一种新型微力传感器设计

设计了一种新型微力传感器,利用电阻式应变原理,采用柱式结构,量程小,灵敏度高,灵敏度可达0.0575V/N,适用于微力测量.对其弹性元件进行有限元静力分析和模态分析,传感器弹性元件的纵向应变量高于一般的力传感器,固有频率远高于常见的外部动态力频率,几乎不会发生共振现象;最后对微力传感器进行静态标定和误差分析.     

基于ANSYS的压电四维力传感器一种优化设计方法

在压电式多维力传感器设计过程中,传感器结构对性能的影响难以准确把握,提出一种基于ANSYS的传感器优化设计方法.把不同切型的石英晶片按照特定的双环结构排列实现空间四维力的测量.运用ANSYS有限元软件,研究压电式四维力传感器弹性膜对传感器灵敏度与固有频率的影响规律.分析结果表明:该方法能够有效的平衡传感器灵敏度与固有频...     

羽流力/力矩测量系统在线标定研究

基于压电效应开发的用于发动机羽流力/力矩测量系统,对其进行在线标定是需点解决的技术难题之一.针对立式结构的羽流力/力矩测量系统,选择液压力源配合标准力传感器的加载方式,设计了具备远程操作、在线标定、实时校准功能的标定平台.分析了六维力标定的加载方法以及加载力与传感器受力之间的关系,建立了六维力加载力学模型.对测试系统进行静态标定试验,得到了压电式六维力传感器各分量的线性拟合直线方程.试验表明:该六维力标定系统稳定、可靠,具有精度高、操作简便、对环境影响小等优点.     

压电式压力传感器热冲击效应的试验研究

论述了瞬变温度对压电式压力传感器具有热冲击作用,并能改变传感器的预紧力、自振频率及灵敏度,形成瞬变温度误差.传感器的特殊膜片结构可以大大减小瞬变温度误差.通过对某2种压电式传感器的模拟热冲击效应的试验研究,阐述了热冲击对传感器的实际影响,并给出了测量数据及分析结果.     

微小型Hopkinson杆的动态校准系统

针对常用Hopkinson杆动态校准系统进行高安装谐振频率高g值加速度计动态校准时激励脉宽不能满足要求,且幅频特性曲线工作频带内不平直的问题,本文提出了微小型Hopkinson杆的动态校准系统,该系统采用微小尺寸精密校准杆,并对传感器安装结构进行了改进,且实验证明该系统对高安装谐振频率的高g值压阻加速度计和BK 8309高g值压电加速度计进行动态校准得到的幅频特性曲线较为理想。     

具有3维力感知能力的多足仿生机器人足端机构设计

为提高多足仿生机器人在崎岖地形中的适应能力,设计了一种具有3维力感知能力的足端机构,该机构主要包含足端球、盖板、4个1维力传感器、基座和预紧螺栓.4个力传感器以45?倾角对称安装在基座卡槽内,根据传感器受力在水平和垂直方向的分力可实现足端球与环境间接触力的测量.首先,对足端机构的3维力测量原理进行分析,基于ADAMS仿真验证了该测量原理的正确性.在传感器标定实验中发现,预紧螺栓施加的预紧力以及足端球的材料对足端机构的3维力测量性能具有较大的影响.最后,在确定预紧力和足端球材料后,对选定参数的足端机构进行标定实验,标定结果表明,足端机构在X和Y方向的力测量精度可以达到±11.3%,Z方向的力测量精度可以达到±9.4%.     

双层预紧式6维力传感器预紧力对精度影响分析

针对传统Stewart结构6维力传感器性能的不足,设计并研制了一种双层预紧式6维力传感器,并进行了精度分析与实验研究.首先,介绍了该6维力传感器的结构特点,基于螺旋理论建立了其数学模型以及预紧力的数学描述形式.为了提高传感器的测量精度,在分析预紧支路结构的基础上,通过增大预紧力来降低由于预紧支路结构变形产生的误差.其次,对不同预紧力下预紧支路的结构变形进行了有限元仿真.最后研制并开发了6维力传感器样机和标定系统,进行了不同预紧力情况下的标定实验.通过增大预紧力,传感器的最大Ⅰ类误差和Ⅱ类误差分别由满量程的2.73%、2.43%降低到0.41%、0.64%.实验结果表明,增大预紧力有效地降低了预紧支路变形带来的测量误差,提高了传感器的测量精度,从而验证了理论分析与仿真的正确性.     

高g值加速度传感器的窄脉冲校准理论与方法

针对高g值加速度传感器动态特性校准中遇到的激励窄脉冲的宽度问题,提出了适用于高g值加速度传感器动态特性的窄脉冲校准准则。该准则给出了对不同谐振频率的高g值加速度传感器的动态特性进行校准时,校准所需的激励窄脉冲的最大脉冲宽度与传感器谐振频率的关系。依据该准则设计了窄脉冲校准系统,并对8309型高g值加速度传感器进行了校准实验。实验结果表明,该准则对于高g值加速度传感器频率响应特性的校准是有效的,按照该准则所定脉宽的脉冲能够激起被较准的高g值加速度传感器的各阶谐振频率。     

基于小尺寸Hopkinson杆的动态校准系统

针对高g值高安装谐振频率加速度计动态校准过程中高g值窄脉冲加速度激励信号难以产生的难题,提出了基于小尺寸Hopkinson杆的动态校准系统。该系统采用压缩空气作为激励源,小尺寸精密校准杆作为加载装置来产生窄脉冲加速度激励信号,并通过轴向激光干涉仪进行激励信号的测量。且校准实验结果表明,该系统可以充分激起安装谐振频率为180kHz的高g值加速度计B&K 8309的高阶谐振频率,校准结果较为理想。     

MEMS高g加速度传感器固有频率的优化及验证

由于设计的MEMS高g加速度传感器固有频率低,导致测试过程中出现谐振现象。本文分析了传感器的特殊结构参数对固有频率的影响,提出了一种优化固有频率的方法。该方法通过减小质量块质量和优化梁厚度与长度的比例来调整传感器的固有频率,并通过理论仿真验证了该结构的固有频率从330 kHz提高到550 kHz,然后利用动态测试系统对优化前后的高g加速度传感器分别在20 000gn和150 000gn作用下测试输出信号。实验表明该优化方法提高了该类传感器结构的固有频率,明显消除了测试中的谐振现象。     

Resonant Magnetic Field Sensor With Frequency Output

This paper presents a novel type of resonant magnetic field sensor exploiting the Lorentz force and providing a frequency output. The mechanical resonator, a cantilever structure, is embedded as the frequency-determining element in an electrical oscillator. By generating an electrical current proportional to the position of the cantilever, a Lorentz force acting like an additional equivalent spring is exerted on the cantilever in the presence of a magnetic field. Thus, the oscillation frequency of the system, which is a function of the resonator's equivalent spring constant, is modulated by the magnetic field to be measured. The resonant magnetic field sensor is fabricated using an industrial CMOS process, followed by a two-mask micromachining sequence to release the cantilever structure. The characterized devices show a sensitivity of 60 kHz/Tesla at their resonance frequency$f_0= 175~ kHz$and a short-term frequency stability of 0.025 Hz, which corresponds to a resolution below 1$~mu T$. The devices can thus be used for Earth magnetic field applications, such as an electronic compass. The novel resonant magnetic field sensor benefits from an efficient continuous offset cancellation technique, which consist in evaluating the frequency difference measured with and without excitation current as output signal. 1676     

压电式压力测量系统准静态校准压力脉宽分析

压电式压力测量系统的低频(零频)特性不理想,静态校准时电荷会产生漂移,对灵敏度的获取产生影响.为准确获取测量系统的灵敏度,可采用准静态校准的方法,该方法存在如何选取校准压力脉宽的问题.根据压电式传感系统的等效电路,建立了在测量过程中电荷泄露的数学模型,分析了电荷漂移的主要原因;探讨了不同压力脉宽1 Hz内低频分量所占能量比;基于准静态校准实验,对典型压电式压力传感系统进行校准,获得了不同脉宽激励下测量系统的灵敏度,对灵敏度的差异进行分析,选取了合适的校准脉宽范围.     

硅酸镧镓压电传感器监测离子液体膜的粘度

以硅酸镧镓晶体为压电材料,研制的微天平传感器不仅对质量变化高度敏感,也可用于液体粘度传感,并能在高粘性介质中使用.随传感器所接触的液体粘度增加,它的谐振频率下降,而动态电阻增加.基于粘度响应模式,该传感器应用于实时检测溴代1-甲基-3-正己基咪唑膜吸附乙醇过程中的粘度及乙醇吸附量的动态变化,为研究离子液体粘度及其吸附性能提供了一种新的测量方法.     

搏击类电子护具用测力传感器及其调理电路的研究

通过研究目前跆拳道电子护具的诸多优缺点,设计制作了一种内嵌于护具中使用的,基于e-Touch压电薄膜的无扰动、抗干扰,可根据需要制作为不同规格的搏击比赛通用型测力传感器,并联成模块网络后与单片机相连可实现对被击打区域的确定。以反应速度快且跟随性好的电压跟随器作为调理电路结合标定结果为后续计算作用力大小、持续时间、作用频率做好准备。通过测力传感器模块制作、标定、电路仿真、整体测试,达到了使用要求。     

Finite element analysis and experiments on a silicon membrane actuated by an epitaxial PZT thin film for localized-mass sensing applications

In this paper, we investigate the performance of a piezoelectric membrane actuated by an epitaxial piezoelectric Pb(Zr_0.2Ti_0.8)O₃ (PZT) thin film for localized-mass sensing applications. The fabrication and characterization of piezoelectric circular membranes based on epitaxial thin films prepared on a silicon wafer are presented. The dynamic behavior and mass sensing performance of the proposed structure are experimentally investigated and compared to numerical analyses. A 1500 μm diameter silicon membrane actuated by a 150 nm thick epitaxial PZT film exhibits a strong harmonic oscillation response with a high quality factor of 110-144 depending on the resonant mode at atmospheric pressure. Different aspects related to the effect of the mass position and of the resonant mode on the mass sensitivity as well as the minimum detectable mass are evaluated. The operation of the epitaxial PZT membrane as a mass sensor is determined by loading polystyrene microspheres. The mass sensitivity is a function of the mass position, which is the highest at the antinodal points. The epitaxial PZT membrane exhibits a mass sensitivity in the order of 10⁻¹² g/Hz with a minimum detectable mass of 5 ng. The results reveal that the mass sensor realized with the epitaxial PZT thin film, which is capable of generating a high actuating force, is a promising candidate for the development of high performance mass sensors. Such devices can be applied for various biological and chemical sensing applications.     

压电加速度计在不同安装方式下的响应分析

在固体火箭发动机力学试验中,不同的安装方式会对压电加速度计的响应产生影响,从而会影响最终的实验结果。通过建立力学理论模型,分析得出压电加速度计的安装谐振频率与加速度计和试件间的连接刚度成正比关系。通过设立多组对比实验,比较不同安装方式下的压电加速度计灵敏度幅值、相对偏差随频率和加速度的变化关系,得出不同安装方式下压电加速度计的适用范围。502胶水的安装方式可以同时满足精度要求很高、试验时间较长、试验频率范围广的要求,而胶木座、磁座、磁座+502、双面胶的安装方式均有不同的使用限制。同时,通过对比180°同轴安装和直接安装时的压电加速度计安装传递系数随频率的变化关系,进一步验证直接安装可以避免多级传递带来的偏差。     

压电陶瓷传感器的灵敏度温漂误差补偿研究

针对微测系统中压电陶瓷传感器的灵敏度温漂会使其在变化的温度环境中工作时性能不稳定,进而影响检测精度问题,提出了一种基于改进Elman神经网络的压电陶瓷传感器灵敏度温漂误差补偿控制方法。分析了压电陶瓷传感器产生灵敏度温漂现象的原因。以压电陶瓷切削力测量传感器为对象,在不同温度下对传感器的灵敏度进行了标定试验研究。研究结果表明,压电陶瓷传感器在同一温度下工作时具有良好的线性度,在温度变化的环境中工作会伴有灵敏度温漂现象。为了有效补偿灵敏度温漂附加误差,提高检测精度,建立了基于改进Elman神经网络的灵敏度温漂补偿模型,并对模型涉及的学习算法、激励函数、输入输出层节点以及承接层和隐含层节点数等相关内容进行了研究。对比试验验证结果表明,所建立的灵敏度温漂补偿模型对压电陶瓷传感器的灵敏度温漂误差补偿控制效果明显,未经灵敏度温漂补偿,直接按照常温下灵敏度标定结果预测的压电陶瓷传感器加载力和实际加载力之间误差较大,最大误差达到29.16 N,利用本文建立的基于改进Elman神经网路灵敏度温漂补偿模型补偿后,补偿模型的预测力和压电陶瓷传感器的实际加载力最大误差仅0.72 N,有效保证了检测精度。     

加速度传感器动态校准系统不确定度评估方法的研究

针对加速度传感器动态校准获取其工作频带的过程中,因校准系统存在测试不确定度导致传感器校准不准确的问题,设计了某型号加速度传感器的动态校准试验,以试验数据为依据提出了系统不确定度评估方法。通过对冲击试验台为冲击激励源构成的动态校准系统测试过程中几个主要误差源的分析,结合文中提出的系统不确定度评估方法计算出校准系统的测试标准不确定为1.77%,扩展不确定度为3.54%。对比测量仪器特性评定相关指标可知该校准系统符合工程校准需要,而该评估方法的提出对校准系统的不确定度评估有一定的现实指导意义。     

Design and experimental study of broadband hybrid energy harvester with frequency-up conversion and nonlinear magnetic force

In this paper, a novel broadband hybrid piezoelectric and electromagnetic energy harvester using in the low frequency vibration environment is proposed, which combines nonlinear magnet force and frequency-up conversion mechanism simultaneously. Performances are studied by theoretical analysis and experimental test. Electromechanical governed equations of harvester are established, and analytical solutions of vibration response, output voltage and power are derived. Then, effects of nonlinear force, spacing between low frequency vibration beam and piezoelectric beam, load resistance and input excitation on harvester performances are investigated by experimental test. It can be concluded that the harvester can be used to work at the low-frequency environment efficiently, and the resonant frequency and harvesting bandwidth can be tuned by the nonlinear force between the magnets and the spacing between beams. Moreover, the larger the nonlinear magnetic force and the smaller the distance between two beams, the lower working frequency and the larger bandwidth. Compared with the corresponding linear apartment, output power and bandwidth of proposed harvester are improved 90% and 125% respectively.