用于矢量水听器的低频高灵敏度层合梁加速度传感器

压电加速度传感器是同振型矢量水听器的核心部件。为了满足低频高灵敏度矢量水听器的应用需求,提出并研究一种具有层合梁结构的低频高灵敏度加速度传感器。结合弹性力学和压电方程推导层合梁加速度传感器的加速度灵敏度解析解表达式,通过有限元仿真对层合梁加速度传感器尺寸进行优化,给出优化后的尺寸范围。从优化的尺寸范围中选取两种不同尺寸进行加速度传感器振动特性的仿真分析及实物制作(其中压电材料为PZT-5)与性能测试。仿真与测试结果均表明,相比已有的同尺寸金属梁加速度传感器,层合梁加速度传感器可以有效降低谐振频率并提升加速度灵敏度。当压电层厚度为0.5 mm时,加速度灵敏度最大提升3.9 dB,谐振频率下降23%。测试结果与理论分析相符。      

基于柔性铰链的光纤光栅二维加速度 传感器的优化设计

为实现对待测表面两个方向的振动监测,基于圆形柔性铰链设计了一种布拉格光栅双向加速度传感器.首先,推导出该传感器的谐振频率及灵敏度的理论公式,然后基于圆形铰链刚度的理论公式,推导并验证了铰链的刚度经验公式.通过MATLAB对传感器的数学模型进行优化设计,得到在满足工作要求时,传感器灵敏度达到最大时的尺寸参数.激振实验结果表明,该传感器的谐振频率约为368Hz,灵敏度约为107.3pm/g,横向抗干扰度为4.8%,谐振频率和灵敏度理论值与实际值的误差分别为-4.2%和7.0%.     

基于F型梁的光纤光栅加速度传感器

为满足悬臂梁式传感器测量带宽大、灵敏度高的需求,采用F型梁增敏结构设计了一种光纤光栅加速度传感器。首先推导出传感器的谐振频率和灵敏度公式,在此基础上使用MATLAB优化传感器参数,并利用ANSYS对传感器进行模态分析和谐响应分析,得到了传感器的模态振型图以及两种不同阻尼比条件下的幅频响应,仿真结果与理论计算基本一致。制作了2个传感器实物,对直接封装的传感器1和填充硅油后封装的传感器2进行了幅频响应、灵敏度特性和横向抗干扰能力测试。实验结果表明：传感器1的谐振频率约为168 Hz,测量带宽为1.5～50 Hz,灵敏度系数为159.84 pm/g,横向抗干扰度为9.88%,谐振频率和灵敏度理论值与实际值误差分别为0.93%和3.29%;填充硅油后的传感器2的测量带宽为1.5～100 Hz,灵敏度系数为133.57 pm/g,横向抗干扰度为8.1%。实验证明在传感器内部填充硅油可以增大传感器工作带宽,提高横向抗干扰能力。     

低频高灵敏度光纤Bragg光栅振动传感器设计

为实现对低频振动信号的准确测量,设计了一种新型的双光纤光栅振动传感器.首先,理论分析了传感器的灵敏度和谐振频率.其次,使用ANSYS数值模拟软件分析了传感器的灵敏度和谐振特性.最后,根据分析结果设计了光纤Brgg光栅振动传感器,并通过实验研究了传感器的幅频特性、线性响应、温度自补偿特性和抗横向干扰特性.实验结果表明:传感器在10~130Hz范围内加速度灵敏度为231.48pm/g,线性度为99.98%;-20~60℃范围内,具有良好的温度自补偿能力;同时,该传感器具有较强抗横向干扰能力,横向引入误差小于3.47%.     

基于L形刚性梁与弹性膜片结构的低频光纤光栅加速度传感器

为满足低频振动信号精确测量的实际需要,设计了一种基于L形刚性梁与弹性膜片结构的光纤布拉格光栅加速度传感器。进行了结构理论分析,并通过Matlab仿真讨论了各结构参量对传感器灵敏度和谐振频率的影响,进行了参量优化设计。根据理论分析结果制作了加速度传感器并对其加速度灵敏度的幅频特性、线性响应和抗横向干扰特性进行了测试。实验结果表明,L形刚性梁的传动结构有效增强了结构稳定性,消除了传统悬臂梁结构带来的光纤光栅啁啾或反射谱多峰现象。加速度传感器在20~70 Hz的低频段具有平坦的灵敏度响应,加速度灵敏度可达220 pm/g,线性响应的相关度为99.98%;金属膜片使得该传感器具有较强的抗横向干扰能力,在工作频段内横向串扰为-32.73 d B。     

基于几何莫尔效应的剪应力传感器设计研究

结合风洞检测剪应力对高灵敏度和高响应频率传感器的设计要求,提出了基于莫尔效应转化敏感元件位移的微型光栅式剪应力测量方式.针对传感器的机械灵敏度、线性度和谐振频率的应用要求对敏感元件进行设计,并在敏感元件结构设计尺寸的基础上对莫尔条纹灵敏度及其相位变化进行分析计算,完成微型光栅式剪应力传感器的结构设计流程.     

基于3D打印技术的全绝缘多简支梁光纤Bragg光栅振动传感器研究

设计一种融入3D打印技术,实现在高电压、强电磁场环境下检测振动信号的全绝缘多简支梁光纤Bragg光栅振动传感器。通过3D打印机制作而成,由粘贴于简支梁的光纤Bragg光栅受质量块驱动而产生应变,通过解调光栅波长变化量实现对振动信号的检测;有限元分析振动传感器谐振频率为232.47Hz,应变灵敏度为5.826με·g~(-1)时,加速度灵敏度为6.991pm·g~(-1),表明了传感器理论上的测量带宽及传感器对检测信号的反应程度良好。实验结果表明:传感器谐振频率为240Hz,加速度灵敏度为6.270pm·g~(-1),线性度为3.3%,表明了传感器实际的测量带宽及传感器对检测信号的反应程度;材料选用全绝缘的尼龙材料,具有良好的绝缘性。     

高灵敏光纤光栅加速度检波器理论模型研究

针对两点封装,建立光纤光栅加速度检波器通用模型,理论推导加速度检波器灵敏度和谐振频率的解析表达式,深入研究加速度灵敏度和谐振频率的影响因素,讨论封装光纤刚度系数与检波器结构刚度系数之比对检波器响应特性的影响,并分析刚度比分别在0~1、0~100范围随着等效质量的增大(0 g~100 g),加速度灵敏度和谐振频率的制约关系,及在0 Hz~500 Hz(中低频)和0 Hz~1 200 Hz(中高频)范围内灵敏度的变化规律。此外,分别以封装光纤长度为10 mm和60 mm举例分析长度对上述二者的影响,各项仿真中灵敏度均会高达~1 000 pm/G,并引入品质因数的概念。所提理论研究对FBG加速度检波器的设计和综合性能的评价具有重要的指导意义,为器件参数优化提供理论依据。     

侧面压迫式及端面拉伸式增敏光纤光栅水声传感器

研究了采用侧面压迫式增敏和端面拉伸式增敏的无源光纤光栅水声传感器。采用灌注和弹性片端面增敏两种方案分别对光纤光栅传感器进行增敏。研究结果表明灌注方案谐振频率过低(300Hz),高频灵敏度过低(小于-205dB),且制作工艺要求比较复杂;弹性片端面增敏方案采用铍铜片进行增敏,在100～1000Hz频率范围内灵敏度为(-175±2)dB。对端面增敏传感器进行了封装,并应用于水声的检测实验。实验表明,该传感器在灵敏度及灵敏度频响指标上已经可以满足应用要求。     

动态激励下的FBG应变传感器原位校准方法

针对光纤光栅应变传感器测量桥梁结构动态应变值的准确性问题,提出了一种动态激励下的光纤光栅应变传感器的校准方法。采用等强度悬臂梁模拟桥梁结构,在等强度悬臂梁末端瞬间悬挂不同重量的砝码来模拟桥梁上汽车产生的动态激励。以电阻应变片作为参考传感器,光纤光栅应变传感器作为待校准传感器,将这两个传感器的测量数据序列进行比对。针对传感器的测量数据序列出现的时间错位问题,采用互相关算法对参考传感器和待校准传感器的测量数据进行数据匹配。在光纤光栅应变传感器有初始值的情况下进行测量值校准的研究。实验结果表明,该方法有效解决了测量数据序列的时间错位问题,实现了光纤光栅应变传感器的动态校准,采用不同重量的砝码作为激励源对校准结果没有影响,1529 nm和1547 nm波长的光纤光栅应变传感器灵敏度校准系数与静态标定结果基本一致。     

声表面波梁式加速度传感器的优化设计

为获得传感器的优化设计,对一种声表面波梁式加速度传感器敏感机理进行了研究。从声波波动方程出发,结合有限元分析以及微扰理论对加速度作用力作用下声表面波传播特性进行分析,以此构建梁式声表面波加速度传感器敏感机理的理论模型,特别分析了压电梁材料及几何结构、振子质量对传感响应的贡献以确定传感器优化的几何参数。为验证理论分析结果,实验研制了基于ST-X石英悬臂梁结构的差分振荡式声表面波加速度传感器,并利用精密振动台对所研制传感器性能进行评价。实验结果显示,在给定加速度测试范围内,采用ST-X石英梁并延长梁长度、降低梁厚度以及采用较大的阵子质量将有效的改善传感器检测灵敏度,在±2 g范围内加速度灵敏度可达27 k Hz/g,且实验结果很好的验证了理论模型。     

20～1250Hz光纤激光加速度传感系统设计

为了实现高灵敏度、宽频响应的光纤型加速度传感器,以光纤激光器作为加速度传感器的传感元件,建立了光纤激光加速度传感系统,并对该系统的传感原理、灵敏度和谐振频率等性能进行了分析和实验。采用竖直式加速度传感器结构,结构中的传感组件主要由质量块和中空的细钢管组成,光纤激光器受预应力作用后粘接在钢管内部,在加速度作用下,钢管产生的应变引起光纤激光器的应变和折射率发生改变,导致光纤激光器的出射波长随之发生改变,然后使用干涉解调技术检测出波长的动态变化,即可获得波长中包含的加速度振幅和频率信息。实验结果表明,在20~1 250 Hz频段内,竖直式光纤激光加速度传感器的灵敏度约为-126.2 d B[参考值1 rad/(μm/s~2)],频响曲线的波动幅度在±1.9 d B范围内,加速度响应动态范围为77.46~170.26 d B[500 Hz频点,参考值1μm/(s~2·Hz1/2)],加速度分辨率优于0.01 m/s~2。     

带加速度补偿平面型光纤光栅水听器探头技术的研究

针对平面型光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,缩写为FBG)水听器探头加速度响应明显,影响它对正常声压进行探测的需求,提出了采用加速度补偿措施进行加速度去敏这一有效方法。从理论和实验上分析研究了带加速度补偿平面型光纤FBG水听器探头的结构灵敏度、灵敏度频率响应特性和加速度响应特性。结果表明:采用加速度补偿措施后,单位加速度(1m·s-2)响应输出的等效作用声压由2.52~3.26 Pa降为0.0758~0.217 Pa。同时,探头结构灵敏度由28 fm/Pa减小为20 fm/Pa,动态谐振频率由6.2 kHz增高为6.52 kHz。谐振频率的增加有助于提高水听器系统的动态响应特性,而结构灵敏度的降低,可以通过提高FBG动态波长解调仪的灵敏度来进行补偿。本来,光纤光栅或光纤光栅激光水听器系统可探测灵敏度主要由解调仪灵敏度决定,而不是由探头结构灵敏度决定。所以,该加速度补偿措施具有很大的实用性。      

薄膜体声波谐振器的力敏特性研究

薄膜体声波谐振器(FBAR)力传感器作为一种新型的谐振式传感器,力敏特性是其设计原理。以FBAR微加速度计为例研究了工作在纵波模式,采用具有纤锌矿结构的AlN作为压电薄膜的FBAR,施加应力载荷后,其弹性常数改变导致FBAR谐振频率偏移的力敏特性。首先,采用有限元(FEA)静力学仿真,得到惯性力载荷作用下集成在硅微悬臂梁上的压电薄膜的应力分布;选取最大应力值作为载荷,基于第一性原理计算纤锌矿AlN的弹性系数与应力的关系式,预测惯性力载荷作用下AlN弹性系数的最大变化量。其次,采用谐响应分析,对比空载和不同惯性力载荷作用下FBAR微加速度计的谐振频率和偏移特性,预测FBAR微加速度计的加速度-谐振频率偏移特性。最后仿真分析得到:惯性力载荷作用下,FBAR微加速度计的谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数kHz/g;其加速度增量-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性度。     

薄膜体声波谐振器的力敏特性研究（英文）

薄膜体声波谐振器(FBAR)力传感器作为一种新型的谐振式传感器,力敏特性是其设计原理。以FBAR微加速度计为例研究了工作在纵波模式,采用具有纤锌矿结构的AlN作为压电薄膜的FBAR,施加应力载荷后,其弹性常数改变导致FBAR谐振频率偏移的力敏特性。首先,采用有限元(FEA)静力学仿真,得到惯性力载荷作用下集成在硅微悬臂梁上的压电薄膜的应力分布;选取最大应力值作为载荷,基于第一性原理计算纤锌矿AlN的弹性系数与应力的关系式,预测惯性力载荷作用下AlN弹性系数的最大变化量。其次,采用谐响应分析,对比空载和不同惯性力载荷作用下FBAR微加速度计的谐振频率和偏移特性,预测FBAR微加速度计的加速度-谐振频率偏移特性。最后仿真分析得到:惯性力载荷作用下,FBAR微加速度计的谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数kHz/g;其加速度增量-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性度。     

纳米多晶硅薄膜电阻压力和加速度多功能传感器（英）

基于纳米多晶硅薄膜电阻的多功能传感器由压力传感器和加速度传感器构成。纳米多晶硅薄膜电阻构成的两个惠斯通电桥结构分别设计在方形硅膜表面和悬臂梁根部。采用MEMS技术和CMOS工艺在〈100〉晶向单晶硅片上实现压力/加速度传感器芯片制作,利用内引线技术将芯片封装在一个印刷电路板（PCB）上。在室温下,工作电压为5.0 V时,实验结果给出压力传感器灵敏度(a=0)为1.0 mV/kPa,加速度传感器灵敏度(p=0)为0.92 mV/g,可实现外加压力和加速度的测量,具有较好的灵敏度特性且交叉干扰较弱。     

石墨烯谐振式力学量传感器研究进展

传统谐振式传感器的谐振敏感元件大多采用金属、石英晶体、硅等材料制成,但随着谐振式传感器朝着小型化、微型化、实用化的趋势发展,不但要求新型谐振子材料可进行微纳加工,还对其灵敏度和精度提出了更高的要求.石墨烯这种新型二维纳米材料,因具有出色的力学、电学、光学、热学特性,在谐振传感领域有着巨大的应用潜力和研究价值,因此基于石墨烯材料的力学量传感器有望在小型化、高性能和环境适应性等多方面超越硅基力学量传感器.本文针对石墨烯谐振式力学量传感器,介绍了石墨烯材料的基本性质、制备与转移方法,阐述了谐振式传感器的工作原理与应用特点,进而分析了关于石墨烯谐振特性优化与谐振器制备的理论与实验研究;在此基础上,重点总结了石墨烯谐振器在压力、加速度、质量等传感器领域的研究进展,梳理了石墨烯谐振式力学量传感器在薄膜转移、结构制备与激振/拾振等方面的技术问题,同时也明确了石墨烯在谐振传感领域的研究价值和发展潜力.     

差分谐振式压力微传感器灵敏度匹配特性（英文）

谐振式压力微传感器因其高精度、高稳定性及准数字输出等特性而广泛应用于气压监测、航空航天等领域。相较于其他结构,差分谐振式具有灵敏度高、线性度好及温度漂移小等优势。然而,要获得差分谐振式压力微传感器的最优性能,仍需解决差分谐振梁灵敏度不匹配的问题。在仿真与实验的基础上,对差分谐振式压力微传感器的灵敏度匹配特性进行了相关研究。根据研究结果,对传感器的结构参数进行了优化设计。两谐振梁的设计灵敏度为±46 Hz/kP,实验结果显示中心梁的实际灵敏度为45Hz/kPa,边梁的实际灵敏度为-44Hz/kPa,差分输出的线性度高达0.9999999。     

差分谐振式压力微传感器灵敏度匹配特性（英）

谐振式压力微传感器因其高精度、高稳定性及准数字输出等特性而广泛应用于气压监测、航空航天等领域。相较于其他结构,差分谐振式具有灵敏度高、线性度好及温度漂移小等优势。然而,要获得差分谐振式压力微传感器的最优性能,仍需解决差分谐振梁灵敏度不匹配的问题。在仿真与实验的基础上,对差分谐振式压力微传感器的灵敏度匹配特性进行了相关研究。根据研究结果,对传感器的结构参数进行了优化设计。两谐振梁的设计灵敏度为46 Hz/kP,实验结果显示中心梁的实际灵敏度为45 Hz/kPa,边梁的实际灵敏度为-44 Hz/kPa,差分输出的线性度高达0.999 999 9。     

盘片式光纤传感器灵敏度计算方法

系统地开展了对各类盘片式光纤传感器灵敏度的研究工作。以周边固支、中心镶嵌刚性质量块的盘片式光纤加速度传感器为例,分析了传感器弹性盘片上各点的应力应变状态;结合迈克耳孙干涉仪原理,建立了计算传感器加速度灵敏度的数学模型,并讨论了粘贴光纤盘的最佳尺寸。制作两个相应的传感器进行对比实验,验证了上述计算模型的正确性。采用上述模型系统地推导了不同边界条件情况下盘片式光纤传感器的粘贴区域和灵敏度计算公式。对盘片式光纤传感器如光纤加速度传感器、光纤压力传感器、光纤水听器等的设计制作具有理论指导作用。