一种测量纯摩擦力的柔性传感器及应变敏感条的研制

研制了一种可以测量纯摩擦力的柔性力学量传感器,作用在传感器上的正压力对摩擦力测量的影响不超过满量程的1.8％.传感器灵敏度高(186με/N),测量范围在几个牛顿(N)的量级.传感器的敏感元件为柔性敏感条,由电阻应变片和超弹性硅橡胶组成,其继承了超弹性材料的柔软性与电阻应变片技术成熟的特点.实验证明,柔性敏感条具有输入...     

基于PVDF复合压电效应的低强度冲击波柔性测量

为探索低强度冲击波的柔性测量技术,对PVDF(polyvinylidene fluoride)压力传感器开展冲击波加载和灵敏度标定实验,评估其低强度冲击波压力测量的可靠性。基于微结构设计改进薄膜传感器,获得适用于低强度冲击波压力测量的高灵敏柔性传感器,结果表明:单一压电工作模式的薄膜传感器测量低强度冲击波时有效输出电荷量和信噪比较低,测量结果容易受压电膜力电响应非线性、结构表面变形振动以及封装因素的影响,灵敏度系数不稳定、个体差异性大。采用周向固支的微结构设计能够将作用于薄膜传感器表面幅值较低的冲击波转换为幅值较高的面内拉应力,产生的复合压电效应可大幅提高传感器名义灵敏度系数、降低个体差异性。研制的柔性传感器在0.2～0.7 MPa压力范围内名义灵敏度约900～1 350 pC/N,相对测量误差不大于±13%。     

颗粒流润滑系统力传输行为的试验研究

为了研究颗粒流润滑状态下的力传输行为,设计了一个剪切平行板间颗粒流润滑的试验装置.利用该试验装置,研究了颗粒材料、颗粒尺寸、剪切速度和颗粒湿度对颗粒流润滑状态下力传输行为的影响.此外,试验结果主要考虑了测量得到的法向力和切向力,这些力是从下摩擦副通过颗粒润滑介质传递到上摩擦副的.研究结果表明,测量得到的法向力和切向力随着剪切速度和颗粒湿度的增大而减小,随着颗粒尺寸的增大而增大.颗粒流润滑比干摩擦具有较好的润滑效果,比油润滑具有更好的承载性能.颗粒流润滑状态下的力传输路径主要决定于颗粒润滑介质之间的力链.试验结果揭示了颗粒流润滑时的力传递机制并可以为颗粒流润滑的工业应用提供指导.     

石英压力传感器

最近,我们研制了一种压电式的石英压力传感器.由于在结构上作了较大改进,传感器的线性好、自振频率高、灵敏度稳定.本传感器可以用来进行气体和液体介质中600个大气压以下的各种动态和准静态压力测量,也可以用 ...     

单颗金刚石磨削花岗石中力的离散单元分析及试验验证

对花岗石进行了单颗粒金刚石磨削试验.通过测量磨削力对单颗金刚石磨粒所承受的平均法向力和切向力进行了研究,讨论了主轴转速和单颗磨粒最大切削厚度与磨削力的关系.利用离散单元方法(DEM)构造了2种不同的花岗石数字模型,在此基础上对单颗磨粒磨削进行了模拟分析,分析结果与试验结果基本吻合.     

碳纳米管纤维及其传感器力电性能实验研究

基于UTM T150微纳米力学测试系统搭建了纤维力电耦合测试平台,并对碳纳米管纤维进行了多组力电耦合作用下的拉伸性能实验研究。通过观察分析碳纳米管纤维的电阻-应变曲线,发现其电阻变化与应变大小密切相关,随着应变的不断变大,碳纳米管纤维的电阻也在逐渐增加。基于此,设计制作了碳纳米管纤维柔性应变传感器,并将其贴在标准试件上分别进行了弯曲变形测试、单次/循环加载性能测试以及标定实验。结果表明:当对试件进行加载时,碳纳米管纤维柔性应变传感器的电阻会随着载荷的增大而增大;当载荷逐渐消失时,其电阻会逐渐减小直至回归初始电阻值附近。这表明碳纳米管纤维具备优异的电学与力学特性,并且利用它所制作的柔性应变传感器也有着较好的灵敏度与稳定性。     

基于MEMS电容加速度计的声矢量传感器小型化设计

针对传统压电型声矢量传感器无法兼顾小体积与高灵敏度的问题,利用MEMS电容加速度计作为拾振器,实现矢量传感器的小型化设计。首先采用机电类比分析的方法得到内置加速度计的刚硬球体的声致振动响应;然后进行硅微电容加速度计选型和参数分析、设定,并设计制作了一只二维球形矢量传感器样机;最后对样机进行了参数测试,结果表明两矢量通道均具有良好的方向性,声压灵敏度分别为?185 d B和-186 d B(1 k Hz,0 d B ref 1 V/μPa),通道间相位差与理论值保持一致,验证了利用MEMS电容加速度计设计矢量传感器的可行性。     

石墨烯与柔性基底界面载荷传递的拉曼光谱实验

本文研究了CVD制备的大尺寸石墨烯与柔性PET基底在拉伸变形过程中切向界面载荷传递的问题,采用原位拉曼光谱实验给出了加载过程中石墨烯的正应变、正应力以及界面切应力的分布曲线。分析表明,石墨烯与PET基底间的载荷传递存在四个阶段,分别是初始阶段、粘附阶段、滑移阶段和界面脱粘破坏阶段。在此基础上,本文对50μm、140μm、270μm和600μm四种尺寸石墨烯试件的界面力学性能进行测量,得到了不同尺寸石墨烯试件的界面力学性能参数,并初步给出了基底变形引起的石墨烯切向界面粘接能的变化,同时分析了试件尺寸对石墨烯界面力学性能的影响。实验结果表明,石墨烯材料和柔性基底最大切应力与临界脱粘切向界面粘接能等界面强度指标受到尺寸的显著影响,尺寸越小切向界面强度越高,反之,尺寸越大则越低。     

基于电容检测接口ASIC的闭环微机械加速度计

对于采用微传感器和接口ASIC两芯片方案来实现的电容式微机械加速度计来说,寄生电容是影响其性能的重要因素之一。采用采样电荷结构,设计实现了电容检测接口ASIC电路,该电路具有对寄生电容不敏感的特点,并在0.35-μm CMOS标准工艺下流片实现。基于流片得到的电容检测ASIC样片,以梳齿式硅微传感器为敏感元件,采用滞后比例积分调节器,通过力平衡反馈方案设计实现了一种闭环微机械加速度计。实验结果表明:该闭环微加速度计的灵敏度为650 mV/g,噪声基底为23.17μg Hz。     

机械结合面切向接触阻尼计算模型

针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究.首先,根据KE模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析,获得了微凸体在3个变形阶段的黏滑特性;然后,基于GW统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型;最后,分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响.研究表明:结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大,随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小;在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关.为了验证模型的准确性,构建了动态切向力作用下的结合面切向阻尼试验,其试验结果与理论仿真变化规律与量级基本一致,从而证明了所提出的切向阻尼模型的有效性.     

机械结合面切向接触阻尼计算模型

针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究。首先,根据KE模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析,获得了微凸体在三个变形阶段的黏滑特性;然后,基于GW统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型;最后,分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响。研究表明:结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大,随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小;在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关。为了验证模型的准确性,构建了动态切向力作用下的结合面切向阻尼试验,其试验结果与理论仿真变化规律与量级基本一致,从而证明了本文所提出的切向阻尼模型的有效性。      

PVDF压力传感器标定及在激光推进实验中的应用

详细介绍了PVDF压力传感器的设计方法和2个等效测量电路.利用SHPB系统对PVDF压力传感器的动态灵敏度进行了标定,结果显示,不同并联电阻对于PVDF压力传感器动态灵敏度的影响不大,但对脉冲推力上升时间的测量结果有影响,选择较小的并联电阻可以获得更逼真的测试信号.     

PVDF压力传感器的冲击压电特性研究

PVDF薄膜是一种新型的聚合物压电材料.为了研究PVDF薄膜在低压和一维应变下的压电特性,利用立式Hopkinson压杆和一级轻气炮标定了自研制PVDF压力传感器的压电曲线,实验表明该应力传感器频响高,波形稳定,线性度良好,拟合灵敏度系数K值在0～20MPa和100～450MPa压力范围分别为14.96pC/N和11.9pC/N,可以基本满足动态冲击应力测试的要求.但由于PVDF薄膜的系数K受多方面的影响,定量分析有相当难度,建议使用跟实际工作状况相近的标定K值.     

一种集成式石英谐振加速度计信号处理与融合方法

谐振式加速度计能够将加速度直接转化为稳定的频率信号,可以获得优良的性能。针对目前石英谐振加速度计灵敏度偏低,以及温度变化等因素引起的频率漂移等难题,提出了一种基于多电极谐振器的集成式石英加速度计的信号处理与融合的方法。集成式石英加速度计输出多路谐振信号,形成差频信号,融合后可以得到高精度的数字信号,设计了基于FPGA的电路实现方案。通过实验测试结果,输出数据响应时间为125 ms的条件下,传感器标度因数从传统的100 Hz/g以下提升到1742.5 Hz/g,线性相关系数为R~2=0.9985。提出的信号处理与融合方法具有较高的信号处理实时性,显著提高了石英谐振加速度计的灵敏度,可以应用于集成式石英谐振加速度计数据信号处理以及实时测量系统中。     

八电极静电陀螺仪的非线性建模及控制参数优化

考虑扰动作用下转子相对于电极腔中心可能存在较大范围运动,建立了八电极结构静电陀螺仪四轴斜坐标系下三阶转子-电极电容模型,同时结合转子在电场力和重力作用下的动力学模型,实现具有非线性特征的静电支承控制模型。在此基础上探讨了转子偏离电极腔中心时加力控制信号对位移测量信号的影响,并建立了基于抵消机制的位移测量模型。另外采用Simulink Response Optimization工具箱优化了控制器参教。离线仿真实验表明,设计的支承控制器在转子较大偏离电极中心时,仍能确保转子的定中性。     

中应变率材料试验机的研制

本文全面介绍了自行研制的中应变率材料试验机的基本情况,此试验装置可在0.1s^-1-50s^-1应变率范围内对哑铃状圆柱试件和哑铃状扁平试件进行拉伸及加卸载实验,对圆柱状态 试件进行了压缩及加卸载试验,通过采用液压驱动、分级调速、缓冲撞击等技术产生上升沿陡峭的平衡加载脉冲,从而实现中应变率试验;通过自定心夹具、液压缸的精密共轴保证试验的可靠性;辅以定位装置实现对试件的加卸载;同时通过力传感器及配套研制的高动态应变仪、光学引伸仪完成应力、应变的测量,经实验考评,表明装置是可靠的。     

混凝土结构内冲击波应力传感器设计及其行为

为测量混凝土结构内的冲击波应力,研制了PVDF压力传感器;介绍了传感器的原理和设计思想,通过传感器的标定试验,得出传感器与混凝土介质匹配性能稳定,通过修正传感器灵敏度或采用将传感器打入包体标定的方法可减小应力测量误差;最后介绍了传感器在混凝土结构内药包爆炸应力波测试中的应用。     

鼓形叠层壳高抗力门静载试验研究

本文使用38000kN油压机和油压泵系统利用逐级加载的方式,实现了对鼓形叠层壳高抗力门在静压0MPa~47MPa作用下的试验研究。试验中利用应变片和位移传感器,对高抗力门在逐级加载作用下的应变以及位移分别进行了测量,检验四种构成形式不同和采用多种不同材料的高抗力门抵抗外界载荷的能力,以便为该类高抗力门的设计和研究提供参考,同时将试验所得到的数据与有限元数值计算结果进行了比较,验证了本试验有效和可靠。试验表明设计的第1号高抗力门可以承受41MPa的外界压力值,第2号高抗力门可以承受40MPa的外界压力值;第3号高抗力门可以承受38MPa的外界压力值;第4号高抗力门可以承受34.3MPa的外界压力值。     

圆盘式石英谐振器集群力频传感特性分析

石英晶体谐振器的力频效应在传感器方面有重要的应用,针对传统石英晶体谐振器力灵敏度偏低,以及温度变化等因素引起的频率漂移等难题,提出了一种在基于同一石英基片上的力敏谐振器集群。通过弹性力学方法理论推导和计算了石英晶体薄圆片受径向力作用时片内各点的应力分布,得到石英晶体谐振器圆盘内各点的力频特性,建立了石英谐振器集群力传感系统。实验结果表明石英谐振器集群力频灵敏度系数达到7333 Hz/N,力敏特性明显优于传统的单电极谐振器,该石英谐振器集群可以作为敏感元件应用于力(或应力)检测以及惯性传感器等数字式测控领域。     

势流中可渗透圆柱壳的变形与压力分析

应用弹性薄壳和流体力学的基本方程,采用相容拉格朗日-欧拉法研究了可渗透圆柱壳在理想流体横向绕流时的弯曲变形及流体压力.假定流体的渗透仅沿变形表面的法线方向,各参数沿壳体表面连续.根据边界条件给出流体势函数的表达式,由相同角度的余弦系数相等得到流体对壳的法向力和切向力.根据求得的作用力并给出圆柱壳变形函数表达式,得到可渗透圆柱壳理想流体绕流的变形表达式.通过具体算例与文献结果进行比较,结果吻合较好.所得结果具有较好的通用性,不可渗透圆柱壳理想流体横向绕流变形问题可以看成本文研究内容的特殊情况.