微型机器人位置检测传感器阵列

提出了一种基于电磁能量场驱动的新型机器人足球平台,针对该系统中机器人及球体需要实时位置检测的问题,研制了三种传感器阵列.它们是基于悬臂梁结构的微磁性开关阵列、MOS霍尔传感器阵列,以及涡流电感式传感器阵列.这三种传感器均可通过扫描查询方式对平面上的机器人位置进行实时检测.本文介绍它们的构造、工作原理及制造工艺,并给出部分实验结果.     

铝合金结构疲劳裂纹监测研究

针对航空器金属结构裂纹扩展监测的特点和需要,文中提出了一种基于柔性平面的非对称涡流阵列传感器,构建了其半解析正向模型,优化了传感器工作频率、提离距离等参数。然后搭建了基于涡流阵列传感器的结构裂纹在线监测系统,开展了2A-12铝合金裂纹扩展监测实验。模型仿真结果表明:非对称涡流阵列传感器存在最优工作频率,随着提离距离的增加最优工作频率值减小。实验结果表明非对称涡流阵列传感器实现了对2A-12铝合金半孔板试样的实时裂纹监测,监测精度达到了1 mm。     

基于模块组合式阵列的三维漏磁检测系统

为了研究阵列传感器在试件上大面积扫查检测的问题,研制了一种基于模块组合式AMR磁阻传感器阵列的三维弱磁信号检测系统。检测系统由结构相同的标准模块组成,每个模块可同时采集X、Y、Z三个方向的磁信号。对含预制裂纹的16MnR钢平板试件进行检测实验,并采集试件表面的磁信号。结果表明:可重配置式三维阵列探头对表面裂纹具有较高的灵敏度,并对亚表面裂纹具有一定的辨识能力;三维阵列探头可有效扩大检测范围,并通过对磁阵列信号成像可得到裂纹的形状及所处的位置信息。     

同心环状薄膜传感器阵列及其飞机金属结构裂纹监测研究

飞机金属部件在服役过程中的疲劳损伤严重威胁飞行安全。针对飞机金属结构疲劳裂纹实时监测需求,提出一种与结构基体一体化集成的同心环状薄膜传感器阵列及其裂纹监测方案。对同心环状薄膜传感器阵列进行了设计与优化。应用表面处理技术对基体表面进行绝缘处理,应用脉冲偏压电弧离子镀技术制备同心环状薄膜传感器阵列。应用同心环状薄膜传感器阵列开展结构模拟件疲劳损伤监测试验。监测试验结果表明：薄膜传感器对裂纹非常敏感;当结构起裂或裂纹前缘扩展至薄膜传感器监测区域时,相应薄膜传感器的监测电压信号快速增加;当裂纹扩展穿越监测区域时,相应薄膜传感器的监测信号阶跃上升,监测通道失效;将薄膜传感器监测数据变化特征作为结构起裂、裂纹前缘扩展至相应监测区域以及扩展出监测区域的判断标准,同心环状薄膜传感器阵列可以实现疲劳裂纹的定量监测,监测精度为1 mm;根据内侧薄膜传感器监测数据变化,还可以定性分析结构疲劳累积损伤程度。     

不锈钢基压电厚膜微悬臂梁传感器的制作与测试

制备了不锈钢基底压电厚膜微悬臂梁传感器。利用精密激光加工技术制备了厚度为100μm的不锈钢微悬臂梁基底,由于不锈钢具有良好的导电性,可以作微悬臂梁传感器的下电极,采用模板辅助电雾化沉积技术在不锈钢微悬臂梁基底上制备了厚度为20μm的致密PZT厚膜,利用磁控溅射技术制备了30/200 nm厚的Ti/Pt上电极,最终形成了压电厚膜微悬臂梁传感器。多普勒激光测振实验表明,在20 V的激励电压下,压电厚膜微悬臂梁谐振频率为19 kHz。     

105g压阻效应阵列式加速度微传感器硅悬臂梁结构分析

在已有10^5g压阻效应阵列式加速度微传感器版图设计的基础上,应用有限元理论及相关软件,对版图中的硅微悬臂梁进行了模态分析和结构动态计算。将宏观理论应用到微观结构分析中;并对该种结构的加速度传感器的样品进行了冲击实验,得到实验曲线。对计算分析与实验结果进行了比较,指出并分析了误差可能出现的方面。     

利用小波变换的双裂纹悬臂梁参数识别实验研究

将小波变换直接用于含裂纹悬臂梁的不同模态,利用小波系数在空间域上的突变指示裂纹位置,通过定义集中因子标定裂纹深度。并分析和讨论了悬臂梁前四阶模态对损伤的敏感性。通过本文的实验研究,检验了sym4小波在工程应用中的适用性,并指出二阶模态是较为敏感的损伤信息,有助于提高缺陷识别的精度和可靠性。     

裂纹悬臂梁的扭转弹簧模型及其实验验证

将含裂纹悬臂梁转化为由扭转弹簧联接两段弹性梁构成的连接体,得到理论计算含裂纹梁振动频率的特征方程。确立了求解裂纹梁固有频率的数值计算流程．计算得到了裂纹深度和位置变化时裂纹悬臂梁振动固有频率的变化规律。进行了裂纹悬臂梁的弯曲振动台架实验,验证了本文提出的扭转弹簧模型及固有频率数值计算方法的有效性。     

悬臂梁式环形谐振腔微压传感器的研究

针对传统微压传感器灵敏度低、体积大的问题,提出了一种新型悬臂梁式环形谐振腔微压传感器。首先理论分析了悬臂梁式环形谐振腔微压传感器的工作原理,然后对悬臂梁结构进行了建模仿真,同时也确定了悬臂梁和环形谐振腔的最佳结构参数,最后利用MEMS工艺在SOI材料上制备了该新型传感器。利用光学耦合测试平台,对所加工的环形谐振腔进行性能测试,实验测得环形谐振腔的Q值为7.75×10~4,传感器的灵敏度为31 pm/k Pa,可以满足微压传感器高灵敏度的要求。     

基于ACFM的隔水管表面裂纹链式阵列检测探头设计与试验研究

隔水管是海洋钻井的关键设备,由于经受复杂交变应力和腐蚀环境,隔水管很容易产生应力腐蚀裂纹。针对海洋钻井隔水管应力腐蚀裂纹的特点,提出一种基于交流电磁场检测(Alternating current field measurement,ACFM)的链式阵列检测探头,建立针对隔水管表面裂纹的ACFM仿真模型,提取裂纹特征信号并分析U形载流磁心激励区域和裂纹区磁场影响范围,为阵列探头设计提供理论支持,在此基础上利用巨磁电阻(Giant magneto resistance,GMR)传感器设计基于ACFM的隔水管表面裂纹链式阵列探头检测系统,并开展隔水管裂纹检测试验。仿真和试验结果表明:单个U形磁心的激励区域为+/-40 mm,阵列激励磁心的设计间距应不大于80 mm;裂纹上方畸变磁场影响区域为+/-5 mm,传感器排布间距应不大于10 mm;利用GMR传感器设计的链式阵列ACFM探头可快速大面积定量、定位检测隔水管表面裂纹。     

宽基载重子午线轮胎成型模拟及工艺改进

参照三鼓式一次成型法的制造工艺,用ABAQUS软件仿真了445/65R22.5 RLB900型宽基子午线轮胎的成型过程,通过将成品胎的材料分布仿真图与实测图的对比,说明了仿真方法的合理性。通过仿真分析,获得了在成型过程中不同部件的胶料流动情况,通过分析无花纹和有花纹的轮胎成型过程,提出帘线力梯度作为评价成型质量的标准。为了消除胎冠区域胶料凸起的异常现象,提出了减薄胎面外侧胶料厚度和改变半成品胎超定型位置的方法,结果表明:减薄胎面外侧胶料厚度和增加超定型位置使胶料流动更均匀,能够解决胎冠胶料凸起的问题。研究结果可以为优化轮胎施工设计和提升成型质量提供指导。     

深水监测用光纤光栅内封式悬臂梁力传感器

针对深水恶劣环境中对耐压性和抗海水腐蚀能力的需求,提出一种新型的可用于深水力载荷监测、具有悬臂梁结构的光纤传感器。该传感器将光纤布拉格光栅封装于悬臂梁元件内部,利用悬臂梁材料的抗压和抗海水腐蚀能力对光纤形成保护,既保持了此类传感器结构简单、力学性能优异的特点,又具备了耐压抗腐蚀能力。实验研究表明:该传感器能在30 MPa(3 000 m水深)的水压环境中正常工作,水压灵敏度为-3.79 pm/MPa,力载荷灵敏度为2.79 pm/N,温度灵敏度为30.93 pm/℃。传感器对温度和水压环境因素的响应线性良好,相关系数均在0.99以上,便于补偿。此外,通过对照仿真计算与实验结果,分析了封装工艺和实验条件对传感器误差的影响。     

基于柔性传感器阵列的边界层分离位置测定实验研究

结合边界层分离点附近的剪应力变化规律，提出针对在飞行器外表面贴附微型传感器的分离点检测方法，给出了相应微型剪应力传感器阵列的设计方案。研制了在柔性聚酰亚胺衬底集成微型热敏传感器的柔性传感器阵列，解决了柔性传感器阵列对微细加工工艺要求较高的难题。在低速风洞实验中对传感器阵列的性能和传感器阵列输出信号的处理判断方式进行了验证，实验结果分析表明，研制的微型热敏传感器阵列能够实现对流体边界层分离位置的在线测量。     

基于等强度悬臂梁的光纤Bragg光栅低频加速度传感器

由于粘贴于等强度悬臂梁的光纤Bragg光栅受振动质量块驱动而产生应变,一种光纤Bragg光栅低频加速度传感器被研制和定义为基座运动引起的单自由度系统的受迫振动模型。模型计算表明该加速度传感器的固有频率fn为16.96 Hz.固定于激振器的光栅加速度传感器受正弦激励。加入硅油后,光栅加速度传感器的频响范围从原来的3~11Hz增大为3~22 Hz.试验结果表明:当激励振动频率接近系统固有振动频率时,阻尼系统决定了传感器的工作范围。然而,由于悬臂梁的粗端固定在基座上,传感器的频响受限于悬臂梁的固有频率。     

基于PVDF的微力传感器设计

目前微装配领域还没有可靠的亚微牛(sub-μN)分辨率的传感器。针对这一实际难题,设计了一个基于PVDF的微力传感器,使其能够提供高精度、高可靠性的微小力测量。首先基于压电效应和材料力学中悬臂梁结构,设计了PVDF传感器悬臂梁模型。其次由于PVDF产生的电荷很少且为sub-pc量级,设计了一个信号调理电路把电荷量转换为电压量。最后在New Focus公司生产的3D智能运动平台上进行实验,实验结果表明,所设计的PVDF传感器分辨力可以达到在sub-μN范围,从而为自动化生产过程中的批量制造和微装配中微接触力的反馈控制提供了理论上的解决方法。     

轨道车辆扇形压电阵列式俘能器宽频响应设计

为提高轨道车辆振动可再生能源利用效率，提出了一种压电梁阵列设计方案。首先，基于欧拉-伯努利理论建立扇形双晶悬臂梁阵列的分布参数机电模型，对其机电耦合特性进行分析；其次，针对上海地铁列车采集的轴箱振动信号，采用ANSYS软件进行有限元分析，提出一种具有12个梁单元的多维圆盘阵列采集系统；最后，搭建振动测试平台进行了实验。结果表明，可以采取机械调谐策略调整压电阵列的设计参数，在20.95,40.45和204.19 Hz这3个振源频率处产生工作频率点，从而与轴箱振动环境实现宽频匹配，结构的前12阶低频谐振宽度达到35.68 Hz。提出的扇形压电阵列式俘能器的宽频响应及输出性能良好，可以根据所需轨道车辆环境振动特性进行匹配，提高智能监测用小型无源传感器的输出性能。     

绝对式科赫分形平面涡流传感器裂纹检测性能研究

针对传统涡流传感器会忽略特殊方向短裂纹的缺点,提出了一种绝对式科赫分形平面涡流传感器,其激励线圈和信号拾取线圈均采用基于分形自相似理论的科赫雪花曲线。首先,对具有相同尺寸的科赫和圆形传感器进行有限元分析。然后,针对不同长度、方向、宽度和深度的裂纹,对比分析两种传感器响应信号的差异。最后,搭建实验系统对有限元分析结果进行验证。研究结果表明,对于不同长度、方向和宽度裂纹的探测,有限元分析结果与实验结果定性一致;在3和5 mm长的裂纹检测中,科赫传感器输出信号变化量比圆形传感器至少高出40%;在不同方向裂纹检测中,对于难检测方向的90°裂纹,科赫传感器比圆形传感器至少高出49%;在不同宽度裂纹检测中,科赫传感器的信号变化量比圆形传感器至少高出29%;在不同深度裂纹检测中,科赫传感器比圆形传感器至少高出6%;相对圆形传感器,科赫传感器对短裂纹探测的优势更加显著。该研究结果对平面柔性涡流传感器电磁感应结构的设计具有重要的参考意义。     

基于无线声阵列传感器网络的实时多目标跟踪平台设计及实验

介绍了一套自主开发和实现的无线声阵列传感器网络多目标跟踪平台.在相关的多目标跟踪技术的基础上,结合无线声阵列传感器网络的特点,对系统平台的工作流程进行了整体设计并实现了相关算法模块,并在该平台下进行了多目标跟踪实验.实验中利用随机部署在实验区域中的多个声阵列传感器实现了对多个目标实时跟踪,同时还根据实验数据的分析建立了多目标下声阵列传感器的量测模型,并展示了平台下多目标跟踪实验的总体效果及各支撑模块的性能分析.实验表明该平台的设计达到预期要求,是无线声阵列传感器网络在多目标跟踪领域的前沿研究和实践.     

涡流阵列检测裂纹特征提取方法的研究

涡流阵列检测是一种可以对大面积平板和复杂形状关键件实施快速、有效检测的电磁无损检测技术.在简要阐述涡流阵列检测技术原理的基础上,设计制作了涡流阵列检测平台和涡流阵列传感器.基于涡流阵列6种激励检测模式,提出了裂纹长度和深度定量检测的方法.研究结果表明:裂纹长度可通过小波变换提取锁定放大输出幅值波形的特征点如波峰、波谷、拐点等的位置准确计算,裂纹深度可通过弹性BP神经网络对输出幅值波形波峰峰值的训练来较为准确地估计.     

基于双轴 TMR 电磁传感器的裂纹检测方法研究

针对单一激励交流电磁探头检测任意方向裂纹容易出现漏检问题,设计了用于检测奥氏体不锈钢表面斜裂纹的新型双激励传感器,建立了奥氏体不锈钢表面裂纹交流电磁场检测仿真模型,开发了基于新型双激励传感器和高分辨率隧道效应磁阻传感器的金属平板表面裂纹检测系统。基于理论模型和试验系统研究了试件上裂纹走向和裂纹宽度对传感器拾取到磁场分量幅值的影响规律,研究了裂纹检测与方向判定方法。仿真和实验结果表明,利用磁场分量B_x、B_y畸变特征能够以相同的灵敏度检测出试件表面尺寸为15 mm×0.2 mm、深度大于3 mm的微小裂纹,并实现裂纹方向判定。引入宽度补偿参数后减小了横向、纵向裂纹判定误差,判定误差最大为3.9°。