静电传感器灵敏场有限元仿真研究

静电传感器灵敏场分布不均匀，致使传感器的输出受流型影响，导致较大的测量误差。本文基于点电荷思想建立了圆环状静电传感器的三维静电场数学模型，并应用有限元法进行了数值求解。系统地分析了圆环状静电传感器结构参数（电极的长度、绝缘管段的厚度、屏蔽罩的长度以及半径等），材料特性以及场域介质分布对静电传感器灵敏场分布特性的影响。旨在为实现静电传感器灵敏场的均匀分布和结构优化提供理论依据。     

阵列式静电-电容传感器灵敏度特性研究

结合静电和电容传感技术各自的特点,提出了阵列式静电-电容传感器用于气固两相流中固相颗粒的局部速度、局部浓度以及局部流量测量。利用静电极片阵列与电容极片阵列获取管道内颗粒的速度分布与浓度分布,进而计算出颗粒的局部流量。该阵列式传感器参数测量的准确性直接取决于它的空间灵敏度分布特性。对静电极片阵列和电容极片阵列的灵敏度特性进行了研究。首先,建立了静电极片阵列的三维静电场模型,通过有限元法分析静电极片阵列的结构参数(电极长度、电极覆盖角等)对传感器灵敏度特性的影响;然后根据电磁场理论建立电容极片阵列的数学模型,并对其进行数值计算,研究管道厚度、管道介电常数、电极覆盖角等参数对传感器灵敏度特性的影响;最后搭建了传动带装置进行了实验研究,实验结果证实了模拟结果的准确性,为阵列式静电-电容传感器的优化设计提供理论依据。     

阵列式静电传感器结构设计与优化研究

气固两相流广泛存在于自然界和工业生产过程中,利用阵列式静电传感器感应成像系统可以对两相流的流型、截面分布等信息进行可视化监测,进而得到其流动特性、运输效率、安全状况等情况,对于两相流体的理论研究以及相关生产过程的安全化、高效化和实时控制等具有重要意义。本文提出了一种新型的阵列式静电传感器结构,通过有限元方法分析静电传感器敏感场特性,进而验证传感器的结构参数对测量结果的影响;建立了两相流流动的仿真模型,通过对比传感器不同结构参数下的敏感特性,对相关参数进行优化,对提高静电成像系统的成像精度与准确度具有重要意义。     

网状静电传感器弯管处颗粒速度与浓度的测量

为了对气力输送管道进行实时监控,并且提高炉膛内的燃烧效率,需要对气力输送管道中颗粒的速度与浓度分布进行测量。采用一种网状结构的静电传感器测量气力输送管道弯管处的颗粒速度与浓度分布。为了研究传感器的特性,首先建立了网状静电传感器的有限元模型。根据有限元仿真结果,优化网状静电传感器的设计,使其拥有更高更均匀的灵敏度分布,在实验室规模颗粒流实验平台上进行了实验研究。通过对上下游平面对应位置网状电极所得静电信号进行互相关运算,可以估测颗粒的轴向速度分布;通过对同一平面网状电极静电信号的均方根值进行重建,可以得到固体颗粒的相对浓度分布。实验研究表明,该网状静电传感器可以用来测量气力输送管道弯管处颗粒速度与浓度分布。     

基于灵敏度分析的静电传感器优化设计

对用于金属接触损伤监测的静电传感器进行了优化设计研究.利用高斯定律建立了传感器静电感应的解析模型,利用有限元分析方法获得了静电传感器的灵敏度空间分布规律.并在此基础上.,针对不同的设计参数进行了有限元仿真分析,得出设计参数(感应面半径、屏蔽罩厚度、屏蔽罩内径、绝缘体介电常数、感应面内缩长度)对灵敏度空间分布的影响,并在试验台上验证了不同设计参数对接触损伤静电信号的影响,为传感器优化设计提供了依据.     

航空发动机进气道静电传感器空间模型解析及感应信号影响因素实验分析

对进气道静电传感器的在航空发动机状态监测中的重要应用进行介绍并详细分析了静电监测原理,详细描述外来物静电感应的空间物理模型。根据进气道环状静电传感器的特性和空间物理模型构造出进气道静电传感器的空间感应数学模型,并利用数学推演的方法进行模型解析,得到了传感器输出信号的数学表达式;利用所获得的数学方程对进气道静电传感器静电感应信号的主影响因素逐条分析并讨论,然后以除传感器物理参数外的3个主要影响因素作为实验研究的变量,通过静电测试台架及用于进气道模拟的静电传感器完成了一系列验证实验,得到了实验数据并进行处理,根据数据处理结果详细讨论了主要影响因素与静电输出信号的关系。实验结果表明:油滴穿过速度、油滴荷电量、油滴径向位置都会对输出信号产生影响。     

进气道静电传感器空间模型解析及感应信号影响因素实验分析

对进气道静电传感器的在航空发动机状态监测中的重要应用进行介绍并详细分析了静电监测原理，详细描述外来物静电感应的空间物理模型。根据进气道环状静电传感器的特性和空间物理模型构造出进气道静电传感器的空间感应数学模型，并利用数学推演的方法进行模型解析，得到了传感器输出信号的数学表达式；利用所获得的数学方程对进气道静电传感器静电感应信号的主影响因素逐条分析并讨论，然后以除传感器物理参数外的3个主要影响因素作为实验研究的变量，通过静电测试台架及用于进气道模拟的静电传感器完成了一系列验证实验，得到了实验数据并进行处理，根据数据处理结果详细讨论了主要影响因素与静电输出信号的关系。实验结果表明：油滴穿过速度、油滴荷电量、油滴径向位置都会对输出信号产生影响。     

基于ANSYS的润滑油路静电传感器建模与仿真特性分析北大核心CSCD

静电传感器的感应与监测性能与其特性参数相关,利用理论方法进行数学建模与计算是一种较有效的方法,但模型构建的难度较大。因此,采用基于有限元的建模和仿真研究方法,该方法可以对润滑油路静电传感器结构材质进行设定且无须通过复杂的理论公式推导。仿真结果表明:空间灵敏度在探极感应面中心区域内变化较明显;传感器效率随探极长度与直径比值增大而增大。仿真结果与理论模型计算结果变化趋势相一致,且更精确直观,对后续使用有限元方法研究结构更复杂的静电传感器的性能提供参考。     

基于PZT的新型柔性梳状表面波传感器研究

针对厚壁管道表面缺陷检测,研究了一种基于PZT的柔性梳状表面波传感器。首先,采用有限元仿真的方法对钢板和厚壁管道上等间距梳状表面波传感器的阵元间距、阵元宽度、阵元个数、阵元长度进行了优化,以及阵元个数和阵元长度对传感器指向性的影响进行了研究,并通过优化选取背衬材料、设计背衬厚度,改善了表面波信号的拖尾现象;其次,根据仿真结果研制了新型柔性梳状表面波传感器,并进行了性能测试实验,实验结果与仿真结果吻合较好。通过仿真优化,得到当传感器阵元间距为λ_R(λ_R为相应表面波波长),阵元宽度为λ_R/2,阵元个数为5时,传感器表面波信号拖尾较小,能量较为集中。实验表明,根据仿真参数研制的梳状表面波传感器具有良好的指向性,并且能够实现厚壁管道表面缺陷的检测。     

发动机气路环形静电传感器的传感性能研究

对航空发动机进气道静电监测原理进行分析,定义进气道环形静电传感器的空间灵敏度并建立环形探极的物理感应模型。针对出空间灵敏度难以度量的问题,利用ANSYS有限元分析工具对实验用进气道静电传感器感应情况进行仿真,进一步通过仿真数据分析环状静电传感器空间灵敏度的影响参数,并利用曲线拟合方法得到环状静电传感器空间灵敏度的分布函数。基于空间灵敏度分布函数和仿真数据对进气道静电传感器频率响应特性函数进行分析;利用静电传感器测试台架完成对比速度及空间位置对比实验,实验结果符合环状静电传感器的传感性能仿真分析的数据特性。     

航空发动机尾气静电监测及其信号特性分析

对尾气静电传感器在航空发动机气路状态监测中的发展和应用进行分析,描述了尾气静电监测原理和尾气静电传感器物理模型;在此基础上建立了其空间感应数学模型,得出感应信号输出的数学表达式并分析静电传感器输出信号的影响因素;搭建了该静电传感器的性能测试台架,以输出信号的主要影响因子作为实验中的自变量,进行了3组参数对比实验,根据实验量化结果分析完成了对所获得数学表达式的验证。实验结果表明,粒子运动速度、带电量、相对运动位置是影响静电感应信号输出的主要因素。     

静电传感器在油液在线监测系统中的应用

将静电传感器技术运用到油液在线监测系统中去,对机械设备的磨损情况进行分析;研究了油液磨粒荷电机制,以及磨粒荷电量的影响因素;提出了一种改进的静电传感器测量模型,利用大型有限元分析软件ANSYS,对影响静电传感器性能的主要因素进行了仿真分析,并对传感器的结构进行了优化设计;研究了磨粒浓度与传感器测量电压之间的关系,运用静电传感器在线监测机械设备润滑油中磨损颗粒的荷电情况,得到设备磨损的监测结果,验证了静电监测方法的有效性。     

基于协方差矩阵遗传算法的飞行器结构健康监控传感器优化配置

利用协方差矩阵改进后的遗传算法研究了飞行器结构健康监控中传感器的优化配置问题。该方法通过历史损伤记录或实验记录对目标结构的损伤概率分布进行量化假设,并结合以协方差矩阵改进后的遗传算法,在传感器位置优化研究中加以考虑,使优化配置后的传感器阵列能够针对目标结构的损伤高发区域进行重点监控。通过与正六边形网格覆盖布局方法在不同传感器数量条件下优化结果的对比分析,证明了该方法的优越性,并对传感器的数量优化问题进行了初步讨论。     

飞行吸附机器人的静电吸附单元优化设计研究

静电吸附作为一种新型吸附原理,具有低噪声、低功耗等优势,在三维空间移动机器人如爬壁机器人、飞行吸附机器人中潜在应用价值显著。实验对比研究了不同电极类型、不同填充绝缘材料及厚度等对于吸附力性能的影响规律,优化选择了梳状电极类型和PVC填充绝缘材料。理论分析和实验研究了电极几何结构对于吸附力的影响规律,针对影响梳状电极吸附力的关键因素,分别进行了比较,以确定最优的几何结构。对设计的静电吸附板分别在不同壁面下开展了吸附力性能测试,验证了静电吸附优化设计的有效性以及在飞行吸附等机器人应用上的可行性。     

船用光纤光栅应变传感器开发与应用研究

为了保证船舶结构健康监测系统中应变量值的准确可靠,设计并开发了一种可校准的船用光纤光栅应变传感器。该应变传感器结构经过优化具有较高的精度,且具有可反复安装使用和可校准的特点。设计了光纤光栅应变传感器专用校准装置,其量值可溯源至国家长度基准。通过加载实验验证了该应变传感器的性能,实验结果表明该应变传感器的最大非线性误差为3.4με,重复性为3.1με,证明了该传感器具有良好的测量精度。在此基础上,设计船体结构模型,对传感器进行了静态加载实验,传感器测量数据与理论计算结果符合较好,在实验水池中通过模拟实际风浪环境进行了波浪载荷测试,结果表明研制的船用光纤光栅应变传感器具有较好的可靠性。所研究为工作为船舶结构在线健康监测中的应变测量技术的研究与应用提供了有效的技术手段。     

变工况下滚动轴承故障注入静电监测方法研究

采用静电监测方法研究变工况下滚动轴承不同故障注入程度对应静电信号特征.将自主研发的磨损区域静电传感器(WSS)搭载滚动轴承实验平台,利用电火花加工技术(EDM)对实验轴承进行不同程度和位置故障注入,在变工况条件下进行了一系列滚动轴承静电监测实验.对实验中各阶段静电信号进行处理,提取均方根值(RMS)作为结果分析的特征值.实验结果表明,同一工况下轴承静电RMS随故障程度的增大而增大,证明静电感应方法可用于在线监测滚动轴承故障程度的变化,且比振动更为敏感;不同工况下轴承静电RMS受转速影响大于载荷;轴承故障注入位置的改变对轴承静电信号也存在影响.进一步利用多元回归分析给出该轴承静电RMS与各参数间的具体关系式,其判断系数R2达到97.7％且满足F检验和T检验,证明拟合效果良好.该研究结果为进一步利用静电监测方法进行轴承的故障诊断与寿命预测及实现仪器产品化奠定了基础.     

立体网状静电传感器空间灵敏特性研究

提出一种全新的立体网状静电传感器,以克服现有静电传感器对流场内速度分布无法测量的不足。通过建立立体网状静电传感器的三维仿真模型,利用有限元分析法获得了立体网状静电传感器的灵敏度空间分布规律,并对其动态灵敏度进行了分析。结果表明:立体网状静电传感器具有局部敏感特性,对于管内颗粒分布比较敏感。而且由于其极棒间相互交错的特性,可以探测到颗粒的运动方向;传感器的动态灵敏度可以反映带电颗粒在各个极棒间的空间位置及其速度,即带电颗粒距离极棒交织点越近,速度越快,动态灵敏度越大。最后通过重力输送颗粒实验,证明理论分析的结果与实验结果一致,从而为立体网状静电传感器实现颗粒流动参数测量提供了理论依据。     

电感位移传感器结构特性研究

在电感位移传感器设计中,电感传感器内线圈与磁芯的结构特性是影响传感器性能的关键因素。为提高传感器检测性能,根据毕奥-沙伐尔定律建立了传感器内线圈与磁芯模型,利用有限元分析软件建立了相应结构模型。通过分析线圈与磁芯各项参数变化以及线圈与磁芯存在安装与加工误差的情况,得到了各参数变化以及安装与加工误差对传感器测量性能的影响,以此对线圈和磁芯进行了优化。研究结果表明,当线圈长度与磁芯长度的比值在1.45~1.6之间时,传感器能获得较大的电感相对变化量;线圈长度、磁芯长度与磁芯半径的变化对线性度的影响不明显,线性度在0.5%附近,磁芯安装偏心与倾斜对传感器性能影响较小,可忽略不计;电感相对变化量会随着磁芯锥度的增大而减小。     

黄铜全流量在线磨粒静电监测实验研究

为深入了解静电监测方法对黄铜的监测能力,采用自制的全流量在线磨粒静电传感器开展黄铜的静电监测方法研究。研究了润滑条件下轴承钢-黄铜滑动摩擦荷电磨粒的产生机理并设计了磨粒静电监测系统,开展了三种尺寸的轴承钢球和黄铜球的单颗粒注入实验、双颗粒注入实验以及相同载荷、不同滑动速度的轴承钢-黄铜滑动摩擦磨损实验,对摩擦因数、静电感应信号、静电信号均方根值进行相关性分析。研究结果表明:全流量在线磨粒静电传感器具有较好的检测一致性;静电监测方法对黄铜的监测能力强于对轴承钢的监测能力;摩擦因数与静电监测信号具有相关性,在磨损阶段,静电感应信号出现脉冲尖峰与持续上升。     

结构光视觉传感器误差分析与结构分析

结构光视觉传感器是视觉焊缝跟踪系统获得焊缝信息的重要组成部分,其测量误差与性能对焊缝跟踪系统的总体测量精度及可靠性有着直接影响.本文对应用于焊缝跟踪的结构光视觉传感器进行误差分析,包括传感器硬件系统结构误差、激光散斑噪声误差及镜头畸变误差等,并对不同结构方式下的视觉传感器建立了数学模型,具体分析了结构参数对其误差的影响,提出结构光视觉焊缝跟踪传感器优化设计方法,并依据仿真结果给出结构优化设计参数,最后通过实验验证了该优化设计方法的正确性.