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。      

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。     

磁铁/压电双晶片复合材料磁电耦合性能的优化设计

本文采用弹性力学的方法,基于压电方程,给出了磁铁/压电双晶片(Bimorph)复合材料磁电耦合系数的理论表达式,并选取不同的结构参数和材料参数对其磁电耦合系数进行了数值计算.研究表明:Bimorph存在最佳的压电层厚度,使得磁铁/Bimorph复合材料的磁电耦合系数达到最大;金属层材料和压电相材料也均会影响磁铁/Bimorph复合材料的磁电耦合系数.该研究结果为磁铁/Bimorph复合材料的优化设计、实际应用提供了有益的理论指导.     

对称磁电层合板磁电转换效应理论研究

磁致伸缩和压电层合材料通过磁致伸缩和压电效应的乘积可以获得大的磁电效应.通过材料的力学本构方程，建立了对称磁电层合板磁电耦合的静态力学模型；采用ANSYS 80多物理场有限元分析软件，对层合结构的磁电转化效应进行了数值计算，并与理论计算值进行了对比.研究结果表明：磁致伸缩/压电的厚度比增加使磁电电压系数增大；所推导的磁电电压系数公式的计算值与等效电路模型推导的公式计算值符合很好；有限元数值计算结果介于两种模型的计算结果之间. 关键词： 磁电效应 层合板 本构方程 有限元分析     

基于圆弧摆线铰链的双光纤光栅加速度传感器

针对桥梁加速度传感器原位校准时标准传感器的选取问题,提出了一种基于圆弧摆线铰链的双光纤光栅加速度传感器。通过力学模型分析传感器谐振频率与灵敏度,根据桥梁原位校准要求对传感器结构进行参数优化,并进行静应力分析、模态分析和谐响应分析,最后制作传感器实物并进行标定。实验结果表明：传感器谐振频率为460 Hz,灵敏度约为43 pm/g,横向干扰能力程度5.7%,可用于桥梁上加速度监测。     

基于能量转换原理的磁电层合材料低频磁电响应分析

提出了一种基于能量转换原理的磁致伸缩/压电层合材料低频磁电响应模型,并对不同层合结构的磁电响应特性进行了对比研究.该模型假定层合材料层间能量传递通过层间剪切力来实现,利用应力函数法分析了磁致伸缩层和压电层的应力与应变,求出了磁致伸缩层的应变能和存储磁场能以及压电层的应变能和电场能;利用Hamilton最小能量原理求出了层间剪切力的大小,获得了开路状态下层合材料的低频磁电响应模型.发现磁电电压系数与磁致伸缩材料的磁导率、泊松比、磁机耦合系数以及压电材料的泊松比、机电耦合系数等有关,并对这些参数的影响进行了分析.同时对两层和三层结构的层合材料磁电特性进行了对比研究,发现层合结构不同则获得的磁电系数公式不同,用相应的公式计算得到的误差才会最小.研究结果表明,本文的理论误差小于6.5%,与其他方法相比,本文的理论模型能更好地描述磁电层合材料的低频磁电响应特性.     

结构光传感器模型及特性分析

给出了结构光传感器的数学模型，并依此模型详细分析了结构光传感器的各项参量，讨论了这些参量对结构光传感器性能的影响，得到了关于传感器参量和传感器特性之间关系的公式，给出了传感器设计必须遵守的条件。利用所给出的公式可以方便地讨论传感器的性能，对结构光传感器的设计起指导作用。     

基于压电加速度传感器的振动测量系统研究

为实现对振动的有效测量,构建了压电式加速度传感器的振动测量系统;分析了压电加速度传感器的力学模型及基本原理,并采用灵敏度比较法标定传感器,阐述了测振系统的硬件组成及软件设计方法,搭建了工程实际测振的实验模型;实验结果表明,该测振系统运行稳定,可移植性强。     

非本征F-P局部放电光纤传感器设计及灵敏度分析

为解决超声波法检测电力设备局部放电灵敏度低问题,提出一种采用石英膜片的全电介质结构的光纤法 珀超声传感器设计方法。为获得适于局放检测频响特性的法 珀传感器,根据弹性力学原理分析法 珀传感器固有频率随膜片尺寸参数变化规律,利用ANSYS有限元仿真方法设计3种不同结构尺寸的法 珀传感器。在绝缘油箱中采用信号发生器驱动压电陶瓷传感器发射50 kHz~250 kHz超声波,获得F P传感器的幅频特性曲线。F P1~F P3对板 板电极局放声信号检测实验表明,设计传感器一阶固有频率在150 kHz处可有效检测局放,且相同固有频率下F P传感器灵敏度随膜片厚度减小而显著提高。相同结构参数下腔长为130 m和100 m的F P传感器检测灵敏度前者是后者的2.47倍,实验结果表明增加F P腔长可提高传感器局放检测灵敏度。     

基于交替光栅和石墨烯复合结构的折射率传感器

为了消除折射率动态检测中环境温度漂移的干扰,提出了一种基于交替光栅和石墨烯复合结构的超材料传感器。利用时域有限差分法数值模拟了传感器结构设计参数对共振光谱的影响规律并研究了耦合机理,同时优化了设计结构。研究结果证明,复合结构传感器具有多通道和超窄线宽双重光谱特性,且近红外频段高吸收光谱是由F-P腔共振效应、磁激元共振效应和相消干涉耦合激发产生的。基于不同共振模式下折射率和温度敏感度的差异性,选择两个共振峰峰位波长作为信息载体,借助矩阵方程获得的温度补偿后的折射率传感灵敏度可达358.6 nm/RIU。结果表明,所提传感器可对1～1.6 RIU超大折射率范围的样品进行实时动态监测,同时能消除温度漂移的影响,更具实用性。     

体声波力传感器灵敏度的微分-综合分析法

为了分析基于应力/应变效应的体声波(BAW)力传感器的敏感机理、准确计算其灵敏度,提出了一种用于BAW力传感器灵敏度分析的微分-综合分析法。该方法借鉴了微积分的原理,在Mason等效电路模型中将一个完整的BAW谐振器替换为多个谐振器微元的并联,从而将谐振器有源区面积A上应力/应变场的有限元计算结果与压电薄膜材料的力学特性、谐振器微元的电声学特性关联起来;最后,在射频电路仿真软件中进行等效电路的综合,得到整个BAW谐振器在应力/应变场作用下的阻抗特性曲线及其串/并联谐振频率。当BAW谐振器微元的划分足够细密时,获得的灵敏度分析结果将足够精确。为了论证该方法的原理,给出了一个直观的校核案例。以一个嵌入式FBAR结构的四梁BAW加速度计表头为例,介绍了该方法用于BAW力传感器灵敏度分析的详细过程。虽然案例中只讨论了一种应力/应变型BAW力传感器的单一力敏机理,但该方法具有普适性。并且,当谐振器微元小到接近其压电材料晶格的尺度时,就能与压电薄膜的力-声-电特性的第一性原理计算结果关联起来,实现从微观材料特性到介观器件物理的多尺度计算。     

体声波力传感器灵敏度的微分-综合分析法

为了分析基于应力/应变效应的体声波(BAW)力传感器的敏感机理、准确计算其灵敏度,提出了一种用于BAW力传感器灵敏度分析的微分-综合分析法。该方法借鉴了微积分的原理,在Mason等效电路模型中将一个完整的BAW谐振器替换为多个谐振器微元的并联,从而将谐振器有源区面积A上应力/应变场的有限元计算结果与压电薄膜材料的力学特性、谐振器微元的电声学特性关联起来;最后,在射频电路仿真软件中进行等效电路的综合,得到整个BAW谐振器在应力/应变场作用下的阻抗特性曲线及其串/并联谐振频率。当BAW谐振器微元的划分足够细密时,获得的灵敏度分析结果将足够精确。为了论证该方法的原理,给出了一个直观的校核案例。以一个嵌入式FBAR结构的四梁BAW加速度计表头为例,介绍了该方法用于BAW力传感器灵敏度分析的详细过程。虽然案例中只讨论了一种应力/应变型BAW力传感器的单一力敏机理,但该方法具有普适性。并且,当谐振器微元小到接近其压电材料晶格的尺度时,就能与压电薄膜的力-声-电特性的第一性原理计算结果关联起来,实现从微观材料特性到介观器件物理的多尺度计算。     

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.     

GYG-1光纤压力传感器应变体力学模型设计

根据膜片式压力传感器的结构和特点,利用材料力学相关知识对其弹性体进行设计,并建立力学模型;根据膜片式压力传感器灵敏度要求,运用有限元分析方法进行分析,建立了既符合实际又简化的有限元模型;研究了弹性体的结构参数、温度、载荷等因素对传感器灵敏度的影响,为光纤光栅膜片式压力传感器的优化设计提供依据。     

压电管堆式宽带换能器*

研究了一种具有管状叠堆结构的圆管换能器,其敏感元件是由纵向极化压电陶瓷单元组成的薄壁管状压电叠堆,探讨利用管状叠堆纵向和径向振动耦合实现宽带发射。利用压电柱壳振动理论推导了管堆的频率方程,分析了换能器的纵向和径向模态的振动耦合特性。在理论分析的基础上利用有限元方法对换能器的带宽和发射电压响应进行优化并研制换能器样机。测试结果表明,纵向极化的管状压电叠堆结构具有良好的发射电压响应和宽带特性,与理论及仿真结果相符。     

基于LP21模式的光纤弯曲传感器

设计并研制了一种基于LP21模式的新型光纤弯曲传感器。该传感器通过检测敷设于弹性基片上的光纤所传输的LP21模式光斑图像的旋转,实现对弯曲值的高精度测量。运用光纤耦合模理论和弹光效应求解LP21的模方程,证明该模式具有弯曲无关和扭转线性的特性,并检验了光纤弯曲传感器对不同结构参数和环境温度下的性能。实验结果与理论分析相吻合,证实该传感器具有较大的线性动态范围,温度稳定性高,且能辨识弯曲方向。     

基于Hopkinson杆的高g值加速度传感器的动态特性分析

 基于Hopkinson杆激光干涉冲击试验台,分析了高g值加速度传感器的动态特性,主要分析了实现高g值加速度传感器的幅频特性的原理及可行性。该方法采用Hopkinson杆作为高g值加速度信号发生器,并应用激光光栅干涉仪可以精确地获得高g值加速度脉冲的激励波形,再与加速度计的输出联合处理得出传感器的动态校准结果。并用988压电传感器的动态校准结果加以说明。     

PVDF压电计的动态响应特性及其在橡胶材料SHPB实验中的应用

通过夹心式PVDF(Polyvinylide Fluoride)压电计的动态分离式Hopkinson压杆(SHPB)标定实验,系统地讨论了传感器的动态响应特性,其中包括测量电路、PVDF表面应力集中、压电计的材料及结构特性和同一压电计受多次撞击对测试信号的影响,为PVDF压电计的制作工艺研究提供参考。利用标定好的压电计测试了橡胶材料在SHPB实验中的动态应力均匀过程。结果表明:调节并联电阻值可以提高压电计的传感精度;增大压电计的敏感面积可以减小因应力集中所造成的信号失真;材料的热粘塑性性质、摩擦效应等将使信号振荡幅度偏小;多次撞击对信号的加载与卸载段都将产生影响,但当传感器表面未发生明显损伤时,测试的应力平台平均值与真实信号近似相同。     

YAP晶体光纤弹光效应的研究

利用受扰光纤理论理论和光纤弹光效应理论对ＹＡＰ晶体光纤弹光效应进行了理论分析和实验研究。结果表明，这种晶纤可以弹光调制、压力和加速度传感等方面得到应力，并为该类传感器的设计提供理论根据。     

微环谐振腔加速度传感器光谱特性研究

为满足加速度传感器微型化、低成本的需求,提出了一种带有单微环谐振腔的悬臂梁式光学加速度传感器结构,采用耦合模和传输矩阵理论求取了微环谐振器的传递函数,利用检测同一波长处光强度变化的新测量方法实现了对加速度的探测,从而得到了加速度传感器的灵敏度和探测极限,深入研究了不同结构参数对系统灵敏度的影响,数值仿真并分析了输出端口的光谱特性。结果表明：加速度传感器在外界加速度作用时,悬臂梁在应力的作用下会发生弯曲,使得固定在悬臂梁上的微环谐振器发生形变,即微环谐振器的长度和折射率都发生了变化,从而光在微环谐振器中的传输特性发生变化,因此可以通过探测微环输出端光场强度的变化来测定加速度值;悬臂梁的长度、厚度以及微环谐振腔的固定位置都是影响加速度传感器性能的直接因素,并且选择最佳的结构参数可以有效地提高系统灵敏度和精度。经过数值仿真,对于信噪比为30 dB系统,波长在1.515 μm处,悬臂梁的长度、厚度分别为180和3 μm时,系统的灵敏度可达到2.112 g-1,探测极限为1.421×10-3 g,因此在悬臂梁可承受的范围内,选取长度较长的悬臂梁结构能够有效地改善系统的灵敏度和探测极限。该结构为制备高灵敏度、低成本、易于加工的加速度传感器及可嵌入式微型光学器件提供理论基础。