基于电磁补偿天平的微纳力值标准装置的性能研究

采用基于电磁补偿原理的精密天平,研制了一种微纳力值标准装置。通过高等级的标准砝码对天平进行校准,实现标准装置力值的SI溯源,在500 nN~500μN范围的力值测量标准不确定度小于0.7%。该装置用于对原子力显微镜（AFM）微悬臂弹性常数和微小力值传感器的力值提供准确的溯源。采用多自由度位置调整系统调整被测微悬臂或传感器的位置及俯仰角度,提高了定位准确度。对几种不同弹性常数的AFM微悬臂进行测量,测量结果的标准偏差小于1.6%,满足高准确度微小力值测量的要求。     

基于接触力信息的解耦式力反馈手控器

针对空间遥操作任务设计一种新型的大行程力反馈手控器,该装置3个方向的运动相互解耦.对雅可比矩阵进行分析,该装置的速度传递和力传递具有各向同性.在此基础上提出一种基于接触力的速度控制方法.通过实时获取各轴的力传感器数据,得到操作者施加力的方向与大小.然后求解与期望力的差值,将其作为PID控制器的输入量.通过PID控制器控制电机速度,给出合适的控制量,驱动电机完成运动.制作实验样机进行测试,结果表明,上述方法能达到较好的控制效果.     

一种测双向力弹性梁的设计与分析

双向力传感器是将应变计粘贴在弹性梁上，并通过4个应变计两两对臂组成半桥，以测量两个\方向的力，介绍一种测双向力的弹性梁结构，用有限元方法进行分析，模拟，并通过试验验证，用该弹性梁制作的传感器具有灵敏度高，结构简单等特点，它适用于手动操纵部件的测量与控制。     

微小力测量系统的实验研究

介绍了一种微小力值测量系统的设计方法。系统采用了自主设计的传感器结构,充分利用了圆柱形电容传感器量程大、线性好、边缘效应小等特点,通过高精度直线轴承保证了运动的同轴度,又利用增加屏蔽结构等方法用来消除寄生电容的干扰。检测电路基于新型高精度、集成式电容数字转换器AD7747与单片机,实现了对电容变化量dC的精确测量。实验结果表明：该方法为10^-5以下的微小力值测量提供了一种有效的解决方案。     

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...     

恒温压动态法气体微小流量标准装置的研制

随着所操控流体的量级等级的升高,精准的流体计量在微小流量计量仪表的溯源上愈加困难.针对该问题,提出了一种基于主动恒温压零平衡动态检定原理的微小气体流量溯源方法.基于该方法研制了流量检定标准装置,设计了双活塞驱动的机械结构以及一种基于LabVIEW和PLC的检定系统软硬件,并对装置进行了不确定度评定.实验结果表明:基于所...     

阵列式压电模态传感器的实验研究

通过一组阵列式压电薄膜,设计未知边界条件下振动梁的模态传感器。在梁表面均匀布置一组具有相同形状的矩形聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜,通过测量PVDF输出与激励力之间的频率响应函数,利用伪逆方法设计这组PVDF的加权系数,从而实现对结构模态坐标的测量。实验研究表明:该方法设计的模态传感器具有良好的滤波效果,非目标阶模态坐标峰值与目标阶相比,下降了12 dB以上,并且不需要预先知道结构的边界条件或者模态信息。进一步讨论了当振动梁的边界条件发生微小扰动时所设计模态传感器的鲁棒性。     

基于STM32单片机的磁强仪校准装置研制

针对磁强仪的量值溯源体系尚不完备,大量设备得不到有效溯源,导致测量的准确度无法保障的问题,分析了现有磁测设备检定校准规范及溯源体系的局限性,提出了一种新型磁强仪校准方法。结合磁强仪校准的技术要求和触摸屏控制技术,开发了包括可调恒流电源、复合磁场线圈、人机控制系统等在内的基于STM32单片机的智能校准装置。利用加莱特圆环线圈的均匀磁场特性,保证校准装置的可靠性。通过对电源、标准磁场、校准装置的重复性试验,对该方法进行了结果验证。试验结果表明,该方法具有高度的稳定性、线性度,且使操作流程简便,能满足磁强仪的校准与测试需求。该系统的开发为完善我国磁测设备溯源体系提供了技术支持。     

电涡流位移传感器在微间隙测量中的特殊应用

针对封装后的试件内部微小装配间隙及在振动环境下间隙动态变化的测试需求,采用电涡流位移传感器进行非接触式间隙测量的解决方案,实现了静态微小间隙和动态位移响应的精确测量,并给出了试验测试实例.测试结果表明,该方法对工程应用中特殊结构间静态间隙及其动态响应测量有实际参考意义.     

气体传感器校准装置设计

为提高气体传感器现场校准的稳定性和准确度,降低环境条件改变对测量值的准确度和稳定性的影响,简化校准程序降低管理成本,设计了一种基于网络的远程校准装置,该装置可以为气体测量仪器执行计量确认时提供可靠的标准量值。首先,校准装置获取传感器现场的温度和湿度,通过TCP/IP网络将传感器测得的气体浓度和温度以及湿度传送至中央控制服务器,由特定的校准算法计算出传感器的温度和湿度修正值。然后,用修正后的测量值对传感器进行计量确认。实验表明,经设计的校准系统校准的气体传感器与传统的校准方式校准的传感器相比测量值的稳定性和准确度更优,其误差由5.3%LEL提高到0.3%LEL标准偏差由传统校准方法校准后的1.1%LEL提高到0.6%LEL。     

基于卫星共视法的电网时频测量及同步技术

时间同步对电网的安全和管理有着重要影响,如何准确可靠地同步电网时间值得研究。为此,提出利用卫星共视技术进行电网时间频率的远程校准、进而实现电网时间同步的方法。首先,提出电力系统的四级时间频率溯源体系,明确了电网时间频率溯源关系。其次,研究建立了可以满足卫星共视要求的时间频率计量标准装置,依托标准装置,将卫星共视技术应用于电力系统时间频率远程校准中,利用卡尔曼滤波算法去除干扰,并分析了基于卫星共视技术的电网时间频率同步方法。为定量评价提出方法的有效性,研究了采用提出的方法进行溯源时的时间不确定度和频率不确定度。实验及分析结果表明,提出的方法可以实现时间频率量值的高精度远程传递,从而保障电力系统中的时间同步。     

扭转式微小力传感技术研究

介绍了一种正在探索的基于扭转杠杆原理的微力测量及溯源技术,并应用弯曲扭转梁的有限元模型分析了扭转杠杆的变形,初步确定了误差来源,而后通过对扭转杠杆的应力与灵敏度的计算,分析出各项参数对其分辨力的影响,同时推导得出扭杆的扭转弯曲比,及其对系统测量误差的影响,给出设计及改进方向,并通过实验验证其分析结果。     

改进型微悬臂梁弹性常数标定系统

微悬臂梁作为原子力显微镜中感受微观力的关键元件,其法向和横向弹性常数的可溯源测量是微观力准确定量的前提.受微电子加工工艺的限制,微悬臂梁形状参数与其法向弹性常数无法准确标定,其横向弹性常数更是缺少广泛认可的标定方法.在天平法的基础上对标定系统进行了改进设计,超精密电磁天平与光杠杆结构的结合,能够准确测量微悬臂梁弯曲量及所受作用力,提高了法向弹性常数的准确度.设计了微孔样片和倾斜加载方式,实现了横向弹性常数的间接测量.基于本系统分别对3种商用微悬臂梁的法向或横向弹性常数进行了标定,并采用基于扫描电镜的尺寸参数法比对测量,实验结果重复性好、相对偏差小.研究结果表明该校准系统和方法可作为微悬臂梁弹性常数标定的参考方法.     

仿生湿吸二维微力传感器设计与试验研究

设计了一种L型的二维微力传感器,该二维微力传感器采用悬臂梁式结构。在弹性力学和材料力学基础上,利用Solidworks三维建模软件和ANSYS仿真软件对传感器分别进行模型建立和有限元应变分析。对该二维微力传感器的实体进行标定,得出了力和输出电压之间的关系。然后,在设计与分析二维微力传感器的基础上,研制了二维微力传感器阵列测试系统。最后,在测试系统实施了不同预压力下的湿吸力测试试验,验证了传感器和系统的可靠性。     

一种新型FBG微力传感器

设计并制备了一种新型微力传感器。将光纤Bragg光栅(FBG)用聚氨酯封装成柱状,将其一端固定在外壳底板上,另一端和杠杆的一端固定,通过杠杆原理起到对微力的增敏作用。当作用力在0~1.666 N变化时,该传感器的灵敏度为0.952 nm/N,是裸光纤拉力灵敏度的3.81倍。通过改变杠杆比例可以使该结构满足不同的测量范围和灵敏度。     

纤毛式MEMS传感器技术研究

首次综合国内外纤毛式MEMS传感器的研究成果,分别介绍了基于纤毛仿生原理的三维微触觉传感器、三维微力传感器、微声传感器、水流传感器、微几何测量传感器以及矢量水声传感器等。该类型传感器充分地将仿生学和MEMS技术结合起来,具有结构新颖精巧、体积小、功耗低、响应快、温漂小、精度高等优点,为开发具有自主知识产权的新型器件提供了新的思路。     

一种SiC高温温度传感器

理论表明,当流过SiC肖特基势垒二极管的正向电流恒定时,在一定温度范围内,器件两端的正向压降与温度变化之间存在线性关系。利用此特性,可以制造SiC高温温度传感器。阐述了SiC高温温度传感器的工作原理、结构特点和工艺过程,介绍了传感器系统的结构。系统的测温范围在0～500℃,测量准确度可达0.5℃。     

利用静电场原理复现微小力值的实验研究

利用静电场原理复现微小力值(≤10-5N)的系统主要包括电容梯度测量模块和平衡电压监测模块。在对测量原理进行深入分析的基础上,得出了实现测量的基本计算公式;同时,通过电磁场专用仿真软件Maxwell进行了仿真试验,通过仿真数据与理论数据的对比验证了原理的正确性;另外,自行设计并加工了实验用圆柱形电容器以及杠杆支架等,搭建了完整的测量系统平台,完成了系统实验,并且将实验数据与理论数据做了对比,验证了实验的可行性,分析了误差产生的可能原因,提出了进一步改进的方向;最后,总结了实验结论:利用静电场原理复现微小力的方法能够满足设计要求并且能够满足测量要求。     

光纤荧光海藻浓度测量仪的研究

本文提出了一种检测海水中藻类浓度的新方法,在利用原有浓度检测原理的基础上,应用光纤和荧光技术,采用脉冲氙灯作为激发光源,并配合有效的微弱信号检测技术以实现藻类浓度的在线测量。该系统具有结构简单、水下探头无源以及高精度、高灵敏度等特点。实验证明,该系统用于海藻浓度的检测是可行的,也可应用此方法检测海水中其它物质的浓度。     

输电线路巡检机器人覆冰厚度测量装置的研究

结合在电力行业的实际应用,针对当前输电线路导线覆冰实时监测装置存在的问题,提出了安装在输电线路巡检机器人平台上使用的一种直接接触测试式的输电线路覆冰厚度测量装置。详细介绍了输电线路覆冰厚度测量装置的传感器选择、结构设计、测量原理,相应的电子电路部分以及数据处理方法。该装置的优势在于不改变原有线路,测量方式可靠,测量结果准确,可以对档距内的线路进行全程测量,较好地解决了当前存在的不足。为进一步进行性能测试打下了基础,为解决输电线路覆冰测量提供了新的解决方案。