基于MEMS技术的集成压力-湿度传感器

设计了一种高灵敏度的集成压力和湿度传感单元的芯片。压力传感单元基于SOI和蛇形电阻结构。室温下,传感器在载压范围为3~129 kPa内灵敏度为0.026 mV/kPa,与有限元仿真基本吻合。传感器在25~120℃范围内的热灵敏度漂移为0.004‰FS/℃,热零点漂移为0.25%FS/℃。湿度传感单元采用的叉指电极和电容式结构,引入含氟PI作湿度敏感膜。设计Mo电阻加热结构加快传感器降湿过程,缩短降湿时间近32%。在10%~90%RH的湿度范围,含氟PI湿度传感器的灵敏度为0.121 pF/%RH,略低于无氟PI器件。含氟基团的引入,使得传感器的湿滞较无氟PI降低16%。“电容-湿度”曲线呈指数分布,相关系数R^(2)=0.996。测试结果发现,湿度传感单元和压力传感单元拥有良好的独立工作性能。

基于智能化管理的压力传感器计量检测方法

由于压力传感器的计量检测数据处理工作量大、流程繁琐,提出一种基于智能化管理的压力传感器计量检测方法。首先以互联网为基础核心,构建计量检测智能化管理系统;去除被检压力传感器与压力标准器间的高度差,记录压力传感器的零点漂移;通过计算正、反行程的校准曲线与工作曲线,得到压力传感器的计量检测结果。通过检测实验证明,所提方法得出的压力传感器在不同温度点的正、反行程的3个循环测量值拟合度高,检测得出的压力传感器的灵敏度偏移与零点漂移极小,计量检测结果符合测试能力指数要求,具有非常高的检测精度。

基于石墨片的应变和温度传感器设计与性能研究

优异的理化性能使石墨材料在传感器领域成为了近年的研究热点。设计了一种基于矩形悬臂梁、温控箱和湿度计的探究装置,测试了基于石墨片的应变和温度传感器的性能,其中,应变测量的线性度和灵敏度系数分别为0.978和0.00196Ω/με,温度测量的线性度和灵敏度系数分别为0.945和0.05267Ω/℃。同时,还研究了湿度对于石墨片传感器性能的影响,发现湿度对石墨片导电性影响存在突变的阈值效应。施加不同应变时,导电性突变的湿度临界值在70%左右。此研究结果表明,在利用石墨片进行电阻传感测量时,需在湿度低于70%的环境中。

基于拉曼放大的长距离BOTDR传感系统研究

布里渊光时域反射(BOTDR)系统可实现沿传感光纤的全分布式温度和应变传感,然而由于光纤损耗的存在,布里渊信号光在长距离传输后往往会淹没在噪声中,信噪比极低。对此,利用拉曼泵浦对光纤全段布里渊信号的增益效果,研究拉曼放大前后系统在测量距离方面的差异和不同泵浦功率对应的放大曲线。通过实验验证了基于拉曼放大的BOTDR传感系统测量距离可提高至100 km量级;在50 m空间分辨率下,成功实现了光纤末端103 km处的温度测量,获得了2.19℃的测量精度。

光纤光栅温度应力传感教学实验装置

针对目前市场上可直接用于光纤光栅传感实验教学的装置较少,前沿科研技术和本科实验教学相脱节现状,设计了基于光纤光栅的温度应力传感教学装置。该装置包括光纤激光器、光谱仪和上位机控制软件3部分。光纤激光器实现了1 550 nm左右的激光输出,利用光谱仪测量光纤光栅中心波长的改变,并采集数据输入计算机,上位机控制软件用于图形显示和数据存储等。该实验装置操作简单、组装灵活、重复性和稳定性好,可用于本科实验教学。将前沿科学技术引入本科实验教学,促进了科学研究与本科实验教学相融合,实现了科研教学水平的同步提高。

一种基于锁相放大的谐振式密度传感器谐振频率测量系统设计

谐振式密度传感器测量密度的关键在于谐振频率的测量。现有的测频法、测周期法、FFT法等谐振频率测量方法因噪声、脉冲误差等因素限制了其精度。为了解决该问题,设计了一种以锁相放大器为核心的谐振频率测量系统,其检测电路将交流振动信号的测量转换为直流恒定电压的测量。利用实验中发现的谐振区域内该直流电压与激励频率呈近似线性关系,基于扫频思想提出并实现了一种谐振频率自动测量算法。在(20±0.05)℃环境下进行了密度标定实验,对密度传感器进行了温度补偿。实验结果表明,在密度为700 kg/m^(3)~1000 kg/m^(3)的测量范围内,测得谐振频率稳定性可达到0.002%,传感器的密度测量最大误差为0.48 kg/m^(3),最大综合测量误差为0.069%,验证了所提谐振频率测量方法的有效性、精确性。

特种车辆传动主轴运行载荷实时评估方法研究

为提升履带装甲车辆综合传动装置疲劳损伤的快速计算能力及其剩余寿命的准确评估性能,提出一种满足多工况条件的传动主轴运行载荷实时评估模型.提取特种车辆典型运行工况的特征参数,并采用K均值聚类及支持向量机方法实现特种车辆典型运行工况的实时判别;构建基于卷积-长短期记忆神经网络的多工况传动主轴运行载荷实时评估模型,采用贝叶斯算法对模型中学习率、神经网络隐含层单元数等超参数进行优化,以提高传动主轴运行载荷评估的准确性;依据特种车辆典型工况下的运行数据开展模型实例验证.结果表明,在换挡工况、转向工况及爬坡工况下,模型对传动主轴运行载荷评估结果的平均绝对百分比误差分别为0.150、0.014、0.006(5°坡工况)及0.004(10°坡工况),表明了本文模型在变工况条件下综合传动装置传动主轴运行载荷评估的有效性.

高精度光栅三维位移敏感结构设计

针对目前的微位移敏感装置在微型化下难以实现高精度三维检测的问题,设计了面内和离面2种位移敏感的光栅结构,并应用于三维微位移的检测中。阐述了光栅理论,设计了双层光栅结构。从2种检测方式对微位移灵敏度的影响角度,通过Gsolver仿真光强衍射效率的大小变化,面内和离面敏感光栅的衍射效率变化分别为0.115%/nm和0.423%/nm,可知,离面敏感光栅的衍射效率灵敏度是面内敏感光栅的4倍。进而将离面位移敏感的光栅布置在被测物的三维方向,实现高精度三维位移测量。

热振子式Z轴MEMS角速度陀螺敏感机理的研究

揭示了一种热振子式Z轴MEMS角速度陀螺的敏感机理。在给出工作原理、热振子的振动模态和陀螺效应的基础上,对敏感结构内的温度场进行了计算。结果表明:(1)开机1.8 s后在敏感结构内形成一个稳定的温度场。(2)热振子在Y方向建立驱动模态,当沿着Z轴输入角速度时,在哥氏力的作用下热振子沿着X方向移动,造成温度场偏移,X方向上对称平行设置的两热线温差ΔT_(X)随着输入加速度az的加大呈现线性增长,温度灵敏度为125 mK/(°/s)。(3)根据输入-输出ω_(z)-V_(Xout)特性曲线,得到数学模型,揭示了该陀螺的敏感机理,陀螺灵敏度为0.095 mV/(°/s),非线性度为2.97%。本研究为优化结构奠定了实用理论基础。

基于均匀微突结构的高灵敏柔性电容压力传感器

针对可穿戴医疗设备、电子皮肤、柔性触摸显示屏等对高灵敏柔性压力传感器的感知需求,文章基于纳米氧化锌(ZnO)、酞酸酯偶联剂(PN-105,PN)和室温硫化硅橡胶(room temperature vulcanized silicone rubber,RTV)材料,结合丝网印刷技术制备具有均匀微突阵列结构、ZnO-PN/RTV介电层的柔性电容式压力传感器,并对其传感机制和特性进行测试研究。结果表明:所研制的柔性电容式压力传感器具有高灵敏度(1.2 kPa^(-1))、快速响应(40 ms)、低检测限(2 Pa)、高使用寿命(>5000次)和良好的人体适用性;制备的5 cm×5 cm压力阵列能够满足可穿戴设备和柔性电子产品需求。该传感器灵敏度高且制作工艺简单、成本低,在柔性智能传感和服务机器人等领域具有良好的应用前景。

基于磁弹效应的电动舵机压力传感器设计

为了实现对电动舵机的电动缸输出轴压力的动态测量,该文设计并实现了一种基于磁弹效应的非接触式压力传感器,它包括传感器探头和信号处理电路两部分。该文首先从磁致伸缩的理论模型中分析并建立了传感器的测量原理,设计了传感器探头的结构。为优化激励源,通过实验研究分析了不同的激励源对传感器信号的影响,结果表明采用105 kHz、幅值为5 V的方波作为激励源时传感器输出信号最优,并以此设计了传感器信号电路。通过对传感器整体的压力标定实验得到传感器灵敏度为0.294 mV/N,重复性误差为3.53%,在运用三阶多项式拟合对传感器输入输出曲线进行校正后得到传感器的非线性误差为1.76%,适用于承压较大的电动缸输出轴及其他大重量设备的动态压力测量。

MEMS加速度计全温性能优化方法

针对微机电系统(MEMS)加速度计全温性能低的问题,提出锚区应力对消方法、低应力粘接工艺和温度补偿方法。首先,通过调整两个键合的锚区面积大小实现锚区应力对消,使得加速度计的温度性能得到改善;然后,建立加速度计堆叠封装模型并对专用集成电路(ASIC)粘接参数、加速度计敏感结构点胶方式与点胶参数进行仿真分析,从而确定了加速度计的低应力粘接形式和粘接工艺;最后,对加速度计零偏和标度因数设计了三阶温度补偿方法并进行了实验测试。实验结果表明,加速度计全温零偏稳定性达到47.3μg(1σ)、全温标度因数稳定性达到43.6 ppm(1σ),提高了加速度计的全温性能。

可拉伸/高透明/强黏附低共熔凝胶的制备及其在柔性传感器中的应用

以丙烯酸(AA)、苹果酸(MA)、氯化胆碱(ChCl)为原料,采用原位光催化聚合法制备一种低共熔凝胶P(AADES/MADES-n)。采用傅里叶红外光谱(FTIR)、紫外-可见光谱、断裂应变和电阻变化率对P(AADES/MADES-n)的结构、透明性、力学性能和应变传感性能进行表征。结果表明,P(AADES/MADES-50)具有高透明性能(可见光透过率为91%)、高拉伸性能(断裂伸长率为1300%)、强黏附性(对铝的黏附力为270 kPa)、高离子电导率(3.2×10^(-3)S/m)以及良好的力学回复性等特点。基于P(AADES/MADES-50)的电阻式传感器具有灵敏且稳定的电阻响应,能快速、重复、稳定地检测人体手掌不同部位的弯曲和伸展运动,展现出良好的人体运动实时监测性能,在运动传感器领域具有潜在的应用前景。

宽谱光源谐振式光纤陀螺谐振特性分析

为优化宽谱光源谐振式光纤陀螺(RFOG)谐振腔设计,进行了RFOG谐振特性分析。首先,根据光场传输理论完成了宽谱RFOG光场传输特性分析,建立了宽谱RFOG谐振频差曲线模型,给出了谐振特性参数表达式。理论证明了宽谱RFOG的陀螺精细度和半高全宽约为谐振腔光谱曲线的1/2和2倍。其次,基于宽谱RFOG光场理论模型,分析了耦合器交叉耦合系数、附加损耗和谐振腔腔长等谐振腔关键光学参数对陀螺精细度和极限灵敏度的影响。最后,实验验证了谐振特性理论分析的正确性,并通过优化谐振腔参数实现陀螺零偏不稳定性0.059°/h,对谐振式光纤陀螺工程设计具有理论指导意义。

薄膜热流计与原子层热电堆热流传感器的激波风洞试验对比

激波风洞试验的主要测试量是热流密度,且多采用薄膜热流计进行测试,但薄膜热流计热流测试结果缺乏直接验证手段,存在测热结果不确定度偏大等问题。原子层热电堆(ALTP)热流传感器响应时间短且线性度好,结合高精度可溯源的热流传感器标定实验,可保证ALTP热流传感器测热结果的准确性和可靠性。在多个流场条件下的激波风洞试验中开展了薄膜热流计和ALTP热流传感器测热结果交叉对比验证。对比试验显示:ALTP热流传感器和薄膜热流计在不同流场参数下测热结果相对稳定,中高热流下两者测热结果相差在8%以内。结合对比标定溯源链以及激波风洞试验测热结果的讨论,展现了利用ALTP热流传感器在激波风洞试验中在线标定薄膜热流计的可行性。

用于特殊环境的薄膜应变计的制备与表征

使用磁控溅射制备了卡玛合金薄膜应变计,研究了退火温度对薄膜微观结构的影响,测试了薄膜的电学性能以及压阻响应特性,并进行了环境实验。结果表明,随着退火温度升高,薄膜的电阻率逐渐下降,电阻温度系数则逐渐升高,在室温下有最小的电阻温度系数(TCR),约为59.9×10^(-6)/℃,经过200℃退火处理的薄膜应变计的应变灵敏度系数(GF)为2.2,TCR为64.4×10^(-6)/℃。经历温湿循环、盐雾、霉菌试验后,薄膜的压阻特性变化不大,能耐受海洋特殊环境。

基于角度偏差自校正的光纤形状传感结构设计

光纤形状传感中FBG的放置角度误差会影响曲率的计算精度,从而增大形状反演的误差。为了实现传感胶棒的角度自校正,设计了一种自校正形状传感结构,在传感胶棒的感知截面上布设9个FBG,以120°等角度间隔作为基准位置,分别提取±10°位置上的应变,从而实现FBG响应与角度偏差的函数映射。提出了一种基于角度偏差自校正算法,通过适应度函数完成对传感参量α与k的阈值优化,实现任意角度偏差的自校正。仿真分析不同α与k条件下的响应关系,发现α具有很好的线性变化特性,k仅随主敏感FBG波动的特性。在单截面实验中,加载0~100 N应力变化后,9个FBG的平均响应度介于[-1.012με/N,0.987με/N]之间。响应度的正负可以表征弯曲方向,相邻FBG的响应也具有很好的线性度。在组合截面实验中,根据反演结果重建传感胶棒三维结构,输出各点位坐标和应力值信息。

用于人体运动监测的双层柔性应变传感器

针对用于智能可穿戴设备的柔性应变传感器所存在的问题,提出一种通过使用逐层(LBL)组装技术和借助激光钢网模具在上导电层表面制造出规则裂纹结构的方法制备出基于双层导电结构(石墨烯/水性聚氨酯(GR/WPU)层和炭黑/水性聚氨酯(CB/WPU)层)的柔性应变传感器。该传感器具有高灵敏度系数(GF为466~1569)、宽工作范围(高达100%的应变)、出色的耐久性(1000次)、低检测极限(0.25%的应变)、快速响应时间(86 ms)以及良好的回弹性等优良特性,这使传感器不仅可以精确检测由于大幅度关节运动产生的信号,还可以对细微的生理信号进行实时监测,在未来的电子皮肤、人机互动和智能可穿戴设备领域具有广阔的应用前景。

转子运动条件下光纤光栅的扫描光谱特性及测温误差研究

针对基于空间耦合传输方法的电机转子温度监测系统,采用光纤光栅的传输矩阵理论和自聚集透镜的耦合传输理论,建立了转子运动条件下光纤光栅(fiber Bragg grating,FBG)的扫描光谱模型,首先研究了扫描光谱的畸变规律及各算法的寻峰效果,结果表明:转子的涡动导致FBG扫描光谱的反射峰发生偏移,3 dB带宽减小,随着耦合损耗与原始反射峰之间的相位差发生变化,中心波长的最大扫描误差以类似正弦函数的规律发生变化,新反射峰位置由耦合损耗变化速率、FBG原始反射率及其变化速率之间的限定关系决定。协调解调仪扫描速率与转子涡动频率之间的数值关系是减轻光谱畸变的主要方法;此外,相比于半峰法和多种拟合型算法,质心法通过提取畸变光谱的重心也明显地减小了中心波长的扫描误差。然后,通过理论和试验研究了转子涡动频率与解调仪扫描频率对系统测温误差产生的影响,结果表明:随着耦合损耗周期与光谱扫描时间之比(q值)的增加,系统的最大测温误差先剧烈地减小、然后缓慢减小至稳定,令q>10是确保系统的测温误差及其波动较小的最低条件;对于转速小于200 000 r/min的转子(涡动频率小于1 667 Hz),当转子径向振动的幅值小于200μm、轴心轨迹的轴比小于3、轴心线偏转的角度小于0.1°时,采用扫描频率大于760 Hz的解调仪和质心寻峰法可以保证涡动引起的测温误差小于0.3℃,为转子测温系统的实际应用及测温误差的预估提供了依据。

基于微纳仿生结构的可穿戴植物传感器制备及其性能研究

模拟了具备超灵敏感知能力的蝎子缝感受器,提出一种高效、低成本的微纳传感器制备工艺,制备了高灵敏度、高稳定性的可穿戴植物传感器,用于植物生长状态动态监测,该传感器表现出162.38的高灵敏度、300 ms的快速响应时间和超过2000次的优异循环稳定性.此外,通过开发无线传输单元实现对柠檬生长的无线实时监测,验证了可穿戴传感器实际应用的可行性,为动态监测农作物生长提供了新思路和方法.