高灵敏度柔性多层等强度梁式力/位移传感器设计及传感理论研究

针对目前柔性传感器大多数结构为薄膜形式,不利于法向集中力与位移同时测量的问题,设计并制备了一种基于多层离子皮肤(柔性电容传感片)的等强度梁式传感器.该触觉传感器由多层离子皮肤和等强度梁构成.当梁的自由端接触被测物时,传感器可以将力或位移转化为输出的电容信号来进行法向接触力或位移的测量.建立了传感器电容变化量与梁自由端力/位移关系的传感理论模型,并通过力/位移加载试验对传感理论模型进行验证.试验结果表明,传感器的传感理论模型与试验结果吻合较好,当传感器具有四层结构时,对力/位移测量的灵敏度分别为1.855 mN/pF和0.694 mm/pF.所能测得最小力为0.02 mN,最小位移为0.01 mm,同时该传感器表现出良好线性度(R2=0.994).该传感理论模型可为此类传感器的设计提供理论依据,在柔性机器和医疗健康检测等领域具有良好的应用前景.

高灵敏度柔性多层等强度梁式力传感器的设计

阐述设计并制备的一种柔性多层等强度梁式传感器,通过力移加载试验对传感器电容变化量与梁自由端力进行测试,传感器对力的灵敏度最高为1.855mN/pF,具有高灵敏度与线性度。

光纤光栅位移传感器研究与不确定度分析

为实现大跨度地下工程结构的长期健康监测,设计了一种光纤光栅位移传感器。该设计将等强度梁特性与光纤光栅传感原理相结合,弹簧作为转换元件,等强度梁和光纤光栅作为传感元件。在此基础上进行了理论分析,推导了灵敏度系数计算式,并进行了标定实验及分析,结果表明:设计的光纤光栅位移传感器可以实现两点位测量;有效监测量程为180 mm,传感器的灵敏度为10.16 pm/mm,分辨率可达98μm,线性度为3.2%,重复性为4.32%,迟滞性为2.52%,静态误差为5.92%,线性相关度可达0.998,静态特性良好;实验平台不确定度为0.827 9 mm,在量程范围内不确定度对结果的影响较小,满足性能要求。该设计适用于精度要求较高且需要多点位测量的工作环境,应用前景良好。

等强度正交梁的二维湍流传感器

针对基于压电效应研制的一维剪切湍流传感器容易受到外界干扰,仅能实现对湍流未知演化阶段、单垂线通路进行一维观测的缺点,以及对边界层产生的湍流各向异性特性有观测局限性问题,提出了基于等强度正交十字梁结构的二维湍流传感器,解决了一维剪切传感器不能同时感知水平和垂向速度脉动的现状,实现了二维矢量、高空间分辨率的湍流探测。湖试实验结果表明,设计的二维湍流传感器0.7 m/s的流速下灵敏度系数达到了1.916×10^(-5)~2.668×10^(-5)Vms^(2)/kg,可以测量湍流并能够获得10^(-8)数量级的低动能湍流耗散率。

等强度梁理论下的多截面独立并行优化研究

等强度梁的优化设计方法是汽车轻量化和性能设计的关键技术之一,开发等强度梁的多截面独立并行优化算法对底盘零部件的高效轻量化设计具有重要意义。基于Abaqus软件二次开发平台,将理论模型与有限元仿真相结合,开发了新型等强度梁多截面独立并行优化算法,该算法在理论上对梁各个截面进行满应力优化设计,并通过有限元仿真对理论力学模型进行连续迭代修正构建等强度梁结构。将开发的多截面独立并行优化算法应用于车桥桥壳的轻量化设计中,结果显示:桥壳降重10.41%,最大应力降低10.64%。随后借助该算法对含多变量的截面形状进行了优化研究,证明了所建多截面独立并行优化算法具有较好的鲁棒性和稳定性,可应用于任意截面形状的等强度梁优化研究。

等强度梁弯曲特性分析

等强度梁在工程上应用广泛,探讨其振动特性具有重要意义。由于等强度梁的变截面特性,无法求解振动频率和模态的精确解。采用假设模态法、有限元仿真和实验测试的方法,求解了等强度悬臂梁弯曲振动特性,并对3种方法和结果进行了对比,研究表明等强度梁振动模态与等截面悬臂梁模态形状一致。

电阻应变片灵敏系数标定和横向效应系数测定

目的:实现对电阻应变片灵敏度系数的标定和横向效应系数的测定。方法:首先推导出电阻应变片灵敏度系数和横向效应系数的理论计算公式,然后将被测电阻应变片分别粘贴在等强度梁上,在等强度梁上放置一个三点挠度计,采用电测法,分别记录各级载荷作用下每片应变片的应变读数和三点挠度计读数,最后将读数代入理论计算公式,实现对电阻应变片灵敏度系数和横向效应系数的标定。结果:电阻应变片的灵敏度系数为K=2.26,横向效应系数为H=0.3984%。结论:该方法能够提高电阻应变片的精度。

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。

光纤布喇格光栅器件应力疲劳评价理论研究

光纤布喇格光栅器件应力疲劳特性严重影响着光纤光栅应变传感器的长期可靠性,为了评估光纤光栅器件的应力疲劳特性,分析了光纤光栅应变传感器的封装结构对疲劳评价的影响,并以表面直接粘接的简化模型评估了光纤光栅器件的应力疲劳特性.从简化模型的基本力学与光学特性出发,提出以光谱特性的边模抑制比和带宽作为评价光纤光栅器件疲劳的指标体系,以传感特性的灵敏度、线性度和应变传递效率作为评价粘接层疲劳的指标体系.设计了基于等强度梁的光纤光栅器件加速疲劳实验,疲劳的应力幅度为500微应变,频率为18赫兹;1000万次疲劳实验后,三支光纤光栅的带宽平均增加2.07%,平均应变传递效率和平均灵敏度分别下降4.5%和3.9%,实验结果说明提出的指标体系能有效地区分粘接层和光纤光栅的疲劳,从而验证了该评价理论的可行性.

FBG应变传感器应力疲劳极限传感寿命评估方法

光纤光栅应变传感器在应力疲劳作用下不可避免地出现性能衰退,为了评估其极限传感寿命,从光纤光栅传感原理出发,理论推导了应力疲劳作用引起的满度相对误差表达式,以工业仪表精确度等级作为传感器的极限状态阈值,提出了基于等强度梁的极限传感寿命测试方法.利用该方法评估了高桩码头结构健康监测应用环境中光纤光栅应变传感器的极限传感寿命,以满度相对误差变化4%作为极限失效阈值,对4支传感器进行了1.32亿应力疲劳实验.当疲劳至1.32亿次时,2支传感器达到极限传感寿命,1支传感器接近极限传感寿命,即极限传感寿命约为1.32亿次.实验结果表明,提出的方法能有效地测试不同结构健康监测需求下,光纤光栅应变传感器的应力疲劳极限传感寿命.

测力等强度梁的优化设计

本文依据误差传递原理，用计算机对测力等强度梁、等强度标定梁进行优化分析设计，确定了最佳设计方法和设计参数。实验证明，它达到优化设计效果。

基于FBG的电力杆塔倾角传感器研究

电力杆塔监测对保证输电线路运行安全具有重要意义。对基于光纤Bragg光栅（FBG）的电力杆塔倾角传感器进行研究，底端固定于传感器外壳上的等强度悬臂梁自由端挂有重物，且在等强度悬臂梁两侧对称中心线上各粘贴一个FBG。电力杆塔发生倾斜时，重物带动等强度悬臂梁自由端产生挠度，使FBG产生中心波长移位，对中心波长进行监测即可实现杆塔倾斜角度测量。实验表明：测量小角度（小于15°）时，重复性误差为l％Fs，非线性误差为0．4％FS，滞后误差为0．8％FS；测量大角度（15°-45°）时，重复性误差为1．5％FS，非线性误差为0．77％FS，滞后误差为1．1％FS。

非强柱弱梁钢筋混凝土框架试验及有限元分析

通过两榀单层单跨混凝土框架在竖向荷载下的试验研究和非线性有限元全过程分析,对“梁强于柱”和“梁柱等强”框架的极限荷载、正常使用状态下的变形、位移延性和塑性内力重分布进行了研究。研究结果证明,在配筋适当的情况下,“梁强于柱”和“梁柱等强”框架在正常使用荷载下裂缝宽度和挠度均能满足混凝土结构设计规范的要求,且均具有较好的延性,能实现充分内力重分布。

TMD等强度悬臂梁实际应用时的频率精确分析

为了确定实际应用中调谐质量阻尼器(TMD)刚度单元的梯形悬臂梁参数,建立了梯形悬臂梁频率的精确计算公式,计算了梯形等强度悬臂梁与三角形等强度悬臂梁频率的误差,利用梯形悬臂梁频率计算公式确定了TMD等强度悬臂梁的设计步骤与程序,给出了工程示例,并使用仿真软件ANSYS进行了验证。结果表明:悬臂梁自由端的宽度小于固定端宽度的12.65%时,梯形等强度悬臂梁与三角形等强度悬臂梁的频率相对误差小于5%;所用程序可以用于确定满足频率精度要求的TMD等强度悬臂梁的参数,对工程实际有较大指导意义。

等强度悬臂梁自振频率计算与实验研究

针对力学实验中常用的等强度悬臂梁设备,对其横向振动的基频进行了分析;采用瑞利法给出了解析解,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立数值模型计算了数值解,并通过实验对两种方法的计算结果进行了验证。

基于光纤传感技术的输电杆塔倾斜传感器研究

针对输电杆塔的监测研究了一种基于光纤布拉格传感技术的倾角传感器,该传感器内固定有一根等强度悬臂梁,在悬臂梁两侧各粘有一个光纤布拉格光栅(FBG),在其自由端挂有一重物。当传感器倾斜时,重物带动等强度自由端重物产生挠度,使传感器的中心波长发生变化,通过监测中心波长来达到监测杆塔倾斜的目的。实验表明:该光纤布拉格光栅倾角传感器的灵敏度为0.317 2nm/°,线性度为1.030%FS,迟滞性误差为0.364%FS,具有零点漂移小的特点。

基于LabVIEW的悬臂梁固有频率测试研究

将虚拟仪器技术应用于悬臂梁固有频率的测量,组成了基于虚拟仪器的测试系统,介绍了测试系统的硬件、软件的构成,开发了基于LabVIEW的测量程序。测试实验采用力锤产生脉冲激励对等强度悬臂梁固有频率进行了测试,对实验结果进行了分析,并与有限元分析和理论公式计算结果作比较,结果表明测试结果可靠,测量精度高。该测试系统提供了一种新的悬臂梁固有频率测试方法,具有一定的参考价值。

基于光纤布拉格光栅的称重传感器系统

随着光纤光栅的广泛应用,海运经济的发展,针对大型浮式起重机长期负荷作业及复杂恶劣的工作环境,设计一种对大型浮吊臂架的安全状态实时监测的称重式传感器成为趋势。文中以光纤光栅传感器技术为核心,设计一种等强度悬臂梁式和受压薄膜复合结构的称重传感器,通过实验验证其性能指标,此系统能够很好地应用到大型浮式起重器中。

测定电阻应变计灵敏系数的一种方法

采用等强度梁、挠度计、并联电阻箱、电位差计等测定电阻应变计的灵敏系数是一种常用的方法。根据电桥的平衡条件建立了简单易懂的平衡方程，回避了桥臂阻值相对变化率的计算及电桥非线性输出等问题，正确计算了应变计的灵敏系数Ｋ。

从优化设计理论谈材料力学中的等强度超静定梁

工程中常用的梁结构因各横截面上的弯矩不同,采用等截面梁时,材料不能得到充分利用,经济性较差。若采用等强度梁,可以使所有截面上的最大应力同时达到材料的许用值,充分挖掘梁结构的承载潜能,提高材料利用率。本文从优化设计角度出发,求解等强度梁截面几何尺寸沿轴线变化的情况,有助于在一般情况下深化对等强度梁设计的理解。