电压自校准的高精度多通道应变信号采集模块

针对现有应变采集设备存在采集精度低、测量范围窄、通道数较少、校准繁琐等问题,设计了一种具备电压自校准的高精度多通道应变信号采集模块,模块以高精度模拟调理转换电路为核心,结合电子线路噪声理论仿真与分析,由自校准电路对采集通道进行校准,通过补偿远端传输线的激励电压,实现了48通道大应变信号与差分电压信号的高精度测量。测试结果表明:应变信号测量范围可达±100000με,测量精度优于0.05%FS;电压信号测量范围可达±15 V,测量精度优于±(0.025%RD+500μV),准确度高,具备较好的稳定性和通用性。

基于WOA-ELM的空间分层结构FBG三维振动加速度传感器非线性解耦

针对三维振动加速度传感器存在的维间耦合干扰问题,以空间分层结构光纤布拉格光栅(FBG)三维振动加速度传感器为研究对象,阐述了三维振动加速度传感的基本原理。其次,构建了振动加速度动态标定实验平台,并分析了传感器的结构耦合特性。最后,提出一种基于鲸鱼算法优化极限学习机(WOA-ELM)的神经网络模型并进行了非线性解耦实验,其结果显示,在x、y、z三轴的平均测量误差分别降至1.58%、1.17%、0.95%,平均I类和II类误差最大值分别降至0.73%和0.37%。为验证解耦效果,将WOA-ELM与其他算法等进行解耦效果对比。结果表明,WOA-ELM更有效地降低三维振动加速度传感器的维间耦合干扰,提高测量精度。

医学领域微小力值传感测量技术的研究进展

针对医学领域科学研究、临床疾病的诊断与手术等对微小力值测量的迫切需求,对医学领域微小力值传感测量研究方向、进展及其应用情况进行了综述。首先,从医学领域微小力值测量的需求出发,分析了测量的特点与要求,介绍了电容式、电阻应变式和压电式等传统电学式微小力传感测量技术的国内外研究成果,分析了电学式测量方法的技术特点与不足;然后,系统地介绍了目前微小力值测量中广泛采用的光学式一维及多维传感测量技术,对基于光学相干层析成像(OCT)、法布里-珀罗干涉仪(FPI)、光纤布拉格光栅(FBG)、强度调制型光纤传感等的光学式微小力值传感测量原理、方法、技术特点进行了分析;最后,对国内外最新研究成果、发展水平及在医学领域的应用情况进行了分类整理和归纳评述,对不同测量原理与方法的技术特性、优缺点、适用测量范围与应用场景进行了系统性的对比分析。研究结果表明:当前医学领域微小力值传感测量存在的主要问题包括微小力值无法溯源、高精度宽量程测量需求无法满足,并且在多种参数的并行监测和同步测量、复合传感测量、集成光路式传感技术等方面有待进一步研究和探索。该综述可为后续医学领域微小力值传感测量研究方向与思路提供参考。

基于HSA-SVR的压电式车削测力仪多维力解耦

文中针对压电式多维力测力仪向间干扰大,制约测量精度的问题,分析了向间干扰对测力仪测量精度的影响,提出了一种基于支持向量回归机(SVR)的非线性解耦算法。利用混合模拟退火算法(HSA)对SVR进行参数寻优,对比并分析了HSA-SVR和线性最小二乘解耦法(LS)的解耦性能,证明经该方法解耦后向间干扰最大为0.526%,非线性误差最大为0.214%,HSA-SVR具有更好的非线性解耦效果。

混凝土内部受压力学性能试验与本构分析

为了精准测量受压混凝土内部应力-应变关系,通过在丙烯酸树脂杆上布置电阻式应变片,测量得到混凝土试块内部应变,研发大量程微型土压力盒实现混凝土内部应力测量。将相关测试装置预埋在混凝土试块内部,完成混凝土试块单轴压缩试验,获得精准的混凝土内部应力-应变关系数据。结果表明,混凝土内部本构模型相对于传统本构模型具有良好的延性,且峰值强度远高于传统本构模型。结合国内外几种具有代表性的混凝土本构方程对试验进行了有限元模拟,针对应力-应变曲线、峰值强度及峰值应变进行了对比分析。分析结果表明:实测的混凝土内部应力-应变曲线合理准确,相关测量方法具有良好的精度和可行性;基于我国规范模型的有限元模拟结果与试验结果吻合最好,可进一步推广使用。

高速动车组横梁应变场光纤测量与反演研究

针对高速动车组车底底架横梁的应变场反演问题,基于模态叠加法和传感器优化配置理论,提出一种根据部分测点的实测单向应变反演结构空间应变场的方法。以结构的应变模态为输入,以模态坐标独立性为目标,基于信息熵理论建立了传感器优化配置的数学模型,再根据模态坐标和振型采用正则化方法反演结构应变场。仿真计算结果表明,无噪声干扰下,反演的精度较高,最大均方误差为9.87×10~(-12),并且正则化方法可以有效抑制噪声对结果的影响。搭建了基于光纤光栅传感系统的测试试验台,基于实测应变数据和模态结果反演应变场,结果表明,反演后的应变幅值相对误差带为1.21%~10.79%,反演数据和实测数据的均方误差带为0.80~3.69。该方法能够准确识别结构的模态坐标,为获取高速列车关键结构的应变场分布提供参考。

胎—路接触应力传感器的信号去噪方法研究

为了解决应变传感器在测量胎—路接触应力信号时的噪声干扰问题,提出一种基于自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)和小波软阈值的胎—路接触应力传感器的信号去噪方法。首先,将胎—路接触应力信号CEEMDAN分解为一系列从高频到低频排列的本征模态函数(IMF)分量;再根据能量值法判定出噪声主导IMF分量和信号主导IMF分量,并对噪声主导IMF分量进行小波软阈值去噪;最后,将去噪后的IMF分量和信号主导IMF分量进行重构,得到去噪后的胎—路接触应力信号。将所提方法分别与CEEMDAN去噪方法、小波软阈值去噪方法进行比较,结果表明:所提方法去噪后信号的信噪比(SNR)分别提高了33%和343%,均方根误差(RMSE)分别降低了64%和252%,说明所提方法的去噪效果更佳。

基于挠性梁结构的电推进器推力测量方法研究

电推进系统在空间任务中相比于传统化学燃料推进工作寿命更长、燃料消耗更低,在近年来备受关注。但基于可控核聚变思想研发的高功率霍尔效应电推进器,其推力很难测量,原因在于这些电推进器需要在高温环境下电离推进剂,所以工作时会产生高温等离子体羽流,导致传统推力测试方法无法准确测量其推力。推进器推力的准确测量直接关系到航天器姿态以及轨道保持的控制精度,因此必须在地面测试中准确地测量推力。本文设计并搭建了一套基于挠性梁结构的推力测量平台,可以在高温环境下测量电推进器产生的推力。实验结果表明,以可变比冲磁等离子体火箭为例,在中心磁场强度0.2 T、质量流率为20 mg·s-1的工况下,实时测得电推进器推力为266.5 mN,证明了测量平台的可行性,为后续电推进器推力测量实验提供参考。

钢板残余应力检测方法的实验比较

为验证自主研制的透射式励磁感应钢板内应力无损检测系统的测量效果,在工厂生产线上切取了2种材质、不同板形的4块钢板作为残余应力测量试样,分别使用自研系统、X射线衍射法、超声法和盲孔法进行残余应力测量及比较。取样测量实验发现,4种方法的残余应力测量结果相差明显,同一被测点的测量结果也相差较大,在个别被测点出现残余应力测量值符号相反的现象。针对测量结果数据及其存在的差异,从4种方法的检测原理出发,定性分析了产生差异的原因,概括出4种方法的技术特点,并针对每种方法提出若干使用建议。

高精度宽量程MEMS皮拉尼真空度传感器

真空度传感器是真空检测的核心元件。基于全桥结构微电子机械系统(MEMS)皮拉尼芯片开发了一款高精度宽量程MEMS皮拉尼真空度传感器。全桥结构的设计从芯片级有效抑制了传感器的温漂。测试结果表明,传感器最大温漂为0.15%/℃。校准后,该传感器能够在5×10^(-2)~1.01×10^(5)Pa的真空度范围内实现小于5%的高读数精度,最大灵敏度为1.34 V/Dec。传感器平均噪声小于-100 dB,理论计算最小检测极限为1.9×10^(-3)Pa。该真空度传感器具有宽量程和高检测精度的特点,能够满足不同领域的真空检测需求。

谐波减速器转矩原位测量及误差补偿

为实现协作机器人精准力控,利用谐波减速器柔轮变形研制了一种原位集成转矩传感器。提出了基于傅里叶级数模型的剩余纹波补偿方法提高测量精度。提出了基于傅里叶级数模型的剩余纹波补偿方法提高测量精度。首先,分析了柔轮底部应变规律,通过正弦叠加的原理设计了应变敏感栅结构;然后建立纹波与波发生器角度之间的傅里叶级数模型,补偿剩余纹波;最后,研制了测试平台进行加载测试,结果表明,在波发生器静止状态下施加瞬时激励和阶跃负载,自制转矩传感器与标准转矩传感器输出误差为0.988%和0.253%;在波发生器旋转状态下施加阶梯变化、正弦变化、正弦变化过程中人为碰撞三种形式的负载,自制转矩传感器与标准转矩传感器输出误差为3.822%,4.247%和4.456%。本文提出的补偿方法能有效降低剩余纹波对传感器输出的干扰,有利于推动关节转矩精准测量的实现。

基于FPGA的光纤式旋转扭矩测量系统设计

针对在挠性连接的大型传动设备的运行状态健康监测中有效提高旋转状态下中高扭矩测量准确性的问题,设计了一套可用于挠性连接的基于FPGA的光纤式旋转扭矩测量系统。采用带有30组明暗相间膜片的转盘,利用光纤传感器将轴的扭转信号转换为光电信号输出,采用施密特整形电路将传感器输出的模拟信号转换为数字信号连入FPGA中。通过FPGA内部的可编程逻辑单元与高频计数器,将数字信号转换为计数值的形式,并发送至上位机。通过LabVIEW编写上位机软件,实现数据整周期处理的功能,并将结果显示出来。在刚性连接的实验中,系统对旋转稳态扭矩测量的相对误差均优于2.0%;在挠性连接的实验中,系统对旋转稳态扭矩测量的相对误差均优于3.0%。证明该系统在500~2 000 N·m范围的不同连接方式下,对旋转稳态下扭矩的测量都具有较好的准确性。

基于静电力的非接触式微悬臂梁刚度标定方法

微悬臂梁刚度的标定在工业和学术研究中有重要的意义。传统微悬臂梁标定方法存在粘附摩擦、接触磨损等缺点。为了有效解决传统刚度标定中接触摩擦的难题,本文提出一种基于静电力的非接触式微悬臂梁刚度标定方法。该方法将静电力作为标准载荷施加于微悬臂梁末端,基于胡克定律计算微悬臂梁刚度。对平行极板结构进行了数值模拟,结果显示微悬臂梁与参考极板的相对位置存在较小的偏差时,静电力偏差小于5%。静电力标定实验结果显示微悬臂梁刚度为0.344 N/m,相对测量不确定度为1.86%。该方法适用于微悬臂梁的刚度标定,对微纳力值研究领域具有重大意义。

六维压电风洞盒式天平研究

风洞试验是气动力载荷的精确测量手段。针对风洞试验中高频多维气动力的测量特点,采用压电测量元件,开发了一种适用于风洞试验中高频六维气动力测量的盒式天平。根据力与力矩平衡关系建立了输入与输出之间的理论输出模型,通过力传递关系及有限元仿真对气动热作用下天平被动输出进行了分析,并通过标定试验获得了天平性能指标。结果表明,该盒式天平在结构和材料上可抵抗测试过程中的温变干扰,温变影响系数小于0.5%,线性度和重复性误差分别低于0.4%和0.5%,最大相间干扰解耦后低于1.5%,三向一阶固有频率皆高于3000Hz,具有高固有频率、高精度的优良性能。

厚板搅拌摩擦焊多维动态压电测力仪研究

针对18mm厚2219铝合金搅拌摩擦焊过程焊接力变化范围大、速度快,导致难以准确测量的问题,设计了一种大量程四支点压电测力仪,主向100kN、侧向8 kN。经理论推导发现测力仪上板厚度及跨距是影响传感器输出的主要因素,利用有限元仿真对二者进行参数化分析,在满足现有测力单元量程基础上确定了其合理取值。最后对测力仪进行了静态标定、动态冲击实验,结果表明:测力仪线性度误差小于0.62%、向间干扰小于0.65%,固有频率大于1000Hz,达到了焊接过程跨尺度多维力测试精度要求。

压力传感器温度响应特性校准装置研究

为确保测量数据的准确性,需对压力传感器在高低温环境下温度响应特性参数进行校准,通过开展标准压力源、温度隔离单元、多点测温校准腔等系统设计,研制了一套压力传感器温度响应特性校准装置,实现了在-50℃至100℃环境温度条件下,对绝压2~500 kPa范围内压力传感器校准,校准装置测量不确定度优于0.05%(k=2),为开展压力传感器温度响应特性研究奠定了基础。

基于纳米孔的宽量程石墨烯压力传感器

针对传统微机电系统(MEMS)压力传感器性能难以提升且结构复杂等问题,制备了一种基于纳米孔的宽量程石墨烯压力传感器结构。在Si_(3)N_(4)薄膜上刻蚀了阵列纳米孔作为压力腔,使用单层石墨烯夹在氮化硼薄膜间作为敏感结构,平铺于纳米孔阵列上,由金布线层导出信号。测试表明,在0~20 MPa压力范围内,该压力传感器的灵敏度为9.35×10^(-5) MPa^(-1),重复性误差为满量程输出(FSO)的5.70%,迟滞为1.91%FSO,线性度为2.43%FSO,其重复性与线性度良好且迟滞较小。设计的宽量程石墨烯压力传感器能够实现0~20 MPa以内的压力测量,且器件加工一致性高、测量误差小、制备方法相对简单,有助于降低生产成本和提高生产效率,在压力测试领域展现出良好的应用前景。

压电杆式天平六维力测量研究

风洞测力天平是飞行器气动力研究的重要设备。针对某些风洞实验中飞行器模型内腔空间有限、高动态测量的现实需求,提出了单晶片面域划分多区域测量的压电式多维力测量方法。计算了六维力下石英晶片感应电荷密度分布,由此划分晶片面域,得到六维力解耦公式,并使用COMSOL软件对压电晶片施加力/力矩,仿真晶片感应电荷分布,验证理论模型的正确性。开发压电杆式天平及其标定装置,对压电杆式天平进行静动态标定试验,天平非线性误差不超过1.31%,重复性误差不超过1.00%,固有频率高于2 700 Hz,验证了在天平安装空间狭小情况下,使用压电晶片分区面域测量高频六维动态力的可行性。

基于RSM和GWO-BP混合代理模型的三维车削力传感器开孔位置多目标优化设计

智能数控车床的研制需要配备智能化的切削力传感器,通过实时监控切削过程中切削力的变化,及时掌握工件和刀具的切削状态,文中针对十角环切削力传感器灵敏度不高(桥臂应力过小)的缺点,采用在环臂开通孔的方式提高局部应力进而得到高灵敏度的传感器。为得到最佳开孔位置,采用中心CL2偏差小(CL2=0.028)的最佳空间填充法对位置参数进行高维空间采样,对比2种模型各自的优势,以传感器的变形量、固有频率和路径应力为优化目标构造了RSM和GWO-BP的混合代理模型,对比不同算法的Pareto前沿、IGD和HV,确定选择SparseEA对混合代理模型进行多目标优化。优化后的传感器:变形量增加14.7%,等效应力增加155%,3个方向的灵敏度提升6倍左右。

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。