无线无源力/热传感器与测试技术研究现状

针对力热传感器多数采用有线有源的技术方案,难以适用于高温、高压、强振以及机械动力旋转部件等环境下的力热参数原位测试问题,阐述了进行无线无源传感器件研究的重要意义,并对声表面波(surface acoustic wave,简称SAW)传感器、LC谐振互感耦合传感器以及超材料传感器等3类无线无源力热传感器进行了总结及现状分析。首先,描述了无线无源力热传感器的需求情况;其次,介绍了3类传感器的工作原理、传感性能及其在独特场景下的具体应用;最后,讨论了无线无源传感器发展过程中的瓶颈问题,指出了未来可能改善和提升的发展方向。

旋转部件温度参数同步无线测量技术研究

针对旋转部件温度参数原位同步测量和数据无线传输应用需求,研究了电能无线传输技术和空间光通信技术,设计了一套8通道小型温度参数遥测系统。该系统通过热电偶和铂电阻传感器实现8路温度参数的高精度准确测量,采用电磁感应和红外光通信技术实现电能和采集数据的同步无线传输。系统分析软件完成数据的实时存储、解析和可视化显示。搭建了20000 r/min的模拟旋转环境测试平台,进行系统功能和性能验证。系统温度采集精度优于0.15%,无线传输距离为15 mm,电能传输输出峰值功率可达5 V/400 mA,实测通信速率为10 Mbit/s,8通道同步采样速率为56 kHz。该系统实现了温度参数的分布式、高精度获取,为旋转部件的研制和维护提供了准确的温度依据。

基于双向光通信的旋转部件传感参数遥测系统

为解决高旋、高温等极端环境下旋转部件传感参数原位采集和实时传输的难题,研制了多通道传感参数遥测系统。系统包含转子组件、定子组件和可视化终端。转子组件通过空间光通信实现与定子组件的双向无线数据传输。转子组件圆周轴对称、叠层架构设计降低了高速惯性力的影响。通过搭建5 000 r/min转速的模拟旋转测试环境进行系统功能和性能验证,实现采集精度0.25%,无线传输距离50 cm,传输速率10 Mbit/s和128通道同步采样率5 kHz。该设计方案为旋转部件试验和优化设计提供稳定可靠的参数测量技术。

基于热电堆的微型热流传感器制备及性能研究

航空发动机内部温度和热辐射的不均匀分布可能导致叶片表面出现热点,引起叶尖等区域的材料损坏。因此,监测单位时间内通过叶片表面的热量十分重要。热电堆型热流传感器以其测量范围广、稳定性好、精度高等优点,成为监测高温环境热流参数的常用方法。本文采用丝网印刷和高温烧结工艺,在10 mm×10 mm×1 mm的99%Al_(2)O_(3)陶瓷基片上制备了Pt-Rh10/Pt热电堆型热流传感器,并搭建了热流实验平台对传感器进行测试。结果表明,该热流传感器在1 019.4℃的高温环境下,所测热流密度为179.67 kW/m^(2),输出电压为0.462 3 mV。经过3次热循环测试可知,该热流传感器的重复性偏差小于5%,具有较好的重复性。

基于Al_(2)O_(3)陶瓷的Pt/PtRh型厚膜热电偶封装测试

设计了一种基于氧化铝(Al_(2)O_(3))柱体的Pt/PtRh型厚膜热电偶。采用丝网印刷工艺完成传感器功能层的制备,这种方法工艺简单、可操作性强、成本低廉。对所制备的厚膜热电偶进行封装设计并进行测试。实验结果表明:带封装热电偶的迟滞大小为4.10%,小于无封装的7.65%,而且带封装热电偶在高温阶段与标准热电偶极其吻合,其平均塞贝克系数更接近于标准热电偶。实验结果均表明封装设计有利于膜状热电偶测试的准确性,达到了工程化需要。

无线激光传输系统收发电路的设计与实现

针对航天发动机、涡轮机等旋转部件的温度测量系统中的信号传输问题,以850 nm波长的红外光为载体,设计了基于FPGA的无线激光通信的数据传输系统。该系统由转子端的光发射模块、定子端的光接收模块、地面可视化设备3部分组成。此外,在前置放大电路中引入一个反馈电容,系统的开环增益曲线会增加一个极点做补偿以提升系统的稳定,并进行了仿真验证。在此基础之上,搭建实验系统对电路性能进行测试。通过仿真及实验验证,结果表明:设计的方案可以实现传输速率为40 Mbit/s的稳定传输,为旋转环境的动态监测技术中的无线数据传输提供了一种可行性方案。

集成铁氧体的LC应变传感器的设计及测试

针对金属环境下采用LC无线无源应变传感器出现电磁信号传输失效的问题,在传感器背面集成铁氧体材料,其原理是通过抑制电磁波在金属表面的涡流效应产生的感应电动势,实现在金属环境下的电磁信号耦合测试。通过HFSS软件进行仿真验证,在金属环境下LC无线无源传感器信号失效;在传感器基底背部集成铁氧体后,通过扫频得出铁氧体可以在金属环境下实现LC传感器的电磁信号传输。对铁氧体的厚度进行参数优化,最佳厚度为0.32 mm。搭建等强度悬臂梁测试平台,结果表明,金属环境下LC传感器可以通过铁氧体实现抗金属环境干扰,频率为37.7 MHz时,LC无线无源测试系统可以很好地实现信号传输,对应的S_(11)值为-25.6 dB。对悬臂梁施加外力使其发生应变,传感器在0~1300με的应变范围内灵敏度为61.54 Hz/με。测试结果表明,铁氧体有利于实现金属环境下的LC无线无源传感器应变测试。

基于硅酸镓镧高温压电剪切加速度计的设计与制备

随着航空航天、原子能技术、汽车电子、冶金与石油化工等工业的迅猛发展,迫切需要能够在高温环境下对振动、压力及噪声等进行监测的传感器。本文设计并制备了基于硅酸镓镧(LGS)压电单晶材料的压电加速度传感器。实验结果表明,该传感器的谐振频率约为3 kHz,在常温~800℃,工作频率为80~1 000 Hz范围内,传感器的电荷灵敏度保持稳定,平均值为0.081 pC/g_(n)。该传感器能在800℃高温下稳定工作。

旋转环境下非接触式无线供电系统设计

面向船用燃气轮机此类旋转机械设备在设计与测试过程中需要为内部实时监测设备进行供电的需求,同时为克服在此类旋转环境中采用有线供电方式面临接线困难及采用供电滑环带来磨损过热等问题,提出了基于磁耦合谐振式的非接触式无线供电方案。对其进行了Simulink仿真验证可行性后,通过试验对无线供电方案的传输效率与不同负载、距离及转速的关系进行了测试。实验结果证明,该解决方案能够在预定的10 mm距离下进行15 W功率的平稳、高效传递,其效能已超过69%。并且在7000 RPM的情况下,该无线电力传输方案的表现并无明显影响。

一种高灵敏度声表面波振动传感器的设计研究

高温振动监测在故障诊断、设备维护等方面发挥重要作用,为此本文提出一种基于四端固支梁对称结构的硅酸镓镧(LGS)声表面波(SAW)高温振动传感器,采用算法优化设计,可实现高灵敏度、宽频段等特性,耐温最高可达800℃;构建四端固支梁SAW振动传感器数学模型,分析其灵敏度与固有频率;建立传感器结构模型,并在20℃~800℃内进行力学与电学仿真,揭示传感器高温力学与电学性能变化规律。结果表明,本传感器相比单一SAW谐振器结构,灵敏度提高约7.047倍;在20℃~800℃内,灵敏度随温度升高而增大,800℃时达到9.879 1×10^(-6)/g;固有频率随温度升高而减小,800℃为3 018.4 Hz。最后通过实验初步验证了本设计方案的可行性,为SAW振动传感器优化设计与高温应用提供新的思路。

基于NDIR技术的红外CO_(2)气体传感器研究

传统的CO_(2)检测系统体积大、响应时间长,难以满足工业开采中对CO_(2)气体的检测要求。文中以红外光源、气室、双通道热释电探测器和单片机为核心,设计了一款具有温度补偿功能的高精度红外CO_(2)气体传感器。采用单光路双波长的反射式气室结构,提高了整个系统的紧凑程度。在硬件方面,采用含光源驱动和信号调理电路的一体化模块,降低了电路耦合性,实现了传感器的微型化。在软件方面,采用差比值标定法建立温度补偿模型,消除环境干扰。实验结果表明:该传感器可以在0~30℃的温度下,对体积分数为0~5%的CO_(2)气体检测的最大测量误差小于±0.15%,且检测精度为3%,具有高精度、大量程,微型化、稳定性好等优点,满足工业开采等领域的实时监测要求。

基于柔性基底的LC无线无源温度传感器的研究

针对复杂恶劣环境监测,设计了一种叉指热敏可变电容和平面螺旋电感组成的无线无源温度传感器测试系统。传感器与电感构成了LC谐振电路,通过网络分析仪连接的天线与平面电感构成的遥测系统完成非接触读取信号工作。传感器介电常数随温度变化发生改变,实现敏感电容随温度变化,由此测得频率变化。柔性基底可以实现曲面共形,通过在弯曲表面进行实验可得到传感器在室温到120℃的环境内可以正常工作,灵敏度可达到-1.34 kHz/℃,实验表明可以作为无线无源温度传感器消除一些物理接触、供电需求等技术难题,突破了传统的有线连接的局限性,实现对恶劣环境的温度进行测量。

含铝固体推进剂多相燃烧产物物理化学特性参数研究综述

含铝固体推进剂在燃烧过程中会产生大量铝的氧化物和亚氧化物,了解燃烧产物的物理化学特性对发动机内的燃烧、流动等多物理过程的精细化研究及解决燃烧过程中的安全问题意义重大。本文针对铝和三氧化二铝的物理特性参数,铝和氧气、二氧化碳与水蒸汽的化学反应参数,AlO,Al2O2,Al2O,AlO2等铝的亚氧化物的比热容、生成焓,以及AlO同氧化性组分发生反应的反应热、活化能和指前因子等参数,综述国内外在不同温度下的实验测试和理论计算方法及结果,对发动机内多相燃烧产物的物理化学特性进行了综合研究。

增材制造的多波束透镜-天线系统

多波束微波天线因其在通信系统中的广泛应用而备受关注。提出了一种多波束透镜-天线系统,可同时满足宽带宽和宽扫描角度要求。透镜由增材制造的球形层构成,以实现折射率梯度变化。设计了不同工作频率的柔性贴片天线作为透镜的馈电端,柔性馈源与球形透镜表面可紧密贴合在一起,实现共焦平面。多频段馈源测试结果表明该透镜-天线系统可在2~10 GHz的带宽范围内工作。该透镜-天线系统在测试中发射指向-72°、-36°、0°、36°、72°的波束以进行验证,其在最大扫描角度附近增益损失小于3 dB,仿真结果和测试结果具有良好的一致性。研究结果表明该透镜-天线系统在微波和毫米波移动通信和遥感等领域具有广阔的应用前景。

基于硫系玻璃-聚甲基丙烯酸甲酯分光结构的散斑计算重组光谱仪设计

传统的台式光谱仪多采用大体积、长光程的色散分光方式,往往只能在实验室使用。而手持式光谱仪多采用可调光学滤波器或傅里叶变换的方法,内部存在精密的移动部件,制造难度大。使用硫系玻璃IG2和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料,研究了这两种材料的均匀随机分布方法,以两种材料折射率变化的差异为基础构筑了无序散射结构,结合散斑计算重组的方法设计了一种量程和分辨率可变的小型红外光谱仪系统,结构简单、稳定,无移动部件,可通过不同波长的标定光来确定该系统的量程和分辨率。利用Tracepro软件,采用不同的光源输入进行了标定,用模拟的黑体辐射作为测试输入,光谱仪系统在1~10.9μm光谱范围内能够实现0.1μm分辨率,在1000~2000 nm光谱范围内能够实现10 nm分辨率。采用六阶多项式对测量结果进行了拟合,拟合曲线的最大相对误差为5.32%,可满足煤矿、食品、药物等多方面的应用。

多类型应变/温度信号同步采集系统设计

针对传统应变/温度采集模块采样参数单一导致的数据不同步、无法兼容多类型传感器等问题,研发了基于ARM的多类型温度/应变信号同步采集系统,设计实现了基于零漂移放大器的高精度模拟调理电路,利用24 Bit ADC实现了2路应变与2路热电偶信号的同步实时采集,采集数据通过上位机软件可实时显示与回放。测试结果表明:应变与温度的采集精度分别达到了0.1%FS和0.2%FS,且能够兼容不同类型应变片与标准热电偶进行同步高精度与宽量程的采样与传输,具有较好通用性与实时性,为进一步探索温度-应变耦合信息获取提供了研究基础。

双通道红外CO_(2)气体传感器设计与实现

为了实现对生活工作环境中CO_(2)的检测,论文基于非分光红外(NDIR)差分检测技术,设计了一种双通道红外CO_(2)气体传感器检测系统。在气室结构方面,利用单光路双波长差分检测技术,提出了一种直射型气室结构。在硬件部分,以模块化的方式进行设计,包括单片机控制模块、红外光源驱动模块、电源模块和信号调理模块,提高了整个系统的信噪比。最终,搭建气体测试平台,采用标定法测量不同温度下热释电探测器两通道电压比值,经测试,该传感器可以实现在不同温度下对0~5%浓度内的CO_(2)气体进行检测,且测量误差小于0.2%,可满足消防、矿井监测等场合的需求。

基于C8051F040酒精浓度测试仪的研究

利用C8051F040单片机与MQK2酒精传感器开发出一款酒精浓度测试仪,具有酒精浓度测试和监控功能。通过采用集成多路A/D转换器、CAN控制器等低功耗、小体积的C8051F040单片机作微处理单元,大大减小了系统的体积和功耗,使系统达到了微型化。其测量范围0.04～0.72 mg/L,误差不超过0.02 mg/L,适用于驾驶员自测是否饮酒过量,也可用于酒精浓度监控。

红外光学气体检测中的参数修正函数浓度计算与补偿方法

从红外光谱吸收理论出发,提出了一种高精度的红外光学气体传感器气体浓度信号处理方法。重点阐述了气体浓度计算模型的建立和各参数的实验确定方法。从气体浓度计算的原理分析入手,通过逐步修正郎伯-比尔定律得到了一个有效的气体浓度函数关系式,供计算气体浓度用。为了减少外界温度对传感器检测结果的影响,实施了温度补偿,使得传感器能在不同温度条件下使用。经测试,传感器达到了100×10-6的分辨能力,具有良好的稳定性,能够满足许多场合的使用。

基于红外原理的微型多气体检测系统的设计

为了解决目前煤矿瓦斯事故以及大量使用天然气的家庭安全、环境污染等问题,设计并开发了一种具有集成化、微型化的红外多气体检测系统,通过实验数据的测试对比和数据分析,这种系统达到了微功耗、微体积、宽量程、高分辨率等技术要求,且能集成多气体检测的微型检测系统.重点介绍了红外检测的光学原理,以及从单气体检测引入到集成多气体检测的设计思想和方法,并介绍了有关CAN总线的数据传输方式和无线数据通信方式在系统中的应用.