直杆式光纤水听器探头动力特性分析

光纤水听器(FOH)探头技术是FOH系统的基础,探头的动力特性直接影响水听器动态响应的幅频特性、响应范围和带宽.分析了直杆式FOH探头的自由振动特性,用Rayleigh法导出了其基频计算的理论公式,全面地分析了FOH探头基频的影响因素,并利用ANSYS对其前几阶固有频率和模态进行了模拟分析.基频的数值模拟结果与理论计算结果比较吻合,最大偏差为5.05%.基频理论计算公式对水听器探头的参数优化设计具有指导意义.     

硅纳米悬臂梁传感结构压阻特性的试验研究

为了研究拉伸和大形变弯曲共存状态下硅纳米悬臂梁传感结构的压阻特性,采用CMOS工艺制作了硅纳米悬臂梁传感测试结构,结合原子力显微镜和半导体参数测试仪对其电学参数进行了测量,其位移灵敏度高达1.58216×10-4/nm。在电阻相对变化率实验测量和ANSYS有限元平均应力仿真的基础之上,进而提出了一个非线性压阻模型来提取大弯曲硅纳米悬臂梁的一阶和二阶压阻系数。研究结果表明:其一阶压阻系数约为体硅的5倍,该巨压阻效应为利用硅纳米压阻传感结构来实现超高灵敏度的纳米压力传感器提供了可能的途径。研究结果同时也揭示了要获得高的灵敏度和好的可靠性,硅纳米悬臂梁的长度设计需要折衷考虑。     

悬臂梁大变形的向量式有限元分析

为分析悬臂梁的几何非线性行为,用向量式有限元法将结构离散成质点系以及质点间的连接单元.根据牛顿第二定律得到每个质点在内力和外载荷作用下的运动方程以及悬臂梁在每个时刻的变形用该时刻质点系的运动表示.结合刚架元的节点内力和等效质量得出质点位移的迭代计算公式,采用FORTRAN编制计算程序,对悬臂梁分别承受集中载荷和弯矩下的大变形进行算例分析.计算结果与理论解吻合较好,表明该方法能很好地模拟分析悬臂梁的大变形.     

光纤光栅与电阻应变片磁场环境下应变测量的试验研究

针对磁场对传感器工作性能的影响,借助等强度标准悬臂梁,研究光纤光栅和电阻应变片在磁场环境下的应变测量特性。给出2种传感器的应变传感方程,搭建磁场工作环境,分别采用电阻应变片和光纤光栅对磁场下悬臂梁的应变进行测量。结果表明:在有周期变化磁场工况下,电阻应变片的时域波形产生周期性的脉冲,脉冲大小与变化磁场的强度成正相关关系;光纤光栅传感器的测量结果则始终维持在理论计算值左右,不随磁场的变化而产生较大波动,证明了光纤光栅的抗电磁干扰特性。     

单光纤光栅实现位移、温度同时区分测量

结合光纤光栅悬臂梁调谐的特点,采用悬臂梁矩形梁结构,将光纤光栅粘贴在悬臂梁侧面,利用反射波的带宽对应变敏感而对温度不敏感的特性解调悬臂梁自由端的垂直位移,和反射波的中心波长对温度敏感而对应变不敏感的特性解调温度,成功地实现了对位移和温度的同时测量.基于光谱分析仪0.1 nm的光谱分辨率,实验可得到位移、温度同时区分测量系统的带宽随位移变化的灵敏度为0.153 nm/mm,位移分辨率为0.193 mm,位移测量范围可达6.15 mm;中心波长随温度变化的灵敏度为0.029 nm/℃,温度分辨率为3.4℃,温度测量范围为45℃.实验结果与理论分析基本一致.     

悬臂梁结构损伤检测仿真研究

以悬臂梁结构为研究对象,针对户外条件下结构损伤检测过程复杂、周期长、检测效果不理想的问题,提出了模态曲率变化率法.通过大型商用有限元软件ABAQUS,建立梁结构有限元模型,基于模态曲率变化率法构建损伤指标,对梁结构进行损伤检测定位,并与模态应变能法的损伤检测效果进行了对比.结果表明:模态曲率变化率法计算过程简单,能够准确快捷地对悬臂梁结构进行损伤识别定位.     

各向异性磁电阻传感器Barber电极的优化设计

利用ANSYS软件对各向异性磁电阻(AMR)传感器不同取向的Barber电极进行分析和计算,得到不同取向Barber电极的磁电阻相对变化率随归一化磁场的变化曲线,从而为改善具有Barber电极的AMR传感器输出曲线的对称性、优化AMR传感器的输出特性提供了理论依据。     

基于NEMS技术的硅基纳机电探针阵列器件研究

进行一种用于高密度存储的硅基纳机电探针阵列器件研究.并采用理论计算和有限元模拟相结合方法对器件进行了设计;使用先进的微纳加工工艺技术将压阻敏感器和电阻加热器集成到超薄悬臂梁-针尖结构纳机电探针阵列器件上,实现器件制作;随后,进行器件电热特性及其敏感特性测试,测试结果与模拟结果相吻合;借助于原子力学显微镜在聚合物有机薄膜上实现了数据写入,优化写入条件后,数据记录面密度达31.6 GB/in2.     

电阻应变计在机械振动测量中的应用

本文采用金属电阻应变片作为传感器,研究了悬臂梁在动荷载的作用下的若干动态参数的测量,包括固有频率、阻尼系数等。详细叙述了用电阻应变计测试技术测定悬臂梁在动荷载的作用下的若干动态参数的过程以及数据处理的方法;并对所测定悬臂梁的动态参数的准确性进行讨论,指出方案中的优点和不足。     

超薄平面结构电涡流传感器的研究

介绍用集成电路微细加工技术研制出的一种新型超薄平面结构的电涡流传感器探头。用理论模拟对线圈半径与绕向进行设计，并配制了适宜的二次电路，制造出微位移测试样机。同传统结构的电涡传感器探头相比，灵敏度提高了１６％，线性度改善２％。     

纳机电探针阵列与压阻式传感器集成技术研究

给出了纳机电探针阵列与压阻式传感器集成一维阵列器件结构及工作原理;通过理论计算得到该结构的一些主要的特性参数,计算结果与ANSYS模拟结果相符合;并运用微纳机械加工技术制造出该器件。该器件将加热电阻器、压阻式传感器和硅基针尖集成于在同一超薄微细悬臂梁,通过楔形开孔的机械切断,避免了加热电阻器高温处的PN结在高温下失去电隔离作用。室温下测得该器件加热电阻器的阻值为500～600Ω,压阻式传感器的力敏电阻器的阻值为6～8kΩ。     

Design and characterization of MEMS-based flow-rate and flow-direction microsensor

This study designs and characterizes a novel MEMS-based flow-rate micro-sensor consisting of a platinum resistor deposited on a silicon nitride-coated silicon cantilever beam. Due to the difference between the thermal conductivities of the silicon nitride film and the silicon beam, the tip of the cantilever structure bends slightly in the upward direction. As air travels across the upper surface of the sensor, it interferes with the curved tip and displaces the beam in either the upward or the downward direction. The resulting change in the resistor signal is then used to calculate the velocity of the air. A flow-direction micro-sensor is constructed by arranging eight cantilever structures on an octagonal platform. Each cantilever is separated from its neighbors by a tapered baffle plate connected to a central octagonal pillar designed to attenuate the aerodynamic force acting on the cantilever beams. By measuring the resistor signals of each of the cantilever beams, the micro-sensor is capable of measuring both the flow rate and the flow direction of the air passing over the sensor. A numerical investigation is performed to examine the effects of the pillar height and pillar-to-tip gap on the airflow distribution, the pressure distribution, the bending moment acting on each beam, and the sensor sensitivity. The results show that the optimum sensor performance is obtained using a pillar height of 0.75 mm and a pillar-to-tip gap of 5 mm. Moreover, the sensitivity of the octagonal sensing platform is found to be approximately 90% that of a single cantilever beam.     

超声弹性模量测量中声时测量精度的提高方法

超声脉冲回波法是一种高精度的弹性模量声速测量法。实验测定由声耦合界面引起声时测量相对误差达0. 3%,延时相对误差在0. 2%左右。为减小声时测量误差,提高超声脉冲回波法弹性模量的测量精度,采用了台阶轴试样,避免了由声耦合界面引起的声时测量相对误差;利用试样后端面的二次回波,变相的改变声程,消除了由各种延时引起的声时测量误差。     

温度传感器在轧机自动控温系统中的应用

为了改造24头轧机红外烤箱的温度系统,采用了软件和硬件相结合的自动控温设计方案。用热敏电阻器作温度传感器,87C51单片机作主控微机,加上放大器、模数转换器等组成主要硬件系统。软件上采用积分分离PID位置式算法控制温度超调,实现恒温控制。改造后的系统温度波动误差小于±0.5℃/30min,平均控温误差小于±1℃,很好地满足了全部流水设备的要求。     

微机械G开关的研制

设计制作了一种微机械G开关,该微加速度开关采用微机电系统(MEMS)体加工工艺,其敏感元件由螺旋梁支撑的检测质量块和它下面的微触点构成,在外界加速度作用下,检测质量块发生位移,完成与触点的接通。经离心测试,在通电0.8A情况下,接通门限值为2.8gn,接通电阻为0.6Ω;经振动测试,不响应高于85Hz的高频振动,在5×104gn高冲击下,测试未见损坏。     

一种高分辨力的光纤光栅悬臂梁动态解调技术

介绍了一种基于悬臂梁的匹配光栅测量和解调方案,在外界加速度作用下,一个光纤光栅受压,另一个光纤光栅受拉,使波长调谐的灵敏度增加了1倍。实验证明了该方法寓解调和温度补偿为一体的优越性,本解调方案的波长移动分辨力为0. 01pm,可实现高分辨力加速度测量。     

MEMS-based humidity sensor with integrated temperature compensation mechanism

This study applies conventional micro-electro-mechanical systems (MEMS) techniques to develop a novel low-cost humidity sensor comprising a silicon substrate, a freestanding cantilever and an integrated resistive thermal sensor. The cantilever has a composite structure comprising a thin layer of platinum (Pt) deposited on a silicon nitride layer and then covered with a polyimide sensing layer. The cantilever deflected in the upward direction as water molecules absorbed by the polyimide sensing layer. The humidity sensor chip caused a measurable change in the resistance of the platinum layer. By compensating the change in the measured resistance by the ambient temperature, the absolute value of the relative humidity can be directly derived. The experimental results show that the sensor has a time-response of 0.9 s when exposed to a sudden humidity change of 65%RH to 95%RH. The sensitivity of the sensors decreases as the temperature increases. Furthermore, the sensor with the longest Pt resistor has the greatest sensitivity. In additions, the temperature-calibrated resistance signal generated by the sensor varies linearly with the ambient humidity.     

容栅传感器在三坐标精密移动平台上的应用

三坐标精密移动平台的X,Y,Z3个方向的位移测量采用了基于容栅传感器的数显位移测量统,位移测量范围可达0~40mm,位移分辨力为0. 001mm,精度为0. 01mm。检测结果表明:系统精度高稳定性好、使用方便。     

Microcantilever-based weather station for temperature,humidity and flow rate measurement

The current study develops a new process for the fabrication of Pt resistor temperature detectors (RTDs), cantilevers covered with a water-absorbent polyimide layer for humidity measurement and the bending-up of cantilevers to determine the flow rate. Pt RTDs are fabricated on the silicon substrate. The temperature measurement is based on the linear resistance variations when temperature changes. The polyimide layer is spun on the cantilever to form a humidity sensing layer. A variation in humidity causes moisture-dependent bending of the micro-cantilever, which changes the measured resistance of the resistor on the micro-cantilever. The same type of micro-cantilever, without spinning on polyimide, is used to form an anemometer. It is found that the cantilever bends slightly upward as a result of the released residual stress induced in the beam during the fabrication. When wind passes over the cantilever beam, a small deformation occurs. Variations in the flow rate can therefore be determined by measuring the changes in resistance caused by the beam deflection, using a LCR meter.     

基于低分辨力编码器的高精度速度测量简化算法

采用编码器进行单片机速度测量时,数据运算时间较长,测量范围受到限制。通过对常用的速度测量方法和计算公式进行分析,结合低分辨力编码器的特点,提出了一种简化算法。对不同系数的编码器,采用测量时间可变的测量方法,将复杂的乘除运算变换为简单的乘法运算,减少计算工作量,彻底消除计算误差。测试数据表明:采用低分辨力编码器时,简化算法可测量的最大速度达13008m/h,速度分辨力可达到3m/h。