高频动态压电式压力传感器结构设计与实验研究

针对激波压力信号快速测量需求的提升,提出了一种基于压电效应的高频动态激波压力传感器结构形式及测量原理。通过分析激波信号的时频特性,确定高频动态压电式压力传感器的性能需求;采用高频动态压电式压力传感器的测量原理,对提出的激波压力测量进行了分析;基于变形协调一致原则,建立了静力学和动力学模型,分析传感器结构参数对灵敏度和固有频率的影响规律;将优化后的传感器三维模型导入ANSYS中进行静力学、动力学和压电耦合分析,验证了传感器结构及其测量原理的可行性。通过准静态标定和动态标定实验,得到传感器的电压灵敏度、非线性度和固有频率等测量性能指标,实验结果表明:研制的高频动态压电式激波压力传感器样机具有高灵敏度3.19 mV/kPa、高固有频率特性95.625 Hz和短上升时间10.45μs特性,能够满足实际测试需求。

基于PVDF柔性传感器的不同介质中冲击波波源测量与频谱分析

目的明确体外冲击波系统冲击头在不同介质界面产生的冲击波波源特征。方法采用冲击气压可调的体外冲击波产生与信号采集实验系统,结合聚偏二氟乙烯(PVDF)柔性传感器,通过实验测量方法研究冲击头在不同介质(仿体组织、水和空气)界面产生的冲击波形,分析波源的时域特征和频谱特性。结果在相同气压冲击下,冲击头在仿体界面和水界面产生的冲击波波形相似,二者与空气界面产生的冲击波波形存在较大差异,空气界面的正负压绝对值明显减小;不同介质中产生的冲击波频谱特性相似,都存在3个明显的峰值频率,仿体、水和空气中调制频率分别为12.2、8.5、7.2 kHz,载波频率基本无变化(82~83 kHz)。不同气压冲击下,冲击头在同一介质界面产生的冲击脉冲波波形差异不大,冲击气压仅影响冲击波幅度,不影响峰值频率。随着冲击气压的增大,介质界面正负压绝对值增大,变化基本呈线性。结论PVDF柔性传感器可以有效测量冲击波波源,不同介质界面产生的冲击波在时域和频域都存在一定差异,不能简单以空气或水中的冲击波传播特性代替生物组织中的传播特性。研究结果可以为冲击波设备的评估和临床冲击波治疗方案的制定提供重要信息。

集成式陶瓷压力传感器结构设计与测试分析

本文设计并制备了一种集成式陶瓷压力传感器。首先基于电容式压力传感器工作原理和薄板变形理论,对传感器敏感结构进行建模和仿真分析。将设计的信号调理电路集成在印刷电路板(PCB)上,PCB通过导电结构PIN针与敏感结构紧贴在一起,采用压缩弹簧实现针脚连接。同时设计了传感器敏感结构工艺制备流程,并对封装后的传感器进行研究分析。测试结果表明:传感器在0~1.4 MPa量程内,常温下其灵敏度达到0.571 V/V/MPa,非线性度小于0.325%FS,在-40~150℃温度范围内,整体测量误差精度为±0.245%RH,传感器在振动和冲击的环境中工作稳定。

伺服液压缸位置控制失效问题分析与处理

伺服液压缸是激振试验台液压系统的执行元件,通过激振试验台的上位机软件可以控制伺服液压缸进行手动控制及正弦波、方波、三角波、随机波等信号的幅频控制,设备主要应用于底盘减震类产品的可靠性测试。在某减震器可靠性测试过程中出现伺服液压缸端盖渗油,经拆解更换密封件后,伺服液压缸只能在其行程的两个极限位置运行,位置控制功能失效。通过对激振试验台结构及工作原理分析,从伺服液压缸的LVDT位移传感器有效性、位移传感器相关线路及伺服液压缸结构等方面开展分析排查并定位原因,对LVDT位移传感器损坏的情况,根据差动变压器工作原理,对传感器铁芯进行修复,传感器本体重新安装定位,试验台功能恢复正常。

通过算法减少可变阻尼减震器中传感器的使用数量

本文主要研究了通过软件计算来减少汽车可变阻尼减震器(CDC)的传感器数量的可行性。CDC可变阻尼减震器通常需要多个位移传感器和多个加速度传感器,同时会需要车载惯性测量单元(IMU)和车载自适应大灯高度信号进行分析处理。这里主要研究了两种方案:1、通过位移传感器和IMU的信号推算出加速度传感器的信号,从而取代加速度传感器;2、通过车身的6自由度IMU和大灯高度信号取消所有加速度和位移传感器。减少更多的传感器会着降低更多的成本,传递到市场就可以使更多的用户在在自己可以接受的价格区间享受更好的驾驶体验。然而减少更多的传感器很可能提高了产生更多的误差的概率。这篇文章通过MATLAB进行仿真、构建算法模型和采集实车信号从而评估减少传感器数量的可行性。

用于加速度传感器的气动活塞式冲击校准装置研究

基于比较校准法,研制了用于加速度传感器、包含机械冲击模块、冲击信号生成模块和测量控制模块的气动活塞式冲击校准装置。在关键参数分析计算和重要数学模型建立的基础上,对比不同种类波形发生器产生的冲击曲线结果,确定直径20 mm、厚度5 mm的羊毛毡为优选的波形发生器,其冲击峰值幅度和脉冲持续时间的重复性均不超过3%,达到国外同类产品的技术水平。同时,相对扩展不确定度符合ISO 16063—22规定的小于5%(k=2)的要求。

新型单传感器半主动悬架控制算法机理研究

半主动悬架控制算法研究,对提高汽车的平顺性和操纵稳定性,具有非常重要的意义。本文首先建立了一种三自由度车辆模型,并基于试验场采集的试验数据作为模型的工况输入。然后,提出了一种新型单传感器算法,并基于建立的控制算法和三自由度车辆模型闭环仿真平台,对新型单传感器算法进行了仿真分析,从理论上验证了算法的优势以及算法参数对平顺性的影响规律。最后,在闭环仿真平台中对新型单传感器算法的参数进行了优化,结果表明,相对于被动减振器,在鹅卵石路面和长波路面上,新型单传感器算法车身质心加速度RMS指数分别降低了21%和14%,大幅提升了车辆的舒适性。

新型薄膜式压力传感器的参数设计

利用待测压力与薄膜加速度之间的正比例关系来获取冲击波反射超压峰值的新型测量方法已经得到初步实验验证,该方法具有无需标定、制作简单、成本低廉、测量精度高等优点。为优选薄膜式压力传感器的主要参数,并获取压力测量的不确定度,开展了数值模拟,分析了薄膜厚度、待测压力、拟合参数等因素对压力测量的影响。对薄膜的位移或速度信号进行了拟合处理,获得了冲击起始时刻薄膜的加速度,进而得到了待测压力峰值;将获得的压力与标准压力进行比对,得到了拟合时长、拟合多项式阶次、薄膜厚度等因素的优选值,并获得了薄膜式压力传感器的主要技术指标。另外,开展了激波管比对实验,验证了数值模拟的相关结论。

采煤机惯性传感器的减振方法与装置

惯性传感器以其鲜明的优点,已成为目前采煤机姿态测量及井下自主导航研究和应用的热点。针对惯性传感器在实际应用中因受采煤机强振动干扰,存在测量稳定性差和精度低等问题,研制了一种金属弹簧-可调摩擦阻尼三向减振装置。首先,介绍了惯性传感器种类和基于惯性传感器的采煤机姿态测量方法。分析MG500/1180WD滚筒式采煤机截割煤层时的振动加速度数据,得到其X、Y、Z三方向主振频率为0~30 Hz,三方向振动加速度范围分别为1~2、0.15~0.20、2~4 m/s^(2);其次,基于采煤机振动特性,提出了金属弹簧-可调摩擦阻尼单向减振器力学模型,建立了模型传递率方程。结合直线导轨机构设计了金属弹簧-可调摩擦阻尼三向减振装置。采用SolidWorks Motion建立了减振装置的仿真模型,通过仿真分析确定了减振装置的主要参数。最后,对减振装置进行了振动传递率仿真分析和试验测试,并使用惯性传感器验证其减振效果。仿真分析表明:在符合采煤机振动频率范围和振动加速度范围的振动条件下,设置减振装置可调摩擦阻尼为摩擦阻尼最大参考值的0.25~0.5倍,可得到较低的共振放大倍数和较低的振动传递率。试验结果表明:减振装置三方向的共振放大倍数低于4倍,10~30 Hz频率范围的激振下,平均振动传递率维持在45%以下。增加减振装置后可有效降低惯性传感器测量数据的波动量,三方向传感器姿态角标准差平均下降率分别为78.36%、36.96%、66.51%,具有明显的减振作用。

岩体震动波传播光纤光栅监测机理及实验分析

为探索煤岩动力灾害新的监测方法,开展了震动波传播光纤光栅监测机理及监测过程的理论与实验研究。针对光纤光栅悬臂梁式加速度传感器,通过理论传感模型得出了震动波作用下的传感方程;以石灰岩板为研究对象,开展了震动波传播光纤光栅传感监测的实验研究,分析了不同条件下的波长变化特征,结果表明,光纤光栅加速度传感器可以较为精确地监测震动波的输入频率,波长变化量与震动波的输入频率、传感器的布设角度等参量有关;当输入频率越靠近传感器的固有频率、传感器与震源连线之间的夹角越小,以及测点距震源越近时,光纤光栅的波长变化量越大,光信号响应特征越明显。以上研究表明,通过光纤光栅加速度传感器可以实现岩体内部不同参数震动波传播的精确测量。研究为探索岩体震动波传播提供了新的监测方法与手段,这对于形成一种更为有效的矿井动力灾害预报预警技术具有重要意义。

Properties of Zirconia Material as Oxygen Sensor

The properties and applications of ZrO_2-Y_2O_3 material used as oxygen sensor were studied.Oxygen sensors are studied by X-ray diffraction technique,microstructure determination and thermal shock resistance test,and are tested on the spot.Oxygen sensors made from the sintered dense ZrO_2 stabilized by Y_2O_3 can be used to measure the oxygen concentration in molten steel at 1600℃.The data obtained are stable and reliable, and the thermal shock resistance is high.The oxygen concentration is measured at(1～150)×10^(-4)% with re- sponse time of 2～3s.

激波传感器T型排列的智能检测报靶系统

针对当前实弹射击中存在的人工检靶繁琐、导电报靶误报率高等问题,研究一种基于激波压力传感器报靶系统。运用LM6171高速运放搭建信号放大及滤波电路,通过LT1671及AD824运放搭建脉冲整形电路,将微弱的激波信号转化成可识别的脉冲信号输入给现场可编程逻辑门阵列(FPGA),由FPGA进行计时,并将计算的时间差数据传递给计算机,计算机软件通过建立的“T”型数学定位模型,采用最小二乘法计算原理,应用MATLAB软件中的Fsovle函数计算出弹着点坐标。测试结果表明,该系统实现了误差范围小于3 mm的精度报靶,满足了当前射击训练要求,在实弹射击中具有推广使用价值。

基于复合压电效应的PVDF传感器测量性能调控

为探索低强度冲击波下的柔性测量技术,基于8 mm孔径柔性基底,对聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride,PVDF)传感器开展激波管标定实验,根据实验结果,采用不同粘贴方式为PVDF传感器增加不同厚度的阻尼层,加载不同强度的冲击波后,从信号脉宽、灵敏度系数、过冲信号幅值等方面评估传感器的可靠性。然后加载窄脉宽冲击波验证设计的传感器能适应不同脉宽冲击波的测量。实验结果表明:添加阻尼层能够大幅降低过冲信号幅值,提高传感器测量信号脉宽,提升传感器的频响。STS-400(single-side thickened sensor-400)型传感器在两种脉宽信号加载下均得到较好的测试结果,相对测量误差不大于±12%。对比两种脉宽冲击波加载下的信号发现,PVDF薄膜传感器更适合测试脉宽在10 ms以内的信号。设计的新型PVDF传感器可为测量爆炸冲击波信号提供思路。

压电类冲击传感器内置变换器设计

压电冲击传感器大多采用电荷型输出,内置变换电路压电冲击传感器较少。造成压电冲击传感器采用电荷输出的原因是内置变换电路对冲击信号适应性差,受到传感器内部结构限制,内置变换电路很难达到冲击信号测量要求。为了设计能够满足冲击传感器内置使用的变换电路,从冲击信号特点分析开始,对于压电传感器两种内置变换电路特性进行了分析,并通过分析电荷变换与电压变换电路特点,得出了电压变换电路适合作为传感器内置变换电路的结论,并对内置电压变换电路传感器进行了测试验证。

力-热耦合下的MEMS传感器隔离装置结构优化研究

为满足MEMS传感器高精度和高灵敏度的应用需求,适应复杂工况环境,减少外部环境对传感器造成的影响,设计了一种力-热隔离装置.该装置采用悬架式结构设计,中心安装MEMS传感器,四周通过悬架梁与装置基座相连.依照传感器对于高频冲击载荷和温度较为敏感的特点,悬架梁采用低导热率、低弹性模量的聚合物材料,能够起到隔离高频冲击应力波和外部高温的作用;同时还可以还原外界低频加速度输入,保证MEMS传感器正常工作且提高了环境适应性.通过算例利用有限元仿真方法分析了力-热环境影响下隔离装置的温度场分布、结构动态特性和动力学响应,并对比了不同聚合物材料和关键悬架结构参数的影响效果,从可加工性、隔热、隔振和悬架强度方面对隔离装置进行了综合优化选取.本设计和分析方法可为MEMS传感器的环境适应性设计提供参考,拓宽了其在军事武器装备,航天航空领域的应用范围.

基于有限元模拟的薄膜热流计冲击振动分析

实现发动机热端部件热流的精准监测对于发动机的冷却设计和可靠性提高具有重要意义,而薄膜热流计具有结构简单、不影响被测件气动外形以及对流场干扰小等特点。针对航空发动机在运行时产生的高振动及高冲击载荷下的薄膜热流计结构可靠性问题,采用有限元方法,建立薄膜热流计的有限元模型,分析了冲击以及随机振动对热流计结构可靠性的影响,并且提出了优化建议。优化后的热流计的最大位移及最大应力都明显减少,结构的可靠性明显提升,冲击振动测试以及划痕测试的结果也验证了薄膜热流计结构的合理性。

微秒级温度传感器动态校准研究进展

近年来,应用于航空航天领域极端测温场合的温度传感器响应速度已达到微秒量级,然而,如何实现对其进行微秒级的动态校准仍是一个亟待解决的挑战。激波管法和激光法是两种解决该问题的潜在技术途径,二者均可提供微秒级的温度阶跃响应,但也具有不同的特点。激波管法适用于高温高压环境,但其阶跃信号的上升过程和幅值存在不稳定性。激光法则具备非接触性和高精度的特点,但目前尚未建立统一的评估体系,无法直接比较不同温度传感器的动态响应特性。最后,总结出3个关键研究方向:改进现有校准方法、探索新的校准方法,以及构建新的评估理论,以促进微秒级温度传感器动态校准研究和相关技术应用的发展。

基于逆传感网络模型辨识的激波管动态压力重构

提出一种基于逆传感网络模型辨识的激波管动态压力重构方法。首先,基于经验模态分解,将压力传感器动态响应信号分解为一系列不同频带的分量;然后,采用相关系数和振铃幅值占比指标,实现振铃分量和趋势分量的识别,构建逆传感网络模型训练集和测试集;最后,基于双向长短期记忆神经网络训练及测试,建立压力传感器逆传感网络模型,实现激波管动态压力重构。分别通过仿真试验和激波管测量试验验证该方法对于动态压力重构的性能。仿真试验结果显示,重构的动态压力信号的RMSE(root mean square error)和MAPE(mean absolute percentage error)远小于传统趋势估计法,其值比长短时记忆(long short-term memory, LSTM)方法得到的结果分别减小了2倍和5倍,并且在不同阶数的压力传感器仿真试验中验证了该方法的鲁棒性,通过对比不同压力传感器系统下该方法的动态压力重构精度,验证了该方法的适用性;激波管测量试验结果显示,模型训练和测试输出的RMSE和MAPE分别为0.001 6 V、0.003 6%和0.002 5 V、0.062%,重构得到的激波管动态压力在平稳区间内的平均相对误差约为2.14%。

CARDC激波风洞TSP技术研究进展

从基本原理、关键技术和验证应用三个方面总结了近两年在中国空气动力研究与发展中心激波风洞中开展的温敏涂层(TSP)技术相关研究工作。通过解决快速响应温敏发光材料研制、模型研制、数据处理等一系列关键技术,完成图像采集系统、光学系统及标定系统的配套和系统集成,建立了一套适于激波风洞试验的高速TSP测量及标定系统。该技术可在激波风洞试验中获取模型被测面温敏涂层的发光图像,基于该图像可以直接观察模型表面热流分布和捕捉峰值热流的准确位置。结合温敏发光材料的物性参数标定数据,能够实现对模型表面热流的定量测量。不同于传统的传感器点热流测量技术只能得到模型表面有限数量的离散点的热流值,TSP技术能够以高空间分辨率得到较大面积区域的详细热流分布信息,可更加全面的测量模型外表面的热环境,并且可以据此进一步分析和辨别边界层流态以及确定边界层转捩位置。试验对比表明,TSP技术的测量结果与点热流传感器的测量结果具有良好的一致性。目前该技术已趋于成熟,在Φ2m和Φ0.6m激波风洞上成功应用于边界层转捩研究、局部干扰区热环境研究和复杂外形飞行器热环境研究等领域,已成为激波风洞除点测热技术之外又一重要测热技术。

基于ICP传感器的冲击波超压测试系统设计

新型ICP传感器将压电模块和内置电荷放大器集成于一体,应用时需要设计相应的适配电路.文中设计了应用于冲击波测试的ICP传感器适配电路,以双膜激波管为校准仪器,研究适配电路中不同恒流源供电对ICP传感器动态特性的影响.校准结果表明：在2 ～20 mA范围内,供电电流对ICP传感器的上升时间、谐振频率、超调量等动态特性无明显影响.建议在动态校准和实际应用中的适配电路最好保持一致,才能保证动态灵敏度的准确性,且应尽量避免长时间用较大电流对传感器供电.在此基础上,研制了基于ICP传感器的冲击波超压测试系统.