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。     

基于MEMS传感器的无线传感网络节点的硬件设计

为了解决对建筑物的结构健康安全监测进行在线监测的问题,采用微机电系统(MEMS)技术和无线传感器网络技术相结合的方法,提出了一种基于磁驱动增大检测电流的新型电容式加速度传感器结构,介绍了其工作原理,并设计了该传感器的电容检测电路,在ANSYS仿真软件上对传感器性能进行了评价,在Multisim上对检测电路进行了模拟仿真;仿真结果表明,该传感器可以检测三维加速度信号,静态灵敏度可达0.558μm/g,动态测量范围为10 g,电路实际输出与仿真结果相符,符合要求;在节点整体方案设计中以低功耗的MSP430F1611作为控制MCU,以CC2430芯片实现无线收发,配合周围接口电路实现了位移信号的监测功能;采用片内温度传感器对节点进行了测试。测试结果表明,该节点能够完成监测,满足设计要求。     

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...     

新型多功能光纤传感器研究及应用

应用了基于马赫曾德干涉机构的新型光纤传感器,其优点为:结构灵巧,易于埋入待测结构内;灵敏度高,能感受到材料内部的微小变化;测量原理简单可靠,信号容易探测.这种传感器将可以检测应变、温度等参量,为工程结构的长期健康监测提供了强有力的保证.本文构建了一套光纤传感器检测系统,通过电测系统对其进行了标定,得到了干涉条纹移动数与应变之间的关系,并用其对典型试件受静态栽荷做了检测,结果与实际相符.此外应用该系统做了温度变化的标定与测量试验,同样结果较好.说明该光纤传感器在工程结构中的应用前景很好.     

基于机械放大式机构的新型纳米位移传感器设计

为了能有效地检测PZT驱动器纳米级的驱动位移,文章提出一种采用基于柔性铰链的多级杠杆放大原理的新型纳米位移传感器。与前三代纳米位移传感器相比,新型传感器采用差动结构以及圆筒状的外形,传感器的这种独特结构赋予其较大的机械放大比;同时,建立了其理想数学模型并计算了机械放大比。为了证明传感器的有效性,对其进行了有限元仿真分析。分析结果表明新型纳米位移传感器具有较大的应变输出,且其位移分辨率将小于3 nm。     

镓基液态金属柔性应变传感器的设计优化与实验验证

为了描述传感器微通道结构对传感器输出特性的影响，本文引入传感器横纵微通道长度关系的参数横纵比，综合考虑传感器中垂直和平行于应变方向的微通道中液态金属在应变下的电阻变化规律，建立了镓基液态金属柔性应变传感器数学模型。根据建立的数学模型，优化设计并制备了5种应变传感器样品，在40%应变范围内进行实验。结果表明本文建立的数学模型可以良好地预测不同微通道结构传感器的输出，并为设计优化高灵敏度传感器提供了方向。实验测试结果表明设计的应变传感器在40%应变时的灵敏度为2.01、滞后度为5.1%,且重复性和输出稳定性较高。将设计的传感器用于手指、手肘的关节运动检测，探索了镓基液态金属柔性应变传感器在关节运动检测方面的应用。本文为镓基液态金属柔性应变传感器在可穿戴领域中的应用提供了理论支持。     

采用芯片直接安装技术封装的风速风向传感器

提出一种采用芯片直接安装(Direct chip attach,DCA)技术封装的风速风向传感器的设计,制备和测试结果.该传感器采用圆形结构,利用热温差的方法测量二维风速和风向.其利用两步金属剥离工艺直接将在感风陶瓷基板上芯片制作出传感器芯片,利用封装胶将优质芯片倒贴在打孔印制电路板上并进行引线键合,用绝热封装胶对芯片进行封包,形成最终的封装.对封装后的传感器芯片进行风洞测试,传感器可以完成360o风向检测,风速量程为6 m/s.     

硅微微压传感器的设计

电容式硅微微压传感器具有灵敏度高、稳定性好、加工复杂程度适中等优点,适用于硅微微压传感器的信号转换.采用ANSYS软件对电容式硅微微压力传感器的核心部件进行有限元模拟,即对周边固支的各种结构类型的应变膜进行均布压力作用下的小挠度和大挠度静力学分析.对比各种结构类型的应变膜的挠度特性发现:圆形带岛波纹薄膜囚其岛部位移的一致性提高了感测电容的灵敏度,其良好的线性降低了后续检测电路的复杂程度,是电容式硅微微压传感器的较好选择.     

基于粘贴式应变称重传感器的设计

设计了一种便于安装、应用方便的粘贴式应变称重传感器。该传感器采用弹性基座结构传递应变,采用电阻应变片组成恒压电桥电路检测应变,通过选取合适的弹性元件和敏感元件,并根据相关指标确定其合适尺寸,最后通过严格粘贴、封装工艺等使设计的传感器达到相应的指标要求。     

一种集成三轴加速度、压力、温度的硅微传感器

针对恶劣环境和严格空间体积限制条件下的多参数测量问题,利用绝缘体上硅（SOI）材料,采用微型机械电子系统（MEMS）技术,研制了一种可以同时测量三轴加速度、绝对压力、温度参数的单片集成硅微传感器,其中加速度、绝对压力传感器基于掺杂硅压阻效应,温度传感器基于掺杂硅电阻温度效应.结合芯片中各传感器的工作原理,用有限元方法对设计的结构进行了仿真,确定集成传感器的电阻分布和结构参数.根据确定的集成传感器结构,制定了相应的制备工艺步骤.最后给出了集成传感器芯片的性能测试结果.     

FeGa 膜 / AT 切石英晶片双面复合蝶形谐振磁场传感器

蝶形磁致伸缩膜由于磁汇聚,其中心区域的磁致伸缩应变增强,但是和矩形 AT 切石英晶片复合时,磁膜耦合至矩形晶 片电极区的应变会向周围无磁膜区域扩散,降低应变对晶片厚度剪切振动的作用,降低磁场传感器灵敏度。 提出 AT 切石英晶 片和 FeGa 膜形状一样的蝶形谐振磁场传感器,蝶形晶片可以将蝶形磁膜增强的晶片应变汇聚至晶片电极区,以提高传感器灵 敏度。 仿真结果预测,在 23. 8~ 118. 9 Oe 的磁场范围内,蝶形结构的灵敏度为蝶形磁膜/ 矩形晶片结构的 3. 73 倍。 通过微机械 加工,制作了蝶形器件,对实际器件测试的结果表明,在 76. 4~ 117 Oe 的线性区间内,蝶形传感器的灵敏度可达-29. 08 Hz/ Oe。     

用于船舶结构监测的大量程光纤布拉格光栅应变传感器

平板结构的贴片式光纤光栅传感器应变测量范围较小,难以满足船舶结构健康监测中的应变测量要求。本文采用不锈钢材质,设计了一种采用环形平面弹簧和平板复合结构的贴片式传感器,通过环形平面弹簧结构将复合结构的大应变转化为光栅的小应变,降低被测物体与光栅之间的应变耦合系数,实现了大应变测量。理论分析了复合结构的传感原理,通过有限元方法仿真了该结构的应力分布,结果证明了该结构能够实现大应变测量。将传感器胶粘在特种钢试件上进行了载荷试验,试验结果表明:该复合结构传感器的量程大于20 000με,且线性度较好,相关系数大于0.99。另外,设计的传感器体积较小,便于安装,能较好地解决船舶结构健康监测中的大应变测量问题。     

用于壁面切应力测量的微传感器设计

壁面切应力的测量是流体动力学领域中一项非常重要的测试任务,采用MEMS技术设计、加工的微型切应力传感器能够为壁面切应力的测量提供新的手段.微传感器设计过程中推导其浮动单元线性位移与弹性梁宽度的关系,通过限位装置提高了微传感器的抗过载能力.有限元仿真结果与试验模态分析的最大偏差为8.2%,表明仿真过程中对结构进行的简化以及单元的选取是合理的.加工过程中,采用等离子刻蚀工艺形成传感器的结构,湿法刻蚀工艺完成浮动单元的释放,所加工传感器的整体尺寸为3.4 mm×2.5 mm×0.6 mm.开发了一种封装结构实现传感器与壁面的平齐安装.风洞试验结果说明在0～30 m/s风速范围内传感器的灵敏度为51.2 mV/Pa,该传感器可以用于壁面切应力的测量.     

基于FBG的明渠流量计的研究与应用

研制了一种新型的菱形结构光纤Bragg光栅应变传感器.采用有限元方法分析了该结构的力学性能.将该传感器与巴歇尔槽联合使用,用于液体流量的实时在线监测,实验研究了这种封装形式的应变特性.采用光纤布拉格光栅网络分析仪,测量了菱形应变化传感器的波长和应变变化量,测得其应变系数为630.45 mm/nm,且线性度达到0.999 8.     

单模光纤耦合传感器的设计

以单模光纤耦合器的熔融区为传感元件的传感器是一种特殊和广泛应用前景的光学检测技术。本文分析了该传感器的敏感机理,依据单模光纤耦合传感器耦合输出是传感器耦合区长度和振动频率的函数关系,提出该种传感器可实现应变和振动检测。搭建了以微应变仪和等强度悬臂梁的应变和振动检测系统,设计了实验系统的每个单元,详细分析了耦合型光纤传感器的静态响应特性和温度、横向压力干扰影响,结果表明该类型传感器对应变的响应非常灵敏。通过与压电振动传感器的测试对比,得出该传感器可更好地实现低频和高频振动检测,并分析了其低频和高频的响应特性。耦合型光纤传感器耦合区材料、结构本身、制作工艺等因素将影响传感器的静、动态性能,面向实用化,需解决传感器存在的一些问题。     

具有高灵敏度声表面波应变传感器的仿真与设计

针对高温高旋环境下部件健康监测的需求,设计了一种背部带有凹槽的基于硅酸镓镧(LGS)的声表面波应变传感器.通过COMSOL软件建立应变传感器模型,对应变传感器表面应变分布情况及传感器灵敏度进行仿真,确定了制备传感器的最佳模型参数,同时通过对传感器施加不同的温度场,得到了传感器的应变灵敏度随温度的变化规律.仿真结果表明,...     

大型柴油发动机性能测试中的光纤传感技术

传统电传感器在柴油机性能测试方面存在缺陷与不足,可将光纤传感技术应用于大型柴油发动机性能测试.通过3组试验测试,验证了光纤传感技术的应用优势.根据光纤传感器、柴油机缸盖结构特点,在优化测试方案的基础上利用光纤温度传感器探针进行缸盖测试.文章介绍了光纤光栅传感的轴向应变特性,针对莱内1110单杠柴油机进行振动测试,分析不同转速下光纤振动传感器的响应输出信号情况.根据柴油机进气管道结构及特点,通过新型悬臂梁结构流量传感器的设计,验证了柴油机进气流量测试中光纤传感器在流体信息收集方面的优越性.     

基于有限元分析的粉末介电常数测试装置研制

针对固体粉末的特点,研制了一种测试其介电常数的装置.设计了电容传感器,采用有限元方法对其进行仿真,得出了传感器的电场矢量图,分析了传感器的等效电路;以AD7746芯片为核心,搭建了电容测试电路及电容输入范围扩展电路;采用屏蔽线、屏蔽罩提高测试系统的稳定性及精度.装置所能测试的电容值达到fF量级,应用所设计装置测试了不同密度下二氧化硅粉末的相对介电常数,实验结果表明:本装置能够稳定、准确地测试固体粉末的相对介电常数.     

高速动车组横梁应变场光纤测量与反演研究

针对高速动车组车底底架横梁的应变场反演问题,基于模态叠加法和传感器优化配置理论,提出一种根据部分测点的实测单向应变反演结构空间应变场的方法。以结构的应变模态为输入,以模态坐标独立性为目标,基于信息熵理论建立了传感器优化配置的数学模型,再根据模态坐标和振型采用正则化方法反演结构应变场。仿真计算结果表明,无噪声干扰下,反演的精度较高,最大均方误差为9.87×10^-12,并且正则化方法可以有效抑制噪声对结果的影响。搭建了基于光纤光栅传感系统的测试试验台,基于实测应变数据和模态结果反演应变场,结果表明,反演后的应变幅值相对误差带为1.21%～10.79%,反演数据和实测数据的均方误差带为0.80～3.69。该方法能够准确识别结构的模态坐标,为获取高速列车关键结构的应变场分布提供参考。     

基于应变传递理论的光纤传感器优化设计

联系传感器应用的作用机理,根据变形传递方式的不同,对工程中常用的光纤传感器进行了系统的归类分析。基于应变传递理论建立了应变传递系数与测量允许误差的关系,并以此为优化控制方程得到了满足工程测试精度要求的传感器最佳取值,给出了各类传感器具体的优化设计方法及优先设计指标。研究结果表明:基于应变传递理论的优化设计方法较适用于依靠界面剪应力传递变形的光纤传感器,其优先设计指标依次为粘贴(感知)长度、层间粘结强度、保护层弹性模量和半径、粘贴层厚度;端部扩径型传感器的优化设计则因其应变传递系数能较准确和便利地通过标定试验获取而不依赖应变传递理论,且无明显的优先设计指标。本文充分考虑了传感器工程应用的实际状态,以测试准确性为核心,从力学作用机理角度对传感器进行了较全面和系统的分析,其研究结果可以用于指导工程化光纤传感器的应用设计和标定测试。