基于矩形贴片天线的应变传感器模拟与测试

当贴片天线经历应变时,天线形状发生改变,导致其谐振频率发生偏移。基于此原理,提出采用矩形贴片天线的应变传感器测量结构中的应变。采用了2.4GHz的1/4波长矩形贴片天线作为应变传感单元,首先,利用HFSS~(TM)软件设计应变传感器的尺寸参数,分别模拟该天线在长度与宽度方向经历拉应变时的谐振频率偏移;其次,分别将贴片天线以纵向、横向的方式粘贴在铝板上进行了受拉实验;最后,利用网络分析仪获得天线的谐振频率。模拟与测试结果表明,天线的谐振频率偏移与天线长度方向上的应变具有良好的线性关系,同时,天线宽度方向上的应变对其谐振频率的影响较小。     

检测GIS局部放电的超高频屏蔽谐振式环天线传感器研究

结合实际GIS结构、运行的特点，设计了用于GIS局部放电检测的外置超高频屏蔽谐振式环天线（SRLA）传感器。由于采用屏蔽谐振式，使得天线具有较宽的带宽和较高的灵敏度。计算与实测分析表明该传感器的有效带宽为100MHz左右，中心频率为380MHz，最大辐射方向上增益近似为2，具有较好的方向性，能有效地区分局部放电信号和干扰，并具有选频检测特性。     

微带贴片天线应变传感器优化设计研究

承载部件作为高端装备中最常见的结构单元,在役过程中受载荷和应力集中影响极易萌生裂纹,导致结构失效,实时监测结构关键部件的应变状态对保障结构健康至关重要。基于微波无损检测技术,揭示了矩形微带贴片天线的辐射元尺寸对其固有谐振频率的影响规律,探究了微带贴片天线谐振频率与应变的相互作用机理。矩形微带贴片天线可激发单频和双频谐振频率,改变矩形辐射元的长度或宽度,其谐振频率会发生频移。实验结果表明,当对金属接地板施加一定拉应力时,贴片天线几何尺寸会发生改变,其谐振频率也随之发生偏移,据此可推算出金属接地板的应变大小,这对关键承载部件的应变和裂纹实时监测具有重要的研究意义。     

薄膜谐振Lamb波传感器测量液体流速矢量的方法

针对液体流速测量领域中微型流量传感器高品质因数、高灵敏度的性能要求。本文设计一种双端增强型薄膜谐振结构实现Lamb波传感器的高品质因数,利用传感器反对称模式(A01模式)在薄膜-液体界面处的消逝波实现液体流速矢量测量。所制作的双端增强型薄膜谐振Lamb传感器A01模式的主峰品质因数为703,A01模式的频率移动量与液体流速大小存在线性关系,频率移动方向与液体流动方向存在对应关系。流速实测灵敏度约为270 Hz/mm/s,传感器稳定性噪声小于0.2Hz,流速最低检测极限值(LOD)为2.2μm/s,流量最低检测极限值(LOD)为18.3nL/min。结果表明,双端增强型薄膜谐振Lamb波传感器可以实现液体流速高灵敏度矢量测量。     

基于正交的声表面波应变传感器的温度应变解耦方法

针对应变测量的温度干扰问题,文中设计了2个声表面波应变传感器,2个传感器的频率分别为240.856 MHz和239.22 MHz。2个传感器粘贴在悬臂梁上靠近固定端的2个位置,一个沿着声表面的传播方向与应变方向一致的方向粘贴,另一个沿着传播方向与应变垂直的方向粘贴。然后对传感器的温度应变响应进行测试,测得了传感器芯片在25～200℃下的频率响应。结果表明一个谐振器的共振频率随着应变的增加而减小,频率与应变为线性关系,室温下灵敏度为192.5 Hz/με。另一个谐振器的共振频率随着应变的增加而增加,频率与应变为线性关系,室温下灵敏度为128.7 Hz/με。然后提取出不同温度下的应变灵敏度,2个传感器的灵敏度随着温度的变化,先增加后减小。然后将2个传感器频率做差,通过计算实现了应变精确值的提取。     

管道流体测量无线无源LC谐振式传感技术研究

针对管道内流体测量需求,提出基于LC无线无源谐振式传感技术的测量方法。在绝缘管道外表面设计螺旋型的电容和电感,构成非接触式的流体测量LC传感器,LC谐振频率反映流体参数变化。相比常规的电容式传感技术,LC传感器能实现无源无线测试,可用于非实时性流体检测。对水平式管道内水气两相流,进行了静态的模拟测量,实验表明在直径10 mm的亚克力管道内,随着水相含率从10%增加到100%,传感器谐振频率变化15.51 MHz。     

基于声表面波传感器的转子叶片应变无线测量研究

声表面波传感器可以实现无线无源工作,该特性使其在高速旋转部件测试中有重要的应用前景。利用硅酸镓镧压电晶体设计并制备了谐振型SAW传感器,研究了其应变敏感特性,并成功应用于转子叶片应变的无线测试试验。结果表明,所制备的SAW传感器的谐振频率为217.794 MHz,品质因子达到5 807,应变灵敏度为-317 Hz/με。在3 000～15 000 r/min转速下,无线测试了转子叶片应变,测试结果与电阻应变计测量结果及有限元仿真计算结果基本一致。研究结果可以为SAW传感器在高速旋转设备的无线测试工程应用提供参考。     

Parylene增强型声表面波传感器及其温度响应

针对声表面波(SAW)传感器对品质因数、寿命和成本的要求,研制了Parylene增强型SAW传感器。根据金属剥离工艺要求,利用LOR剥离胶和AZ5214光刻胶双层胶旋涂工艺制作了梯形结构;在传统光学光刻条件下制作了2μm的超细叉指电极。传感器制作过程利用了MEMS工艺,不仅实现了传感器的微型化,还可以批量化生产,得到的以石英为基底的传感器谐振频率达到249.077 953 MHz。最后在传感器的表面镀制Parylene聚合物薄膜以提高基底温度灵敏度。实验对比了未增强型(未镀Parylene)和增强型SAW传感器(镀Parylene)的温度灵敏度。结果显示:未增强型SAW传感器温度灵敏度为2.048kHz/℃,Parylene增强型SAW传感器温度灵敏度为2.855kHz/℃,比前者提高了0.807kHz/℃,且镀Parylene之后谐振频率变化量与温度具有较好的线性度,线性相关系数达到0.996 15。实验证明,Parlene增强型SAW传感器的性能优于未增强的SAW传感器。     

无线无源压力读取系统中线性扫频源的设计

在无线无源互感耦合传感检测系统中,需要通过检测远端敏感单元的谐振频率来读取传感器的谐振信息。因此,设计一个高精度的宽带线性扫频源来满足测试系统实现稳定和精准的测试。为了解决这个问题,设计了一种基于DDS技术的高带宽线性扫频源,带宽为1~100 MHz,频率精度为O.116 Hz,最小扫频步进值为0.233 Hz,驱动能力为6dBm。MATLAB仿真分析了线性扫频源的扫频步进值不同时对LC谐振传感器检测精度的影响。并通过实验验证了该线性扫频源在互感耦合谐振器频率读取系统中的可靠性和稳定性。     

一种高灵敏度无线压力传感器的研究

为解决压力传感器在密闭空间、高旋、生物体内等不适用引线的问题,设计了一种无线压力传感器。对传感器进行原理分析及结构设计,采用MEMS工艺对硅片及BF33进行加工,并搭建了谐振频率-压力测试平台,对传感器性能进行测试。压力测试范围为5~105 k Pa,在常温时的灵敏度为161.5 Hz/Pa,传感器具有较高的灵敏度,有利于提高压力检测精度。     

一种无线无源低温传感器的设计与测试

设计并制作一种可应用于低温环境的无线无源温度传感器。传感器的基板材料为玻纤增强环氧树脂(FR4),中心频率为2.4 GHz。利用微波传输原理,通过监测传感器的谐振频率变化实现温度的测量。经过理论计算和高频结构仿真软件(HFSS)确定了传感器的物理参数,通过搭建低温测试系统实现了传感器在低温环境下的测试。实验结果表明在0~-40℃的温度范围,传感器的谐振频率与温度成线性变化关系,谐振频率由2.366 GHz增大为2.382 GHz。对传感器进行3次重复测试,证明了传感器具有好的重复性。传感器绝对灵敏度为401.67 k Hz/℃。实验结果证明了传感器设计的合理性和测温的可行性。     

GIS局部放电检测的微带贴片天线研究

本文结合实际气体绝缘组合电器（GIS）结构、运行特点，设计了用于GIS局部放电检测的外置超高频微带贴片天线（MPA）传感器，该传感器安装在GIS盆式绝缘子处，接收盆式绝缘子处泄漏的电磁波，并对周围空间电磁干扰抑制；在选择天线基板的材料、厚度、形状，以及附加阻抗匹配网络等方面进行了频带展宽。计算和实测表明，天线的有效工作频带展宽为340～440MHz，中心频率为390MHz，相对带宽25．6％，达到宽频带天线范围，并且最大辐射和接收方向上的增益达到了5．38。实验室GIS模拟装置测量表明该天线传感器性能良好，具有较高灵敏度，可用于GIS局部放电在线监测。     

贴片天线传感器平面二维应变测量方法研究

贴片天线传感器因无源无线、结构简单,能同时感知结构应变、裂纹等优点,在结构健康监测中具有广阔的发展前景。针对贴片天线应变传感器一维测量特性与被测结构的多维变形之间的维度差异问题,从理论上分析了贴片天线传感器的双频应变敏感特性,设计了一种用于二维应变测量的组合贴片天线传感器,由垂直布置的贴片天线及一片斜向45°布置的寄生贴片天线组成,基质材料选用耐热性和耐潮性较好的FR4层压板。采用COMSOL Multiphysics仿真软件研究了组合贴片天线传感器的"谐振频率-应变"关系,通过试验探究了其平面结构的二维应变检测性能,并与电阻应变片测量结果进行对比。理论、仿真和试验结果均表明,组合贴片天线检测平面结构的二维应变效果良好,可应用于板梁结构平面应力场的主应力和主方向测量。     

基于LC的无线无源应变传感器的制备与测试北大核心CSCD

针对恶劣环境下检测装备应变的需求,设计了一种无线无源的应变传感器,此传感器采用电感电容分离的结构,可以有效延长使用寿命,减少电磁干扰。通过高频结构模拟器(HFSS)仿真对传感器电场进行仿真,验证了其可行性。采用电镀技术制备了传感器,搭建应变测试平台对其进行测试,测试结果表明,该传感器可以检测0~2 500με范围内的应变,传感器谐振频率随应变的增大规律性地向右偏移,应变灵敏度为7.6 Hz/με。由测试结果可知,该无线无源应变传感器可以稳定地进行应变监测且测试结果可靠。     

非晶丝GMI效应频率谱和锁相环电路磁场传感器

采用HP4191A型阻抗分析仪和专门为测量非晶丝GMI效应而设计的专用装置,研究了测量电流频率钴-铁-硅-硼(Co-Fe-si-B)非晶丝GMI效应的影响.对于经冷拔、真空退火和张应力退火制成的非晶丝,当测量频率由1MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz、30 MHz、40 MIz…,改变到400 MHz时,GMI比值、[Z-Z0)/Z0]、对外加磁场(Hex)的关系曲线都呈现正GMI效应的特征,其峰值和曲线的最大斜率先是不断增加,直到极大值,然后下降,极大值约为60～100MHz.据此,设计了测量电流频率可变的压控振荡器电路GMI磁场传感器,在75 MHz下,传感器的磁场测量灵敏度达到0.4 mV/nT.     

谐振膜式密度传感器

设计了一种基于谐振理论的新型振膜式液体密度传感器,实现了液体密度的实时在线测量.谐振膜式密度传感器由谐振膜、激励单元、拾振单元和闭环控制电路与检测电路组成.传感器利用谐振膜与不同密度液体接触,液体密度与谐振膜等效质量具有相关性,而谐振膜等效质量的变化直接影响谐振膜的谐振频率,依靠检测谐振膜谐振频率来实时液体的密度测量.这种谐振膜式密度传感器制作工艺简单、信号稳定、测量精度较高.实验结果表明:谐振膜式密度传感器具有较高的重复性、灵敏度和测量精度,满足实时在线测量的要求.     

应用于谐振式光学陀螺的正弦波调制解调技术

谐振式光学陀螺(ROG)是一种基于光学Sagnac效应检测转动角速度的高精度惯性传感器。锯齿波和三角波调制会导致谐振信号出现大量毛刺噪声以及复位脉冲的问题,通过正弦波调制解调可以解决上述问题,而且具有更高调制频率的优势。搭建了光学微谐振腔调制解调实验系统,分析了正弦波调制参数的变化对谐振曲线与鉴频曲线的影响。在调制频率为4 MHz,调制幅值为2 V时,得到了最为平滑的谐振曲线与最佳线性度的鉴频曲线。为光学微谐振腔在谐振式陀螺系统应用中相位调制选择最佳的参数提供了参考。     

一种探地雷达蝶形天线及其巴伦的设计

提出了一种用于400MHz探地雷达系统新型蝶形天线及微带巴伦的设计。蝶形天线采用FR4单面印刷电路板制作,尺寸为300mm×150mm×2mm,其辐射臂由两级三角形贴片和一个半圆贴片组合而成。微带巴伦采用双面印刷电路板制作,通过在正反两面腐蚀出宽度线性渐变的金属带,构成双线-微带结构。实验表明:所设计的蝶形天线在310-460MHz频率范围内,回波损耗小于-10dB,其相对带宽分别是传统蝶形天线和相关文献报道的1.86和1.65倍,并具有较好的辐射特性。对于400MHz探地雷达系统,该天线及微带巴伦在性能上已达了要求,是有效可行的设计方案。     

复合基质结构优化设计下的应变测量灵敏度提高研究

针对当前微带天线传感器应变测量灵敏度较低的问题,对基质结构进行研究,设计了一种带空气层的复合基质天线传感器.结合遗传算法应用HFSS软件对传感器结构参数进行优化设计,仿真研究最优解下的复合基质天线传感器"谐振频率-应变"关系.对所设计的复合基质天线传感器进行拉伸对比试验,其应变测量灵敏度是传统微带贴片天线传感器的3.1...     

差动式石英谐振力传感器

】利用ＡＴ切型的厚度剪切石英晶体谐振器沿不同方向施加外力时,将会获得不同的灵敏度这一特点,本文研究了一种新型的差动石英谐振式力敏传感器。将两个同频率的敏感石英谐振器以对称简支方式固定在传感器内,使外力分别沿两个敏感谐振器的ｘ轴和ｚ′轴作用,产生两个方向相反的频率变化,通过电路混频,形成差动输出。分析结果表明,采用这种差动方式将使传感器性能得到明显提高。