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...     

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。     

一种具有温度补偿的“王”字形FBG应变传感器研制

针对铁轨温度与外载应力实时监测,设计了一种"王"字形FBG应变传感器。该传感器借助一组平行布置但彼此相连的带狭长矩形窗口的基片,将2根FBG悬空粘牢,通过基片的固连和紧贴实现具备温度补偿的应变测量,同时防止啁啾。采用有限元仿真分析传感器的应变和温度特性,并进行基于强度梁的传感器标定;最后,在高速铁路60轨道上进行了实测。仿真与实验结果表明,该传感器既可进行结构温度测量,又能实现铁轨温度补偿后的外载应变测量。     

差动结构的平面二维时栅位移传感器

为了解决采用两套高精度一维传感、装置测量二维位移时存在的测量系统复杂、检测同步性难保证和解耦运算复杂等问题,提出了一种基于差动结构的二维感应信号直接解耦方法,用于研究一种平面线圈型二维时栅位移传感器。立足于传统电磁式时栅技术,构建了二维位移直接解耦测量模型,并设计了传感器的基本结构。利用ANSYS Maxwell 建立了传感器三维结构模型并进行了电磁仿真,并对仿真结果进行误差分析和溯源。基于此研制了传感器样机并进行了实验。实验结果表明：样机在79.2 mm×79.2 mm测量范围内,X方向误差为91 μm,Y方向误差为74 μm,可实现二维位移同步检测和直接解耦测量,且测量系统结构简单、体积小,对研究更高性能的二维时栅具有重要参考价值。     

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。     

悬臂梁式测力传感器结构的拓扑优化设计

对二维悬臂梁结构进行初始数值分析,确定贴片布置方式。根据力传感器的设计要求,如贴片区域的应力集中、刚度和重量等,基于常用的SIMP拓扑优化方法,建立拓扑优化模型。结合敏度过滤、密度过滤方法和优化模型参数的连续化方法,使优化的结构收敛到一个细结构较少的拓扑构形。采用MMA优化算法对优化模型进行求解,实现对悬臂梁式测力传感器结构的拓扑优化设计。最终优化结果显示,经拓扑优化得到一个应变在贴片区域集中的优化结构,并达到四个贴片区域的应变量一致。     

贴片工艺对微加速度传感器CV特性的影响

针对设计制作的硅三明治MEMS电容式加速度传感器,利用COMSOL软件建立了封装结构有限元模型,仿真分析了贴片工艺对传感器芯片变形的影响。通过对贴片前后传感器CV特性曲线的测试,发现贴片后传感器在测量CV特性曲线时中间质量块会经历平动和转动的过程,曲线会出现明显拐点,提出了利用CV特性曲线计算贴片后传感器敏感质量块偏移大小和扭转角度的方法,通过该方法计算的结果与有限元仿真结果相符。     

转辙机动作杆受力分析与测量研究

针对转辙机动作杆这类大刚度结构件应力应变测量问题,对平面小孔应力集中规律进行了仿真探究,在相关理论和仿真结果的指导下建立动作杆装配仿真模型,确定传感器安装点,结合小孔变形特性,设计出传感器总体结构,确定传感元件布置点.仿真结果表明,所设计弹性体能够产生3.5×10-5应变变化量;根据传感器静态特性曲线和动态实验结果,该传感器拥有较高的信噪比,拥有1％FS的线性度,能够有效地对动作杆受力状态进行监测.     

旋转叶轮动态载荷测量传感器的设计与分析

针对采用定子式测量方法,测量叶轮动态载荷误差较大、且难以保证叶轮旋转工作状态时的动态特性,设计了一种布置在叶轮和轴间的叶轮动态测量传感器结构,可实现对叶轮轴向力和径向力分量的独立测量。采用有限元分析方法对测量传感器进行了线性分析、谐响应分析以及维间耦合分析。结果表明,传感器结构对轴向力和径向力测量均具有良好的线性度,线性相关系数为1;两测量方向上动态频率响应范围分别达到0～8.5 kHz和0～1.0 kHz;传感器结构具有较小的维间耦合影响。标定试验数据进一步验证传感器应变输出与载荷间的相关系数超过0.99,验证了传感器结构的合理性。论文研究为旋转叶轮动态载荷的测量提供了一种新思路,也为开展叶轮动态载荷传感器的设计提供了理论依据和参考。     

平板式压电六维力传感器静态性能研究

针对弹性体式六维力传感器存在的瓶颈矛盾,提出一种非弹性体式平板式压电六维力传感器。目前研究这类六维力传感器的静态性能主要是试验标定法和数字仿真法,这两种方法无法找到传感器结构参数与传感器性能之间的数学关系,也就无法全面实现基于静态特性的结构参数设计。从研究这类传感器的灵敏度特性出发,分析传感器的测量原理,推导传感器的等效结构模型;提出基于灵敏度特性的静态数学解析模型,建立这类传感器的数值模型;结合传感器的数学解析模型和数值模型研制传感器试验原型并开展静态标定试验,测试灵敏度、各向同性度、维间耦合、线性度、重复性等静态特性参数。试验结果证明:平板式压电六维力传感器工作原理正确,解析数学模型和数字模型有效,研究结论为全面设计和研究这类多维力传感器的静态特性奠定了基础。     

一种新型平面组合传感器的误差建模与分析

设计了一种新型三自由度位姿测量平面组合传感器装置，用于完成对平面运动的两个移动自由度和一个转动自由度的动态测量。介绍了传感器的机构构成和测量原理，利用微分法原理建立了误差模型，对误差产生原因进行分析，得出了机构误差对测量精度的影响曲线，试验和仿真验证了新型平面组合传感器机构的合理性。新型平面组合传感器机构简单，测量精度高，适用于特定环境下的高精度平面运动位姿测量。     

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。     

高灵敏度大量程六维力传感器设计

为满足空间在轨组装望远镜地面装配试验的相关需求,综合考虑六维力传感器的量程、刚度和灵敏度等因素,设计了一种高灵敏度大量程六维力传感器。首先对经典十字梁六维力传感器进行数学建模,通过对比各通道单独作用时,应变梁表面应变和弹性体变形刚度的数学表达式,提出一套提高传感器灵敏度的改进方案;然后对传感器结构进行详细设计,并通过传感器的有限元仿真验证结构方案可行性;最后,对六维力传感器进行加工与标定,得到传感器线重复性误差小于0. 33%FS,力通道测量灵敏度大于0. 83 m V/V,力矩通道测量灵敏度大于2. 6 m V/V。该六维力传感器各项性能优良,目前已应用于在轨组装望远镜地面实验当中。     

飞机结构载荷测量虚拟电桥应变计算方法

在应变法飞机结构载荷测量中,应变电桥在飞机结构上的布置方式是载荷准确测量的关键影响因素,但随新结构及新材料在飞机设计制造中的应用,采用飞行器结构力学方法对受载结构定性分析以确定应变电桥布置方案的方法难以满足载荷高效精准测量的要求。针对该问题,基于空间应变理论及有限元仿真方法提出了虚拟电桥应变计算方法,在飞机结构有限元模型上构建虚拟电桥,通过虚拟电桥应变响应对其进行受载响应特性评估,以保证真实条件下以该方式布置的电桥可准确反映待测载荷。采用该方法对某起落架结构载荷测量电桥进行计算,与试验结果对比表明,该方法计算结果准确,可为应变改装提供有效量化依据,提升载荷测量精度及效率。     

一种离散阵列的平面二维电场式时栅位移传感器

针对平面二维光栅位移测量技术在高精度和大量程之间难以兼顾的现状,基于前期一维电场式时栅的研究基础,提出了一种离散阵列结构的二维电场式时栅位移传感器.传感器采用平面正交离散栅面空间排布的编码方法,实现了对平面二维电场式时栅激励电极编码;建立了平面二维电场式时栅位移测量模型,从理论上推导了受X和Y两个方向位移信息调制的耦合...     

一种新型液压导管应变测量装置设计与研究

针对飞行器液压导管应变测量环境复杂,传统有线测量设备传感器布置困难、引线多等问题,提出了一种新型液压导管 应变测量方法。 该方法基于频响函数法建立测量装置与导管的动力学模型,研究了两者之间的应变映射关系,设计了可拆卸式 测量装置,实现传感器非接触测量导管应变;结合理论计算和有限元仿真,研究了测量装置对导管模态及应变的影响,优化了装 置设计及相关尺寸参数;通过试验验证有限元仿真结果,检验了装置非接触测量液压导管应变方法的有效性。 结果表明,测量 装置对导管应变影响微弱,300 Hz 以下应变重构相对平均偏差为 6. 2% ,证明测量装置能够有效测得导管应变,该方法和装置 有望解决复杂测量环境下飞行器液压导管应变的快速准确测量问题。     

基于等效平面的斜角切削仿真分析

单刃螺旋立铣可视为斜角切削,基于等效平面法分析切削过程更符合斜角切削特性。对斜角切削的二维正交建模方式进行优化,提出了基于等效平面的二维建模方法,在等效平面上将三维斜角切削转化为二维正交切削:推导出等效平面内刀具等效参数,建立基于等效平面的二维正交模型。将其仿真结果与基于主剖面的二维模型的仿真结果进行对比,并结合以往文献中基于主剖面的二维模型的仿真值与试验值进行对比分析,通过研究表明,基于等效平面的二维建模方法可适当提高斜角切削的二维仿真结果的精度,因此,等效平面法可为斜角切削二维建模的优化提供参考。     

一种新型的三维ECT传感器及三维图像重建方法

针对二维电容层析成像系统轴向分辨率低,对介电常数在轴向有显著变化介质的分布不适应,在分析电容层析成像基本原理的基础上,提出了一种新型的三维电容层析成像传感器结构。三维电容层析成像传感器检测电极分为3层布置在绝缘管道外壁,在测量时根据需求,采用双电极激励检测模式对同层或不同层之间极板阵列组合进行检测,以获得传感器内部介质的三维数据。实验结果表明,介质轴向分布图像更加客观和真实,与传统的单电极激励模式相比较,检测电容值得到提高,测量区灵敏度均衡性得到改善,图像重建精度得到提高。     

基于伪随机编码的绝对式平面位移测量方法研究

数控二维工作台是加工机床、坐标测量机、显微镜、机器视觉检测设备的共性基础模块部件,二维工作台采用平面二维绝对测量系统可减小传统二维方向分别贴装位移传感器引入的阿贝误差,提高二维位移平台设计的集成度,实现对空间绝对位置的实时测量。研究了基于伪随机序列的二维平面绝对测量编码技术及其测量系统,利用伪随机M序列生成长距离位置编码并进行二维拓展,完成了平面位置二维编码的设计,研究了相应的高效解码算法。基于编码和解码算法,制作了二维平面编码盘,研制了基于FPGA的读、解码测量系统,对编码图像采用灰度重心法进行细分以提高测量分辨率。经实验验证,绝对式二维编码测量系统的平面单点位置偏差在±3.3μm以内。     

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。