应用于特殊环境的光纤光栅温度压力传感器

针对现有高温高压油井下对温度和压力的实时长期监测要求,设计了温度补偿式光纤光栅温度压力双参量传感系统。根据传感器的使用环境,优选了恒弹性合金。采用优选后的恒弹性合金作为基底材料设计了圆筒与圆形膜片组合式传感器结构,圆形膜片是整体加工成型的。最后,对传感器进行相关实验测试。实验测试与误差分析结果显示,传感器实现了温度和压力的大量程测量,传感特性呈单值线性,温度补偿可一体化封装;温度线性检测区为0~350℃,温度灵敏度为0.020 1 nm/℃,温度测量静态误差为0.029%;压力线性检测区为0~60 MPa,压力灵敏度为0.013 6nm/MPa,压力测量静态误差为0.046%,这些指标能够满足实际工程的要求。     

一种双面变极距电容式海水压力传感器的研究

针对传统深度(压力)测量仪器无法满足海洋信息检测对于快速深度测量需求的问题,文中研究并设计了一种基于厚膜工艺制造的双面变极距电容式压力传感器敏感单元。为提高检测灵敏度和满足快速移动测量的需求,采用双面感压电极的芯片式结构设计;基于小挠度薄板设计理论,运用ANSYS对应力、位移进行仿真,对传感器设计的合理性进行理论论证;搭建电容式压力传感器的性能测试系统,分别从线性度、灵敏度、重复性等方面进行性能测试,传感器量程为0～2 MPa,非线性误差小于1%,灵敏度为0. 02 pF/kPa,重复性误差为0. 623%。结果表明该传感器是一种在较浅海域测量线性度好、灵敏度较高、可靠稳定的压力传感器。     

高灵敏测量放大器研制

高灵敏测量放大器由信号输入变压器,前置放大器,高Q 选频带通滤波器和线性检波器组成在20dB 输出信号噪声比条件下,整机灵敏度高达0.1μV,比FD-1测量放大器高二个量级,前置放大器输入级采用低噪声场效应晶体管,其等效输入噪声电压为7 nV/(Hz)~(1/2)。选频带通滤波器为一态变量有源滤波器,其频率范围从10Hz 到5 kHz,幅度精度为±5%,线性检波电路由运算放大器构成,在40dB 动态范围内,线性度优于2%。文中讨论了信号输入变压器线电阻对噪声的影响。     

基于转动支承梁式的光纤光栅低频加速度传感器

为了实现低频振动的高灵敏度测量,设计了一种基于转动支撑梁的新型光纤布拉格光栅加速度计。 通过分析其振动 模型和 MATLAB 数值计算,优化了传感器的结构参数,设计传感器理论灵敏度为 1 725 pm / g,固有频率为 68. 4 Hz。 同时通 过 COMSOL 模拟分析传感器的动态特性,其模拟结果与理论分析吻合。 频响特性和幅值特性实验结果表明光纤光栅加速度 计在加速度 0 ~ 2 g、工作频率 0. 5 ~ 20 Hz 的范围内,传感器加速度特性曲线呈现良好线性关系,灵敏度高达 1 495. 2 pm / g,重 复性良好。 该传感器结构简单紧凑,轴承结构有效减少悬臂梁振动过程中的弹性能耗,可显著提高其灵敏度,能够实现低频 振动信号的探测。     

基于光雕技术的还原氧化石墨烯压力传感器制备

石墨烯目前已被广泛用于压力传感器的制备,但由于传统石墨烯制备方法的制约,大部分已报道的压力传感器都只在较低范围内具有高灵敏度,无法用于宽范围的压力检测。文中将氧化石墨烯涂覆在贴有柔性薄膜的光雕光盘表面,通过光雕技术将氧化石墨烯进行了图案化还原,并将其用于制备测量宽压力范围的压力传感器。结果表明,此压力传感器对0~500 k Pa的压力范围有很好的线性响应,并且具有良好的稳定性。     

高低温环境对三轴高 g 值加速度传感器灵敏度变化影响研究

针对高低温环境对高 g 值加速度传感器灵敏度影响机理不清的问题,通过建立两端固支的敏感单元数学模型,得到了 传感器灵敏度与敏感单元纵向应力、横向应力的关系。 通过热-力耦合仿真分析得到了传感器灵敏度与温度间的关系,在 -40℃ ~ 50℃范围内,传感器灵敏度随温度的增加而减小,且在-40℃ ~ 20℃ 范围内灵敏度变化较快,在 20℃ ~ 50℃ 范围内灵敏 度变化较慢。 通过传感器高低温试验得到高低温环境下传感器灵敏度数据,-40℃条件下灵敏度大小为 0. 523 μV/ g;50℃ 条件 下灵敏度大小为 0. 516 μV/ g。 与仿真结果进行对比,验证了温度变化对传感器灵敏度的影响规律,为提升高 g 值加速度传感 器在高低温环境下测量精度具有理论参考意义。     

基于赝电容的高线性度柔性压力传感器研究

基于可逆氧化还原反应的赝电容式柔性压力传感器具备高灵敏性能,可用于微弱压力检测,然而,目前赝电容式柔性压 力传感器线性度较差,只能在有限压力区间内保持较高灵敏度。 为此,本文利用 MXene 材料作为电极,设计了一种内部具有孔 隙且表面粗糙的双尺度随机微结构离子凝胶膜,增加了其压缩过程中的缓冲空间,使凝胶膜应力变形更加均匀,确保了灵敏度 在受压过程中保持稳定。 实验数据表明,传感器在 0 ~ 1 MPa 范围内具有超高的线性度(相关系数 ~ 0. 994),优异的灵敏度 ( ~ 2 133. 7 kPa -1 )、快速的响应和恢复时间(分别为~15 和~23 ms),较低的检测限( ~ 2. 5 Pa)和优异的机械稳定性。 将传感器 用于水下,可高线性检测水深,同时传感器可以高灵敏检测到不同水深下螺旋桨扰动产生的微弱水流变化。     

一种高灵敏度无线压力传感器的研究

为解决压力传感器在密闭空间、高旋、生物体内等不适用引线的问题,设计了一种无线压力传感器。对传感器进行原理分析及结构设计,采用MEMS工艺对硅片及BF33进行加工,并搭建了谐振频率-压力测试平台,对传感器性能进行测试。压力测试范围为5~105 k Pa,在常温时的灵敏度为161.5 Hz/Pa,传感器具有较高的灵敏度,有利于提高压力检测精度。     

基于超弹性体材料的微型光纤法珀压力传感器

针对体内介入式医疗应用需求,提出一种基于超弹性体材料的微型光纤法珀压力传感器设计与制作方法。 通过理论分 析建立了适合超弹性体硅橡胶材料的 Mooney-Rivlin 力学仿真模型,对不同组分、厚度感压材料的受压变形状态进行了理论分 析,并获得优化的传感器材料及结构参数。 进一步提出微型光纤法珀压力传感器的制作方法,通过感压性能测试、温度影响测 试和体外血液压力测试,对比验证了不同参数传感器的感压性能。 结果表明,在感压材料直径 180 μm、厚度 250 μm 时,测压范 围 0~ 40 kPa 内传感器的压力灵敏度达到 154. 56 nm/ kPa,20℃ ~ 50℃大温度范围内引起的压力测量相对误差仅为 0. 36% ,温度 对压力测量的影响完全可忽略。 相比传统膜片式光纤压力传感器,基于超弹性体材料的微型光纤法珀压力传感器不仅尺寸小、 灵敏度高,还具有成本低、方便制作的技术优势。     

滑动式光纤布拉格光栅位移传感器

为克服现有光纤光栅位移传感器设计中存在的传力介质弹性系数易改变、滑块易产生偏移等对测量精度的不利影响,提出了一种滑动式位移传感器。楔形滑块的滑动面和限制面的采样互相垂直、等强度梁的变截面和一体化、滑动面圆弧化等特殊设计,使传感器具有抗滑动干扰性、梁挠位移测量的高灵敏性、长期往复测量的耐磨性等优点。阐述了传感器测量原理,加工制造了传感器原型,并开展了全面的性能测试。测试结果和误差分析表明:传感器在0~100mm的量程中,灵敏度为20.11pm/mm,精度达到0.099 5%F.S,具备良好的微位移测量能力;重复性误差和迟滞误差分别仅为0.705%和0.403%,且抗蠕变性能良好,可满足机械装备、土木工程等重大设施的结构健康监测对位移、变形测量的精度和长期稳定性要求。     

基于SOI晶圆材料的硅微压传感器

为解决硅微压传感器制作过程中存在的问题,以SOI晶圆材料为基础,使用有限元方法优化设计岛-膜型1kPa压力敏感结构,采用MEMS工艺完成传感器芯片制作,并对封装后的传感器进行了测试。测试结果表明,传感器输出灵敏度大于60 mV/kPa,非线性小于0.1%FS,精度小于0.5%FS,器件具有较好的性能指标。     

多晶硅纳米薄膜牺牲层压力敏感结构设计

为使多晶硅纳米薄膜良好的压阻特性在MEMS(微机电系统)压阻传感器中得到有效应用,在设计牺牲层结构压力传感器芯片中探索性地采用了多晶硅纳米薄膜作为应变电阻,并给出这种传感器的设计方法。分析了牺牲层结构弹性膜片的应力分布对传感器灵敏度的影响,优化设计了量程为0~0.2 MPa多晶硅纳米膜压力传感器芯片的结构参数。有限元法仿真结果表明:在保证传感器灵敏度大于50 mV/(MPa.V)的前提下,零点温漂系数可小于1×10-3FS/℃;灵敏度温漂(无电路补偿)可小于1×10-3FS/℃.为高灵敏、低温漂、低成本的高温压力传感器集成化发展提供了一条可行途径。     

基于温度补偿方法去敏的新型光纤光栅压力传感器

本文阐述了一种带温度补偿、基于平面薄板结构的新型光纤光栅压力传感器.作为弹性体的压力敏感薄板,其硬心通过一L型刚性位移传递机构拉动压力敏感FBG;温度去敏通过被动温度补偿和残留温度效应实时修正来解决.传感器性能指标测试如下:重复性0.066%FS,回程误差0.846%FS,线性度0.102%FS,传感器精度±0.591%FS;在-30℃到+80℃范围内,传感器零点漂移为+1.720 8%FS,灵敏度漂移为+0.010 4%FS,传感器温漂为+1.731 2%FS.     

Research and design of a novel,low-cost and flexible tactile sensor array

At present, the flexible tactile sensor array has become a hot research topic in the field of robotics. This paper introduces the design, fabrication and measurement of a novel tactile sensor array based on soft materials and sensor’s piezoresistivity. This sensor array is capable of detecting the contact force and contact location via a triangular location algorithm. This triangular algorithm, which uses response of different sensing elements to a contact force, can reduce the amount of processing data and the density of the sensor array can get lower. The flexible pressure sensing elements are integrated in a flexible PDMS (polydimethylsiloxane) film, which can avoid the limitation that traditional rigid sensing elements have during their bending deformation. The sensor array’s performance has been experimentally evaluated. The results show that the proposed sensor array has an accuracy of 88.23% for the force and spatial resolution of the sensor array can reach 2.5 mm.     

基于正弦机构力放大原理的高灵敏度光纤光栅压力传感器

基于正弦机构力放大原理，设计研究了基于平面圆形薄板结构的新型高灵敏度光纤光栅压力传感器，研究表明，传感器的压力灵敏度可高达0．04711（pm／Pa），比裸光纤增敏了14989倍，可应用于超低量程压力的传感测量，而该封装结构易于传感FBG多路复用，组成传感器阵列。     

Graphene-based optical fiber ammonia gas sensor

To precisely monitor and forecast harmful gases in the air, a high-performance fiber gas sensor based on graphene nanometer-functional materials is proposed and experimentally demonstrated. The sensing area of the proposed sensor was a graphene-wrapped fiber which was cascaded between a down-taper and an up-taper. The graphene wrapping on the subuliform fiber sensing area substantially increased the evanescent field which transmits along the surface of fiber and will have a significant sensitization effect on the gas sensing. At the same time, the gas molecules adsorbed by graphene lead to changes of the effective refractive index of the composite waveguide, which causes corresponding wavelength drift and attenuation. By detecting the change of the output optical signal, the concentration of gas molecules was detected. Based on this principle, the sensor realized a gas sensitivity of 0.015?nm/ppm. The research shows that the sensing structure has the advantages of small volume, good mechanical strength, excellent spectral quality, and high sensitivity.     

MEMS电容应变传感器

本文详细介绍了一种用硅玻璃键合工艺制作的微型梁式电容应变传感器,通过ANSYS软件并结合MEMS器件的特点进行优化,设计并制作了由MEMS工艺实现的微型梁式电容应变传感器.为保证应变器件稳定工作,在测量电路中加一直流静电驱动电压在电容器的极板之间,以保证建立的电场在两极之间产生一个静电力,引起膜片发生向下形变的弯曲,从而保证作用在轴向的应力不会使应变梁产生失稳.文中详细给出了工艺流程和测试结果,通过实验测试证明,用这种方法制作的电容应变器件具有良好的线性、较小的滞后和稳定的工作特性,其中应变灵敏度达10 fF/MPa,测量误差小于1%FS.     

Lamb波压差式微流量传感器

为提高微流体系统中的流量检测灵敏度,增大动态检测范围,实现温度补偿,提出了一种基于Lamb波的压差式微流量传感系统.该传感系统主要由两个Lamb波压力传感器和微通道组成,它利用Lamb波薄膜内应力的敏感特性,以频率计量的方式间接测量微通道两端的压力差;并采用双Lamb波压力传感器构成差动式测量结构进行温度补偿.对长20 mm,宽1 mm,高50 μm的微通道进行了流量测试实验,结果表明:在流量测试范围内,微通道两端的频率差与流量基本呈线性变化,其线性相关系数为0.999 9;在微流量传感器未进行优化的前提下,最小检测量为0.627 μL/s.     

真空微电子传感器研究及进展

介绍真空微电子传感器的研究和发展概况,着重叙述了真空微电子压力传感器和真空微电子磁传感器的发展,并就其研究、发展和应用前景阐述了个人的观点。