基于应变传递理论的光纤传感器优化设计

联系传感器应用的作用机理,根据变形传递方式的不同,对工程中常用的光纤传感器进行了系统的归类分析。基于应变传递理论建立了应变传递系数与测量允许误差的关系,并以此为优化控制方程得到了满足工程测试精度要求的传感器最佳取值,给出了各类传感器具体的优化设计方法及优先设计指标。研究结果表明:基于应变传递理论的优化设计方法较适用于依靠界面剪应力传递变形的光纤传感器,其优先设计指标依次为粘贴(感知)长度、层间粘结强度、保护层弹性模量和半径、粘贴层厚度;端部扩径型传感器的优化设计则因其应变传递系数能较准确和便利地通过标定试验获取而不依赖应变传递理论,且无明显的优先设计指标。本文充分考虑了传感器工程应用的实际状态,以测试准确性为核心,从力学作用机理角度对传感器进行了较全面和系统的分析,其研究结果可以用于指导工程化光纤传感器的应用设计和标定测试。     

基于正交的声表面波应变传感器的温度应变解耦方法

针对应变测量的温度干扰问题,文中设计了2个声表面波应变传感器,2个传感器的频率分别为240.856 MHz和239.22 MHz。2个传感器粘贴在悬臂梁上靠近固定端的2个位置,一个沿着声表面的传播方向与应变方向一致的方向粘贴,另一个沿着传播方向与应变垂直的方向粘贴。然后对传感器的温度应变响应进行测试,测得了传感器芯片在25～200℃下的频率响应。结果表明一个谐振器的共振频率随着应变的增加而减小,频率与应变为线性关系,室温下灵敏度为192.5 Hz/με。另一个谐振器的共振频率随着应变的增加而增加,频率与应变为线性关系,室温下灵敏度为128.7 Hz/με。然后提取出不同温度下的应变灵敏度,2个传感器的灵敏度随着温度的变化,先增加后减小。然后将2个传感器频率做差,通过计算实现了应变精确值的提取。     

表面粘贴式MEMS应变传感器的应变传递分析

表面粘贴式MEMS应变传感器已被广泛运用于航空航天、汽车工业及土木工程等领域的应变测量和监测中。但由于粘接层的影响,结构的应变并不能全部准确、有效地传递到MEMS应变传感器上,造成传感器的测量值与结构的真实应变之间存在一定误差。为了分析表面粘贴式MEMS应变传感器的应变传递机理,基于剪滞理论建立了MEMS应变传感器的力学分析模型,推导出基体和MEMS应变传感器基底上的应变分布、粘接层中的剪力分布及表征MEMS应变传感器应变传递效果的应变传递率,并与有限元数值模拟结果进行了比较。特别地,具体分析了粘接层及MEMS应变传感器基底的几何参数和物理特性参数对应变传递率的影响。结果表明,金属类粘接材料的应变传递率明显高于有机胶的应变传递率,且粘接层厚度越薄,应变传递效果越好。此外,在制造MEMS应变传感器时,采用厚度较薄的Si或Si C基底能保证较高的应变传递率。     

小型微力传感器的研制

微力传感器设计包括传感器的结构设计和外围电路设计。在对材料、结构形式综合分析的基础上设计了 35CrMnSiA的环形弹性元件,35CrMnSiA材料常用于高精度传感器,应变较大,可达1．0×10-3-1．5×10-3环形弹性元件具有结构简单、稳定、自振频率高和灵敏度高的特点。通过Abacus有限元软件进行分析优化,确定了应变片的粘贴部位,且在最大力作用下,传感器仍满足应变、应力校正。对35CrMnSiA块料进行淬火热处理和中温回火,采用线切割方法加工成形。外围电路设计包括零位调整、温度补偿以及放大功能的电路设计,它保证传感器具有高精度。在静态工作状况下,通过试验的方法对传感器加以标定,最终传感器的主要静态特性值为:迟滞0．64％、重复性0．45％以及线性度0．55％,传感器达到精密级水平,满足设计要求。     

贴片式光纤Bragg光栅应变传感器

为解决因光纤的圆柱型结构所带来的粘贴问题，引入了粘贴式光纤Bragg光栅应变传感器。该传感器被粘贴于可通过加载载荷的方式产生应变的等强度悬臂梁的表面，并用光谱仪获得了光纤Bragg光栅的反射谱。实验表明Bragg波长对荷载产生的波长偏移分别为0.901nm／μm和-0．902nm／μm．计算表明：Bragg波长偏移量的最大标准误差为0．003nm．结果表明该传感器可满足建筑工程结构检测中对测量精度要求。     

粘贴于薄板表面的光纤布拉格光栅应变传感器误差修正

考虑现有光纤布拉格光栅(FBG)传感器的应变传递理论均未考虑传感器对基体应变的影响,本文针对FBG传感器粘贴于薄板的情况研究了薄板的应变传递理论。由于光纤应变与薄板应变并不相等,故研究了光纤应变与薄板应变之间的关系以提高FBG传感器的测量精度。建立了粘贴于薄板表面的FBG传感器应变传递理论,分析了FBG传感器与薄板之间的相互作用;利用有限元法(FEM)和实验法验证了理论的正确性。最后,分析了薄板参数对应变传递率的影响。结果显示:FEM解与理论解的误差在4%以内,实验值和理论解误差在5%以内,应变传递率随着薄板厚度和弹性模量的增加而逐渐增大。该理论模型完全满足FBG传感器精度要求,对其实际应用具有一定的指导意义。     

灵敏度系数可调布拉格光栅应变传感器的设计

针对裸光纤布拉格光栅应变监测量程或精度有限的问题,提出了一种灵敏度系数可调光纤布拉格光栅应变传感器的设计方法。理论和实验研究了该方法在增大光纤布拉格光栅应变监测量程或提高精度方面的性能,并以此研制了基片表面粘贴式和FRP封装式两种封装结构的灵敏度系数可调应变传感器。理论分析并实验标定了传感器的灵敏度系数。最后,对传感器理论和实验灵敏度系数误差进行了分析,指出了改进的方向。实验结果表明:两种封装结构的大量程传感器的量程分别增加了243%和126%,高精度传感器的精度提高至0.51με和0.52με。传感器标定实验表明,两种封装结构的传感器都有很好的线性度和重复性,相关系数达到0.999以上。     

基于ANSYS扭矩传感器的敏感元件设计

在应变式扭矩传感器的设计中,敏感元件的设计是最重要的部分。敏感元件的设计过程主要包括了选择敏感元件材料、设计敏感元件结构以及选取应变片黏贴位置等几个步骤。首先,根据实际情况选择了性能较好的弹簧钢作为敏感元件的材料。然后,运用ANSYS软件分析结构的应力应变,根据实际的应力应变情况将应变片的位置选在了弹性梁的应力值比较大并且适合粘贴应变片的地方。经研究分析,该设计适合采用直角应变花测量。最后,试验结果数据表明了设计的可靠性。     

FBG式隔水管应变传感器的力学响应特性分析

针对深海隔水管应力监测所设计的光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器系统,采用基于有限元方法的软件对传感器在不同载荷模式下的力学响应特性进行了分析,得到了该传感器的应变传递系数。并以仿真结果为依据,对隔水管所受最大应力和弯矩的公式进行了修正。为了获得合适的传感器应变传递系数,通过改变相应参数建立计算了不同的仿真模型,由此分析了弹性元件和固定钢管的弹性模量、长度和外径对它的影响。结果表明:弹性元件长度为调节传感器应变传递系数的最佳参数。     

基于LC的无线无源应变传感器的制备与测试北大核心CSCD

针对恶劣环境下检测装备应变的需求,设计了一种无线无源的应变传感器,此传感器采用电感电容分离的结构,可以有效延长使用寿命,减少电磁干扰。通过高频结构模拟器(HFSS)仿真对传感器电场进行仿真,验证了其可行性。采用电镀技术制备了传感器,搭建应变测试平台对其进行测试,测试结果表明,该传感器可以检测0~2 500με范围内的应变,传感器谐振频率随应变的增大规律性地向右偏移,应变灵敏度为7.6 Hz/με。由测试结果可知,该无线无源应变传感器可以稳定地进行应变监测且测试结果可靠。     

一种无线式六维力传感器的研制

针对旋翼系统在旋转状态下的多个维度的力和力矩信息采集的应用背景,设计了一种带有数据无线发送功能的六维力传感器.建立了传感器弹性体的有限元分析模型,确定了应变片的粘贴位置.通过合理的组桥电路设计,将六个维度的力和力矩以电压信号的方式反馈出来,并设计了相应的信号处理电路使其满足A/D采集模块的范围电压.最后将整个硬件电路以...     

电阻应变片在侧面碰撞中车门开启过程监控的应用研究

在侧面碰撞试验中,车辆门锁系统的运动状态因监控位置特殊,目前只能通过高速摄像观察、加速度传感器曲线以及试验后变形结果判断,无法定量分析门锁开启原因。为解决上述问题,对电阻应变片传感器在门锁开启监控上的应用进行研究,利用电阻应变片传感器采集及安装便利性,将应变片与门锁机构运动结合,并运用最小二乘法线性拟合得到了门锁锁体摆臂在水平线上的相对运动位移。试验结果表明,利用电阻应变片在试验过程中能有效监控门锁开启最大运动位移及相对应时刻,可为车辆门锁系统问题研究提供参考。     

立式加工中心主轴静刚度测试的新方法

介绍了一种立式加工中心主轴静刚度测试的新方法及进行的试验研究。以立式加工中心XH7132为研究对象,采用应变式力传感器作为测力装置,并用最小二乘法对其进行标定,用标定后的应变式力传感器、电阻应变仪、电感测微仪对主轴静刚度进行测试,得出主轴的静刚度值。     

新型桥式起重机轨距偏差自动测量系统设计

针对大跨度长轨距桥式起重机,设计出一种新型轨距测量系统。该系统利用准直长距激光传感器和精密微距激光传感器检测相对轨距和定位,经过单片机控制和计算能够自动检测轨道相对偏差,对超差点准确定位。详细介绍了信号处理电路的设计,使系统测量精度可达0.07 mm,与原有检测方法相比,其检测效率提高约50%。     

称重传感器电路补偿机理及补偿电阻计算

本文介绍了应变式称重传感器电路补偿与调整中的零点温度补偿、零点输出调整、线性补偿、灵敏度温度补偿机理及影响因素,以理论分析为依据,分别推算出零点温度补偿电阻Rt、零点输出调整电阻Rz、线性补偿电阻RL、灵敏度温度补偿电阻RMt的理论与经验计算公式。并简要介绍了这几项电路补偿与调整工艺要点,分析了在生产实践中应用这些补偿电阻计算公式应注意的问题。     

直升机传动系统的应变试验分析

本文首先从应变计工作原理、全桥测量电路、应变计的粘贴等方面介绍了应变测试技术。其次阐述了应变数据的标定方法,然后通过主旋翼轴的应变试验结果验证了应变测试技术在直升机传动系统上的可行性。     

应变测试系统的设计

针对某高动态响应的转矩传感器应用,给出了一种实用的惠斯登电桥测试电路.采用具有自动稳零功能的AD8230仪表放大器进行初级放大,有效解决了传统仪表放大器失调电压较大带来的零值附近信号淹没问题.系统采用电流环传输信息,很好地抑制了干扰,大大提高了系统动态性能.试验结果表明:该系统电路设计合理,可靠性高、精度高、温漂小、动态响应快、抗干扰能力强,对其他应变测试系统的电路设计具有借鉴意义.     

提高应变式传感器性能的几种方法

利用差动思想、交流桥路，采用移相器和相敏检波电路改变交流激励源频率、采用恒流源供电等方法提高应变式传感器的综合性能，重点阐述在提高线性度、灵敏度和减小温度误差方面的作用。     

面向运动力学测量的无线六维力传感器

针对目前六维力传感器普遍存在的体积偏大、操作繁琐、应用场景复杂的问题,设计了一种基于电阻应变原理的小型化无线六维力传感器。首先,基于十字横梁结构设计传感器的弹性体,并通过ANSYS软件进行结构静力学分析,确定了传感器的最优结构尺寸;其次,基于传感器小型化和无线传输的设计要求,设计了传感器的内部硬件电路,包括四等臂全桥电路、两级放大电路以及数据采集与传输电路,有效减小了传感器的体积,增强了灵活性;最后,设计并优化了静态标定方法及静态解耦算法,降低了传感器的维间耦合干扰,提高了测量精度。实验结果表明,该传感器室内无线传输距离达到8 m,传输速率满足中低频力信号测量,Ⅰ类与Ⅱ类误差均满足在高精度要求场合的使用。     

一种恒流源电路的巧妙设计

本文主要介绍了在温度巡检仪系统中恒流源电路的巧妙设计，系统采用恒流源电路作为信号的获取电路，恒流源电路是采用价格低廉的器件通过比较巧妙的设计构成的，恒流效果十分理想。同时也介绍了温度传感器在现场的安装技术。