应变系数,适用于制作压阻式传感器,电学修正可用来调整多晶硅纳米薄膜的电阻,进而降低传感器的失调。     

氧化铝陶瓷无线无源加速度计的仿真与分析

高温环境下振动参数的实时监测对航空发动机、燃气轮机等大型装备的正常运行至关重要。 针对传统加速度计存在测量温度不高、测量电路失效等问题,提出了一种以氧化铝陶瓷为敏感材料、以无线非接触测量原理为特征信号传输方法的耐高温电容式加速度计,依据结构力学模型设计传感器敏感结构的尺寸,利用Ansys仿真软件对敏感结构的静力学、动力学与热力学性能进行分析。结果表明,该结构能够在250gn载荷范围内正常工作,且具有较强的抗干扰能力,在25℃ ~600℃范围内,传感器灵敏度随温度呈增大趋势,其值由34.572kHz/gn变化为38.112kHz/gn ,变化幅度较小,为高温环境下振动参数的稳定测量提供了一种可行的方案。     

基于二元多项式拟合法的压力传感器输入信号重构

为了同时解决压力传感器输出特性的非线性和温度漂移问题,提出利用二元多项式根据传感器输出信号及其内部温度来重构被测压力.给出了被测压力重构模型的具体形式,以传感器静态特性标定试验数据为依据,利用最小二乘法求解模型系数矩阵,利用单点最大拟合误差、误差平方和模型阶次三项指标进行模型择优.基于重构模型给出了测量电路检测精度估算方法.本方法在传感器静态特性标定数据范围内得到了便于工程计算的一致表达式,同时解决了传感器的非线性和温度漂移两个主要问题,计算所用数据量大大小于插值法.某型硅谐振压力传感器的应用验证了本方法的合理性和有效性.     

航空发动机用薄膜热电偶研制

针对航空发动机涡轮叶片表面温度测试的迫切需求,采用薄膜沉积工艺,能够在Ni基高温合金表面制备热电性能较好的中温K型(NiCr/NiSi,<600℃)、高温R型(Pt—13%Rh/Pt,<900℃)、超高温(ITON/Pt,<1 100℃; In ON/ITON,> 1 200℃)等薄膜热电偶。薄膜热电偶由NiCr Al Y过渡层、热生长Al_2O_3层、Al_2O_3绝缘层、功能层和Al_2O_3保护层构成。通过静态标定结果分析,其塞贝克系数分别达到38. 26,10. 60,78. 60,123. 10μV/℃,在恶劣环境下具有良好的稳定性和一致性,使用寿命均大于10 h。     

光纤位移传感器温度补偿的研究

为了减小温度漂移对光纤位移传感器测量精度的影响,采用基于粒子群算法优化最小二乘支持向量机(PSO-LSSVM)的模型对该传感器进行温度补偿。通过对光纤位移传感器做二维标定试验,利用LM35温度传感器获取试验环境温度数据,建立了PSO-LSSVM温度补偿模型。该模型的核心思想是利用粒子群优化(PSO)算法对最小二乘支持向量机(LSSVM)算法中的惩罚因子C和核函数参数δ不断地进行优化选择,直至适应度函数值达到预期要求,此时温度补偿达到最优效果。比较温度补偿前后的数据,零位温度系数从9.78×10~(-3)/℃提升到2.07×10~(-3)/℃;灵敏度温度系数从7.47×10~(-3)/℃提升到1.51×10~(-3)/℃。PSO-LSSVM模型能够有效地实现对光纤位移传感器的温度补偿。对光纤位移传感器进行温度补偿的研究,将对使用该传感器进行测量的领域产生积极的影响。     

水下灵巧手指端力传感器及静态标定方法

指端力传感器是水下灵巧手实现复杂作业的关键,开展了基于圆筒结构的指端力传感器研究。由于指端力传感器的结构特点,采用通常六维力静态标定方法较困难,且精度无法保证。因此,提出基于径向基函数(RBF)神经网络的静态标定方法,对标定装置、标定过程设计进行了研究。以研制的指端力传感器为对象进行了静态标定试验。结果表明:使用基于RBF神经网络的静态标定方法有效地保证了传感器测试精度,可满足目前水下灵巧手研究要求。结果证明了该方法的可行性和有效性。     

微米纳米学会推荐-基于电学修正多晶硅纳米薄膜的压力传感器

为了进一步提高多晶硅纳米薄膜压力传感器的性能,本文使用80nm厚度的多晶硅纳米薄膜作为压力传感器的压敏电阻,设计制作了一款压力传感器。压力传感器制备封装完毕后,利用电学修正技术使多晶硅纳米薄膜压敏电阻更精确地匹配。本文对压力传感器的制备流程进行了完整描述,在25℃至200℃的温度范围内,测试了压力传感器的性能。压力传感器的满量程为0.6MPa,在25℃和200℃时,灵敏度分别为22.19mV/V/MPa和18.30mV/V/MPa;在没有外界补偿的情况下,灵敏度的温度系数约为?0.10%/℃。在25℃和200℃时,失调分别是1.653mV和1.615mV, 失调的温度系数约为?0.013%/℃. 由于电学修正多晶硅纳米薄膜具有良好的压阻特性和温度稳定性,压力传感器表现出较好的性能。     

基于弹性膜片的薄膜溅射式拉力传感器研究

介绍了一种基于弹性膜片结构的拉力传感器,敏感元件薄膜电阻应变栅采用离子束溅射、光刻技术与弹性体结合成一体。文中给出了传感器的基本结构及零点补偿和信号转接电路,介绍了薄膜电桥的制备过程,并对弹性体进行了仿真与分析。实验结果显示,该传感器在满量程范围内能满足设计要求,其额定载荷为850 N,灵敏度优于0.01377 mV/N。且其安全过载系数约为6.62,为同类拉力传感器的2~3倍。对传感器的标定表明,该传感器的综合误差不大于额定输出的0.013%。     

高阶径向畸变对张正友平面标定算法精度的影响

机标定是视觉测量工作中非常重要的一步。张正友教授提出的基于平面标定物的相机标定方法,是目前使用最广泛的方法之一。但张氏方法只考虑前两阶的径向畸变,因此,本文研究高阶径向畸变对张氏标定方法精度的影响。以棋盘格作为仿真模板,对其进行基于Matlab的仿真标定实验,求得不同径向畸变条件下标定结果的误差,并分析其关系。通过仿真实验结果分别绘制三阶径向畸变与标定误差的关系曲线及四阶径向畸变与标定误差的关系曲线。三阶径向畸变和四阶径向畸变对标定误差的影响十分相似,高阶径向畸变与标定误差关系曲线基本符合抛物线。同时,高阶径向畸变对二阶径向系数标定精度的影响远大于对一阶径向系数标定精度的影响。     

利用线性插值算法的高精度水膜厚度传感器的研究

针对路面水膜厚度传感器的温漂问题,提出了一种利用双线性插值算法的高精度水膜厚度测量器。该算法通过双线性插值和最小二乘法相结合的方式,实现了对水膜厚度传感器输出温漂的有效补偿,极大改善了测量误差,显著提高了测量精度。实测结果显示,温度为10℃ 、20℃、30℃、50 ℃时,水膜厚度在0 ~ 4mm范围内的绝对误差均在0.2mm之内,在4mm~ 8mm范围内的绝对误差均在0.5mm以内,展现出宽温度范围内的高精度特点。     

用于无创检测皮下葡萄糖的新型生物传感器研究

以无创检测人体血糖为应用需求,采用高灵敏度锇氧化还原聚合物修饰在薄膜电极上,并通过戊二醛交联法固定酶分子制备成新型生物传感器。实验结果表明:在0~700μmol/L的葡萄糖标准浓度范围内,传感器灵敏度为23.955 nA/(μmol.L-1),最低检测限为0.3μmol/L,相关系数为0.999;在标准皮下葡萄糖浓度0~19mmol/L浓度范围内,被抽取出的葡萄糖电流响应值与皮下葡萄糖的浓度成线性关系,线性相关系数为0.994,灵敏度为4.03 nA/(mmol.L-1);单只传感器对100μmol/L葡萄糖检测的精度为4.07%(n=10),不同传感器之间对100μmol/L葡萄糖测量的精度为3.22%(n=10),在4℃条件下,传感器的寿命可达450 d。     

MEMS铂薄膜温度传感器的电阻温度系数研究

采用MEMS工艺在硅衬底上制备了铂电阻薄膜温度传感器,在500℃、600℃、700℃和800℃四个温度点下对铂电阻样品进行了热处理,对样品在退火前后的电阻值进行了测试和对比分析,对800℃的退火样品的阻温特性进行了多次测量,其在零摄氏度的电阻温度系数可达3150×10-6/K。另外还对退火后的铂电阻样品阻温特性进行了多次升温降温测试,其升温曲线和降温曲线基本重合,表明退火处理可以明显的改善铂薄膜温度传感器的稳定性和重复性。     

基于ZnO薄膜光学温变特性的光纤布拉格光栅传感器

ZnO薄膜具备吸收光谱的温变特性,可有效促进光纤布拉格光栅传感器的工作性能。因此设计了基于ZnO薄膜光学温变特性的光纤布拉格光栅传感器,选用高纯度的ZnO靶材在多功能多元镀膜系统,通过Haruo Takashashi构建计算模型,设计具有光学温变特性的光纤布拉格光栅传感器。其中温度传感头通过将制备好的ZnO薄膜镀于蓝宝石三棱镜斜边面上,结合蓝宝石三棱镜、凸透镜以及光纤面,加强光源利用率,实现光纤布拉格光栅传感器的设计。实验结果表明,所设计的光纤布拉格光栅传感器的波长漂移量会随着ZnO薄膜热膨胀系数不断提高而增加,ZnO薄膜等效折射率大的波长漂移量要比等效折射率小的低,对比多种传感器性能后,发现所设计的传感器温测范围广、响应时间短、测量精准度高。