模态测试中力传感器附加质量辨识及消除方法研究

针对激振器激励方式在模态测试中因力传感器附加质量影响会使测量频响函数不准确、附加质量大小难以准确获知等问题,提出基于测量的频响函数辨识力传感器附加质量方法,为消除该附加质量影响提供依据。分析附加质量对结构频响函数的修改,并推导用测量频响函数表达附加质量的通用公式;通过数值仿真验证方法的可行性;采用激振器+激光测振仪方案对简支梁进行模态实验,用简支梁两点的驱动点及跨点频响函数(共四组数据)辨识力传感器附加质量大小。该方法辨识精度取决于频响函数测量精度,而实验中因噪声影响常使测量的频响函数在某些频段质量较低。因该方法计算不依赖全频段数据,故实践中可针对性选取四组频响函数中均具有较高质量的公共频段数据参与计算,以提高辨识精度。     

用动力学方法分析力传感器动态标定装置

对力待感器动态标定装置进行动力学分析。探讨负阶跃力或冲击力激励下的应变式、压电式力传感器，在时域和频域中的响应规律。在分析和探讨的过程中，将考虑传感器的安装方式，亦即考虑传感器处于单、双自由度的不同约束状态，以及与传感器在安装时必须接触的构件质量和构件的微弹性变形。偿试解释力传感器在动态响应中的自由振荡频率和安装频率为何不同的动力学原因。     

附加式压磁测力传感器在动态称重轨中的应用

根据剪力型动态称重轨的工作原理,对应用附加式压磁测力传感器动态称重进行了可行性研究。设计了一种三磁极压磁测力传感器,推导出这种传感器的输出方程,并分别在材料试验机与矿山有轨运输轨道上进行了静态特性标定试验和实试验。试验结果表明,这种传感器能够达到5mV／kN的测试灵敏度和小于2．7％的不重复精度。另外,这种传感器结构简单、安装方便、坚固耐用,将其应用动态称重轨是可行的。     

轴向加荷疲劳试验机动态力修正方法分析

疲劳试验机的动态力修正量与试验机参振质量、刚度及其分布、试验机的传感器安装位置有关。通过对传感器安装在2种不同位置的疲劳试验机力学模型的动态力分析,给出试验机使用时动态力的近似修正公式。通过动态力与参振系统质量分布的分析,结合频率在1000Hz以下动态法与静态法力值校准的实验数据,认为疲劳试验机检定时采用静态法力值校准较动态法力值校准更为合理。     

动态力传感器动态校准中校准方式及负载质量选取的研究

在动态力传感器的动态校准中,校准方式的选取会对动态校准结果产生较大影响。力传感器动态校准需要使用配重质量块作为负载,对于质量块的选择将影响力传感器动态幅值灵敏度的测量准确性,进而影响测量结果。本文通过对动态力传感器动态校准技术研究,对IEPE型动态力传感器进行不同校准方式下的动态幅值灵敏度校准实验,选取不同质量块分析其对测量结果的影响,为力传感器动态校准提供参考。     

带惯性力补偿环节的力值测试系统

传统的电阻应变式测力传感器测量动态力时,由于它的等效弹簧刚度、动态质量以及力传递装置的附加质量一起限制了本身的固有频率,因而当被测输入力值的高频分量比较丰富时,就会出现系统的动态质量被激发的情况,从而使整个系统的输出信号不能精确复现输入力值,而产生相当大的动态误差。本文针对国内动态力测试的研究现状,提出了小力值动态测试的惯性力补偿法。方法的实质是:在应变式测力传感器活动端安装一个加速度计,构成一个带补偿环节的新型力传感器。加速度计用来测量载荷瞬变的加速度信号;力传感器用来测量稳态和载荷瞬变时的弹     

超导梯度计及其对环境噪声的抑制能力

研究了超导磁传感器的交流标定方法,并在此基础上研究了不同软件梯度计的实现方案及其对环境干扰磁场的抑制能力。采用多个频率、多个强度的参考磁场对传感器进行标定得到的结果一致性良好。合成的一阶软件梯度计经过实验验证具有很好的微弱磁信号检测能力,在城市实验室噪声环境下成功实现了约50pT微弱磁场信号的探测。还对标定精度以及实验中观察到的不同软件梯度计方案结果之间的差别进行了讨论。     

垂直简谐激励下阻尼颗粒动态特性研究

在垂直简谐激励条件下,通过稳态功率输入法对颗粒阻尼纵向耦合结构系统的动态特性进行了研究和分析。实验结果表明,在简谐激励作用下由颗粒体引起的周期脉冲力对系统的损耗功率并不产生影响,损耗功率只与激励频率有关。由颗粒体产生的损耗功率和附加质量存在明显的临界点(转捩点)现象,在临界点之前,阻尼颗粒不损耗能量,附加质量变化不明显;临界点之后,损耗功率随激励强度增加而增大,附加质量随激励幅值的增加而变小,且对激励频率的变化不敏感。最后,通过阻尼颗粒的相态特性对出现临界点值现象加以解释。     

基于冲击法的压电式力传感器灵敏度研究

为了开展冲击力校准装置下压电式力传感器动态灵敏度的校准,介绍了基于自由落体的落锤冲击力模型和基于空气轴承悬浮支撑的水平式质量块冲击碰撞的模型;通过4阶Butterworth低通滤波,研究加速度信号波形的滤波平滑,比较了不同截止频率的滤波效果;通过激光测振仪和标准加速度计测量加速度的对比试验,研究加速度绝对测量法与比较测量法对力传感器动态灵敏度校准精度的影响。试验结果表明,激光测振仪测量加速度须通过微分解调,要选择合适上限截止频率的4阶Butterworth低通滤波器进行滤波平滑处理;激光干涉绝对法复现的动态力精度为2%,加速度计比较法复现的动态力精度为4%;激光干涉绝对法校准的灵敏度波动性比加速度计比较法校准的灵敏度波动性小。     

点导纳法的模态密度测试试验

模态密度能反映结构系统振动能量的存储能力,是应用统计能量分析法研究中高频动响应问题的重要参数。模态密度的实验获取常采用激励点导纳法。基于点导纳法原理,分别采用脉冲锤击和正弦扫频两种激励形式,测试一矩形铝合金板的模态密度,考虑传感器的附加质量,对测试结果进行修正。结果表明,激励形式对矩形铝合金板的模态密度的测试精度有较大影响;传感器的附加质量在不同激励形式下,相同频段内,对识别结果影响的差异明显;经过附加质量修正后,正弦扫频激励测试结果与理论值吻合性较好。     

Characterization of gas-phase adsorption on metal oxide thin films using a magnetoelastic resonance microbalance

In this study, a magnetoelastic resonance microbalance (MERM) was used to directly measure the gas-phase adsorption behavior of water vapor, isopropyl alcohol, and acetone on a sol-gel-derived titanium dioxide sensor coating. The nature of the MERM platform enables chemical measurements in situations in which wires or physical connections are undesired (or not possible) or in which sensor cost is a major issue. The underlying MERM technique (with an uncoated sensor) showed excellent day-to-day stability, a linear calibration over a 1 kHz change in frequency (or a 1.5-mg change in mass), and the ability to detect a mass change of 15 microg without any efforts at sensitivity optimization. The titanium dioxide coated sensor yielded excellent response to each of the analytes; however, the response did not follow a simple linear calibration function. A more complex calibration model or utilization of the coated sensor in a limited concentration range would be required for quantitative analysis. The process of applying the metal oxide coatings onto the magnetic substrate altered the structure of the thin film layer, resulting in a relatively loose packing of the porous primary titanium dioxide particles to create an open overall honeycomb structure, thereby affecting the adsorption behavior at high relative concentration.     

车辆-设备耦合系统动态作用力传递特性分析

为了研究多设备悬挂系统与车体间的力传递特性,建立车辆-设备刚柔耦合模型,推导车体、设备的加速度频域响应函数表达式,分别获得车体与单、双层悬挂系统力传递率积分和表达式。研究系统悬挂频率、悬挂位置、双层悬挂系统质量比对传递率的影响。计算结果表明：与双层悬挂系统相比,单层悬挂系统与车体之间传递率较大且受车辆速度影响明显。单层系统在悬挂频率为7 Hz至10.5 Hz时传递率较高;而在双层系统中,增加框架悬挂频率,框架与车体传递率增加;增加设备2 悬挂频率,传递率下降。单层悬挂系统远离车体中部时,能避免出现设备与车辆传递率较大现象,当设备1 的纵向悬挂位置小于6.5 m时,能获得较好传递特性,而悬挂位置对双层悬挂系统传递率影响较小。双层隔振系统质量比对框架-设备2 传递率影响不大,对框架-车体传递率影响显著,传递率随着质量比增加逐渐减小。双层隔振系统中,框架质量越大,车体-框架传递率越小,传递到框架上的力就越小。     

基于光频梳的乙炔稳频1542 nm激光波长测量研究

利用光频梳对稳频激光波长进行测量是建立基于光频梳的波长基标准的必经程序。为了建立基于光频梳的波长标准,并为开展激光波长校准工作提供技术准备,利用自研光纤光频梳对乙炔稳频1542 nm激光波长进行了测量。利用光频梳产生参考激光与待测激光差拍,通过简单的代数关系获得了乙炔稳频激光的绝对频率和真空波长,并与相应的国际推荐值进行了对比。实测获得的乙炔稳频激光的真空波长值为1542.38 371 235 742 nm,在CIPM给定的不确定度范围内,秒稳定度为4.13×10-13。两台不同的光频梳对乙炔稳频激光波长的测量结果具有高度一致性,进一步证明了光频梳对激光波长的测量准确性。本研究对于顺应国际长度基标准发展趋势,加速光频梳在激光波长测量领域的应用进程具有重要意义。     

串联发射弹丸内弹道力学特性测试方法研究

针对小口径高射频串联发射弹丸的内弹道力学特性测试问题,提出了基于弹载存储测试技术的弹底压力、弹前压力同步测试方法。设计了模拟弹和小型聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride, PVDF)压电式力传感器,将力传感器作为底螺与头螺部件承受并测量弹底压力与弹前压力,在发射过载条件下进行了传感器力学分析并推导了受力与输出的关系方程;分析了传力块的质量、厚度,PVDF薄膜的厚度、面积对传感器动态特性和温升的影响;进行了力传感器灵敏度理论建模与分析并开展了标定试验。结果表明,PVDF薄膜预紧力越大,传感器灵敏度越小。开展了串联发射试验,测试结果和内弹道数值模拟计算结果吻合较好。     

压电式力传感器连续加载的校准方法

针对压电式力传感器连续加载的校准方法进行初步探索。使用高精度应变式力传感器作为标准力传感器,在叠加式力标准装置上对压电式力传感器施加类似三角波式的连续载荷,利用数据采集系统采集标准力传感器和被校压电式力传感器的输出,记录整个加载过程,对输出曲线进行分析处理。提出了在连续加载曲线上选择校准点的方法,通过实验数据验证该校准方法的可行性,并对影响校准结果的各种因素进行了初步的分析。     

低量程高线性压阻式微机械加速度传感器

介绍了一种低量程高线性压阻式微机械加速度传感器的设计、工艺制作和封装 ,还较详细地介绍了静态和动态特性的测量和结果。为提高灵敏度,传感器采用悬臂梁结构。本文对结构的固有横向效应进行了计算,结果表明此种结构的三种横向效应主要是由于质量块（岛）质心偏离梁中平面,沿梁伸展方向（ x向）惯性力分量产生的弯矩所致。提出了调整上下盖板与中间质量块之间的气隙改善器件频响特性的方法。报道的压阻式微机械加速度传感器量程± 1g(g为重力加速度 ), 线性度优于 0.05％,灵敏度约 1mV/gV,阻尼比 0.7,带宽 110Hz。     

A Resonant Micromachined Magnetic Field Sensor

The design, modeling, and simulation of a novel micromachined magnetic field sensor are discussed. The sensor uses an electrostatic resonator whose fundamental resonant frequency is modified by a Lorentz force generated from the interaction of the sensor structure and the present magnetic field. The sensor was fabricated in a standard bulk micromachining process without the need for any additional processing steps. Since the sensor does not employ any magnetic materials, it does not exhibit hysteresis. A comprehensive model of the sensor behavior is derived which encompasses the interactions of the involved physical domains. Validity of the modeling results was verified by finite-element simulations, and later, through experiments. The sensitivities of the fabricated sensors are in the range of 48-87 Hz/T, depending on sensor structure and dimensions. The design of the sensor allows for its fabrication in many standard microelectromechanical system processes and is compatible with CMOS processes. The theoretical minimum detectable signal with current devices is on the order of 217 nT. Methods to improve the sensitivity of the current sensors are suggested. A linear response to a wide range of magnetic fields makes this design suitable for applications where large fields need to be measured with high resolution.     

Using Smart Sensor Strings for Continuous Monitoring of Temperature Stratification in Large Water Bodies

A "smart" thermistor string for continuous long-term temperature profiling in large water bodies is described allowing highly matched yet low-cost spatial and temporal temperature measurements. The sensor uses the three-wire SDI-12 communications standard to enable a low-powered radio or data logger on supporting buoys to command measurements and retrieve high-resolution temperature data in digital form. Each "smart" temperature sensor integrates a thermistor element, measurement circuitry, power control, calibration coefficient storage, temperature computation, and data communications. Multiple addressable sensors at discrete vertical depths are deployed along a three-wire cable that provides power and allows data transfer at regular intervals. Circuit, manufacturing, and automated calibration techniques allow temperature measurements with a resolution of plusmn0.003degC, and with intersensor matching of plusmn0.006degC. The low cost of each sensor is achieved by using poor tolerance thermistor and circuit components in conjunction with a 15-bit charge-balance analog-to-digital converter. Sensor inaccuracies and temperature coefficients are corrected by a two-point calibration procedure made possible by a standard-curve generator within the sensor, based upon the method of finite differences. This two-point calibration process allows in-field sensor string calibration in stratified water bodies and provides a means to correct for long-term calibration drift without having to return the string to a laboratory     

拉索-阻尼器体系振动索力测量法研究

拉索索力的精确测量是索类结构健康监测的一个重要内容。由于阻尼器的存在,已有的不考虑阻尼器的索力识别方法在测量拉索-阻尼器体系索力时精度将受到影响。利用Steffensen不动点迭代法对的拉索阻尼器系统的频率超越方程进行求解,进而给出了一种新的考虑阻尼器因素的索力识别方法,并给出了该方法和其他三种方法在识别拉索阻尼器系统索力时的相对误差表达式。通过数值仿真,研究了拉索参数和阻尼器参数对各方法的影响,比较了各方法的相对误差范围。研究表明,基于频率超越方程数值解法的索力识别方法是进行拉索-阻尼器系统索力识别时的最佳选择。     

2270型压电加速度计安装方向对测量结果的影响分析

2270型压电式加速度计通常会被用作标准加速度计开展量传工作,不合理的安装方向会对测量结果产生较大的影响。为研究安装方向与测量结果的关系,介绍了压电加速度计的工作原理和结构形式,讨论了安装方向及安装谐振频率对于被校压电加速度计灵敏度的影响,并进行试验研究。结果表明,不同应用场合,合理的安装方向能够保证加速度计灵敏度有良好的频率响应特性以及幅值线性度。