内嵌大量程光纤光栅传感器的智能拉索研制及应用

针对大跨度空间索结构施工及运营阶段的索力监测难题,基于光纤光栅应变敏感的特性,利用“预应力原理”与凹槽封装技术,该文研制了一种内嵌封装大量程光纤光栅传感器的智能拉索,解决了光纤光栅传感器工程应用易断裂及监测量程不足的缺陷。在此基础上对其进行张拉试验,验证智能拉索的主要传感性能指标。试验结果表明,光纤光栅传感器监测灵敏度约为0.00266 nm/kN,线性度误差≤2.86%,迟滞误差≤1.53%,重复性误差≤2.40%,总精度误差≤4.03%,监测量程可达到拉索极限承载力的80%。采用该技术,利用光纤光栅传感器对某体育场馆索网结构的施工张拉进行实时监测,并将光纤光栅传感器监测荷载与千斤顶张拉荷载进行对比,索体张拉完成后两者误差仅为2.95%。该技术实现了拉索全生命周期、高精度的索力监测。

高冲击环境下MEMS大量程加速度传感器结构的失效分析

对设计的大量程加速度传感器进行冲击测试,分析该种传感器结构在高冲击环境下的输出信号及可靠性。加速度传感器结构采用四端全固支结构,通过在梁的端部和根部设计倒角结构以分散应力。测试结果表明该传感器在232,119.4 gn下可以测试到有效输出信号。同时,对测试中失效传感器进行了分析,总结出大量程加速度传感器的在高冲击环境下的失效模式主要为键合引线的脱落、微梁的断裂和封装失效。

基于有限元分析的大量程力传感器设计改进

采用有限元法对现有的80t大量程力传感器进行分析,并根据电桥原理获得满量程的输出电压值,从而指出其精度较低的原因,并重新确定了贴片方式;通过试验对改进的结果进行了验证,结果表明,通过有限元法对传感器贴片方式的改进取得了明显的效果。

基于多目标优化的高量程加速度传感器小型化设计

为了实现MEMS高量程压阻式加速度传感器的小型化,并提高其性能,提出一种多目标优化方法。将加速度传感器的性能、尺寸作为多目标函数,并将最优空间填充设计(OSF)和克里金(Kriging)代理模型相结合,构建目标函数与几何变量之间的函数关系。然后将精度较差的样本点作为细化点、不断更新代理模型,直至模型拟合精度满足指标要求。最后利用非支配排序遗传(NSGA-Ⅱ)算法进行多约束优化得到帕累托(Pareto)最优解集。优化结果表明,传感器的尺寸减小了29.33%,一阶谐振频率提高了27.94%,在100000 g_(n)过载下的理论灵敏度提高了23.64%,且不会降低该高量程加速度传感器的抗过载能力,从而验证了该方法的有效性。

利用波形比较法进行高量程加速度传感器横向响应的测试研究

提出一种高量程加速度传感器横向响应的测试方法——波形可识别的比较法,对高量程加速度传感器非敏感方向(横向)的输出特性进行测试研究。实验中采用自由落杆的方法,将已经标定过的传感器和带测试的传感器以背对背的方式进行安装,通过同时比较监控两通道的输出波形,可以确定器件的横向灵敏度。此方法简单可靠,并容易实施,对测试中产生的误差进行分析。

加速度场离心试验用一体化大量程六维力传感器的研制

鉴于离心式加速度场模拟试验系统的需要,研制了一种大量程六维力传感器。在力传感器传统设计方法基础上,重点分析了传感器结构优化、材料选型、加工工艺、惯性耦合补偿等控制环节的影响。利用有限元方法对所设计的六维力传感器维间耦合、加速度场惯性效应耦合及输入输出关系进行仿真分析;借助相应的标定系统,实现六维力耦合效应的标定测试和耦合矩阵的获取,基于标定误差矩阵建立六维力传感器惯性效应补偿;静/动态实验结果表明所设计的大量程六维力传感器完全满足大加速场下力测试精度和稳定性要求。

一种小量程应变式压力传感器结构设计

提出了一种新型的梁膜结构,其体积较小、应力集中效应明显,特别适合作小量程应变式压力传感器。通过有限元分析发现,当膜片厚度与梁厚度为某一比值时,膜片中心应力值最大,而位移量较小,即传感器灵敏度较大,而非线性较小。设计的传感器样品的灵敏度达0.5 mV/V,总精度优于0.1%F.S。

高量程压阻加速度传感器横向响应的测试及分析

文中提出了一种高量程压阻加速度传感器的灵敏度和横向灵敏度参数在动态冲击环境下的简易测试方法。采用金属杆自由落体的比较法,即将待测试的加速度传感器和已标定过的加速度传感器以背靠背的形式固定在金属杆的尾端,金属杆从一定高度自由落下与放置在地面上的金属砧发生相互碰撞,利用双通道放大器和计算机数据采集系统同时记录两路信号。实验中分别对6 000 g和60 000 g的压阻加速度传感器进行了研究,该方法具有较好的重复性和可靠性,并分析了测试偏差来源对横向响应的影响。

MEMS高量程加速度传感器压膜阻尼效果分析

为实现一种高量程加速度传感器的近临界阻尼设计以提高其输出性能,采用有限元方法分别研究了阻尼带隙宽度、阻尼介质特性及温度等对器件冲击性能的影响。结果表明:器件冲击响应是受迫振动与悬梁固有振动叠加;随着阻尼带隙变宽,悬梁固有振动渐突显,峰值电压增加;阻尼介质粘滞系数越大,其峰值电压越低;介质温度对器件输出特性影响不大。在常温空气介质中,过载保护曲面平移距离为0.5μm时,阻尼比为0.24,近临界阻尼,输出电压高达77.9mV。

宽量程真空传感器可靠性强化试验及故障分析

面向宽量程真空传感器研发阶段的可靠性优化,设计低温步进、高温步进、快速温变、振动步进和综合环境5项可靠性强化试验,并搭建真空对比测试系统。在经历每项可靠性强化试验后,对比试验获得被测传感器和标准传感器测试不同真空度的示值。真空测试和可靠性分析结果表明,被测传感器的全温区温度可靠性较好,但振动步进试验使1只传感器发生故障,电离灯丝断裂、引线针与陶瓷基座间的钎焊裂纹、可伐环与陶瓷基座间的钎焊孔洞是被测传感器试验和使用故障的主要原因。从优化管芯结构设计、自动化灯丝焊接工艺、优化钎焊工艺等方面提出传感器可靠性优化建议。此外,虽然被测传感器相对标准传感器的测量误差较大,但被测传感器之间的输出一致性较好,可从后端补偿上提高传感器测量精度。

自制大量程位移传感器在压杆稳定试验中的应用

稳定性是工程受压杆件的重要研究内容之一,稳定性试验可以得到压杆的失稳临界荷载,针对目前压杆稳定试验中的测试要求,经过理论计算研究,设计、制作并标定了2个大量程位移传感器,将其运用于压杆稳定性试验测量压杆中点挠度变化,得到了两端铰支压杆的临界荷载,试验结果表明,利用自制的大量程位移传感器和粘贴电阻应变计方法得到的压杆临界荷载基本一致,可以在今后压杆稳定试验中采用此种简单、经济、方便的大位移传感器来测定压杆的临界荷载。

利用Hopkinson杆对高量程传感器进行校准的理论分析

介绍了斯普里特·霍普金森杆产生冲击脉冲的方法,评价测量了大幅度的脉冲加速度计的性能,并且通过理论数值计算对其加速度灵敏度进行了校准,校准范围可以从5000g到200000g。

高量程加速度传感器在测试中的失效分析

通过在不同测试环境对高量程加速度传感器进行测试,并对传感器在测试中出现的失效进行分析,在实验室环境测试中出现的主要失效模式为键合引线的脱落和微梁的断裂,其原因是不同金属的引线键合强度较低;重复性的冲击加速了材料的疲劳。在实弹测试环境测试中出现的传感器失效原因主要是在侵彻测试中传感器芯片与侵彻信号中高频分量发生共振导致过载增大,传感器芯片上的微结构位移失控,造成传感器结构断裂。

基于高冲击台的高量程加速度传感器动态性能分析

高量程传感器是测试系统核心器件,传感器性能直接影响测试系统精确度,所以对传感器的动态性能分析十分重要。针对高量程加速度传感器动态校准装置自动化程度不高,提出了基于高冲击台的动态校准系统。试验采用冲击比较法,以B&K公司8309传感器作为标准传感器对实验室自制58#压阻式量程100 000 gn加速度传感器进行动态校准,分析传感器动态性能,动态性能不理想,对传感器进行动态建模,为以后的动态补偿提供依据。

基于窄脉冲校准的高量程加速度传感器动态建模

面对高量程加速度传感器动态校准中存在的测不准以及数据处理困难等问题,论述了窄脉冲校准原理,引入了消除噪声干扰的广义最小二乘算法对于传感器的校准数据进行处理,并且结合窄脉冲校准原理进行了算法的数值仿真与实验验证。利用Hopkinson杆对于自研的量程为200 000 g_n的多级封装传感器进行了窄脉冲动态校准实验,系统辨识的结果表明模型获得的传感器的本征模态与通过FFT方法获得的本征模态分别为482.4 kHz以及481.8 kHz,并且曲线精度大大优于后者。

贴片胶对高量程MEMS加速度传感器性能的影响

贴片工艺是高量程MEMS加速度传感器封装工艺中一个非常重要的环节,对传感器的灵敏度和可靠性具有重要的影响。根据一种自制的、量程为XX的高量程MEMS加速度传感器的贴片封装模式,利用有限元分析法建立了传感器的贴片封装模型,基于理论、有限元方法研究了贴片胶弹性模量对传感器性能的影响。使用两种不同弹性模量的贴片胶对传感器进行了封装,开展了基于霍普金森压杆测试系统的传感器性能测试试验。模拟和试验结果表明:对于使用贴片封装模式的高量程MEMS传感器,其灵敏度随着贴片胶弹性模量的增加而相应的提高。

高量程加速度传感器的灵敏度校准方法

高量程加速度传感器面向特殊被测对象,其灵敏度需作经常性校准。以霍普金森杆产生冲击加速度并由激光多普勒干涉仪进行测量,同时记录被校传感器的响应输出,进而实现高量程加速度传感器的灵敏度校准。分析了两种灵敏度指标的校准方法,对国产压电式加速度传感器的两种指标进行了校准,给出了校准结果并分析了其影响因素。

无损大量程张力传感器的有限元分析

重装空投在民用及军事国防体系中具有重要地位,精确空投控制系统成为重装空投中必不可少的保障环节。翼伞作为空投测试系统中的关键技术之一,其伞带张力的实时测量对精确空投控制系统的设计有指导作用。针对现有的张力传感器存在的量程小、安装对伞带有破坏性等问题,设计了一种用于重装空投的旁压式大量程伞带张力传感器。利用ANSYS workbench对传感器的结构模型受力情况进行数值分析,通过分析和调整得到弹性体的应变分布情况,确保设计的传感器结构能满足大量程检测的需要;对应变片粘贴位置及位置附近结构的特殊设计进行建模,得到传感器输入-输出的特性表达式;通过传感器的测量实验,验证了所采用的有限元分析方法有效性及正确性。

基于双量程推力传感器的精确测力技术

针对双量程推力传感器在使用中测试精度低的问题,结合传感器固有特性,开展了传感器动态特性分析及误差补偿方法的研究。通过有限元分析和力锤冲击试验,结合结构分析获得了双量程力传感器等效二自由度和三自由度动力学模型。利用近似求积数值法对冲击力试验输出信号进行补偿,获得了接近标准信号的测试结果,对该补偿方法进行了有效性验证。结果显示:本方法对发动机试验的推力信号进行了补偿,推动了单室双推力发动机推力的精确测量,为双推力发动机的推力测试提供了有效途径。

大量程水电监测传感器设计及应用

随着高坝大库电站及抽水蓄能电站的兴建,对安全监测所需传感器的量程提出了更高的要求。本文基于目前水电安全监测常用的差动电阻式、振弦式传感器,涵盖位移、应变、应力3种状态量监测的仪器,在分析其研究现状及测量工作原理的基础上,进一步探求拓展能够满足高坝大库安全监测需求的大量程传感器的设计,并成功地在多个水电工程项目上应用。