新型薄膜式压力传感器的参数设计

利用待测压力与薄膜加速度之间的正比例关系来获取冲击波反射超压峰值的新型测量方法已经得到初步实验验证,该方法具有无需标定、制作简单、成本低廉、测量精度高等优点。为优选薄膜式压力传感器的主要参数,并获取压力测量的不确定度,开展了数值模拟,分析了薄膜厚度、待测压力、拟合参数等因素对压力测量的影响。对薄膜的位移或速度信号进行了拟合处理,获得了冲击起始时刻薄膜的加速度,进而得到了待测压力峰值;将获得的压力与标准压力进行比对,得到了拟合时长、拟合多项式阶次、薄膜厚度等因素的优选值,并获得了薄膜式压力传感器的主要技术指标。另外,开展了激波管比对实验,验证了数值模拟的相关结论。     

基于光纤智能夹层传感结构的应力测量研究

制作了一种模块化的光纤传感夹层,对夹层内的光纤传感器的应力特性进行了实验研究。分析了应变对传感系数的影响,对埋入到光纤智能夹层中的两种光纤传感器的输出特性进行了比较。实验结果表明:光纤Bragg光栅传感器的波长漂移与应变之间具有理想的线性关系,但应变灵敏度由1.2pm/με降至1.15pm/με;由于制作工艺的局限,对于非本征F-P光纤传感器,当应变达到350με后,应变与载荷具有较好的线性响应。与非本征F-P光纤传感器相比,光纤Bragg光栅传感器是光纤智能夹层首选的应变传感器。将埋入了Bragg光栅传感器的智能夹层粘贴于某型飞机的翼-身连接构件内部进行监测,实验结果为光纤智能夹层应用于复合材料结构的应变监测提供了参考。     

压力传感器灵敏度的动态标定及超压测量

介绍了测试爆炸冲击波超压所用传感器灵敏度的动态标定方法,简介了爆炸冲击波超压的测试技术,给出了一种爆炸冲击波超压实验数据处理的方法。     

一种新颖的光纤应力传感器

基于模体积失配效应与微弯原理，提出了一种新颖的强度型光纤应力传感器，其传输光功率变化与应力之间近似为线性关系，重复性好，无迟滞现象     

基于双光纤光栅的冰压力传感器研究

冰压力是高纬度地区结构的重要荷载,然而传统的基于电阻应变计开发的冰压力传感装置在稳定性与耐久性上遇到难以跨越的难题。光纤光栅是目前在智能材料系统与结构健康监测研究与应用最为广泛的敏感材料之一,具有分布式绝对测量、抗腐蚀能力强等优点。本文基于双光纤光栅应变测量原理,考虑冰压力测试装置的环境条件,设计开发出冰压力传感装置,详细推导和试验验证了该装置的传感特性,并将试验与理论结果进行了对比。研究结果表明该装置具有温度自补偿、测量值与荷载作用点无关、线性度和重复性好、精度较高等优点,具有良好的应用前景。     

光纤传感无损检测混凝土结构研究述评

本文综述了近几年来使用光纤传感器埋入混凝土构件及结构中无损检测其内部应力、应变及评估结构完整性等研究领域的概况。探讨了光纤与混凝土接触面之间的涂层材料的基本特性及其细观力学问题。最后给出了目前国外利用这种新技术所得到的一些成果。     

一种基于外腔式法布里-珀罗干涉仪的光纤加速度计

研制了一种基于外腔式法布里-珀罗(F-P)干涉仪的光纤加速度计,理论分析了影响标度因数的结构参数,并利用有限元分析软件ANSYS对该结构进行仿真分析。F-P干涉仪由光纤端面和固定在弹性膜片上的反射镜组成,膜片上加工两圈花瓣状分布的弧形阵列。这种F-P干涉仪结构标度因数高、横向串扰小。经实验测定,该光纤加速度计标度因数为155.48 rad/g,与仿真分析结果基本吻合,交叉灵敏度仅为4.87×10~(-2) rad/g,分辨率为100mg,零位稳定性为125mg,提出了进一步提高性能的方法。     

应变计式三维压力传感器的设计

设计并制作了一个三维压力传感器。通过用ANSYS计算，对传感器的尺寸，形状及贴片位置等参数进行优化设计，并通过试验对传感器的灵敏度。线性度等特性进行了分析。     

压力场中光纤应变测量方法研究

本文对压力场环境下的光纤应变测量方法进行了研究，在理论上分析了由于测试环境的压力变化产生虚假应变的原因，提出了采用补偿的方法消除虚假应变。通过具有补偿功能的马赫－泽得干涉系统对应变场进行了测量，证明了补偿法的可靠性，为光纤应变测量方法向实用化转变进行了有益的探讨。     

地质和岩土工程光纤传感监测技术综述

光纤传感器与常规传感器相比具有很大的优越性,已经成为地质和岩土工程监测领域中的研究热点。本文介绍了光纤传感监测系统的种类、基本测量原理和目前国内外的研究发展状况,并对各种传感技术的性能和特点进行了比较,指出了光纤传感监测技术应用于地质和岩土工程监测尚需研究的相关课题。     

A fiber optic sensor for transverse strain measurement

A fiber optic sensor capable of measuring two independent components of transverse strain is described. The sensor consists of a single Bragg grating written into high-birefringent, polarization-maintaining optical fiber. When light from a broadband source is used to illuminate the sensor, the spectra of light reflected from the Bragg grating contain two peaks corresponding to the two orthogonal polarization modes of the fiber. Two independent components of transverse strain in the core of the fiber can be computed from the changes in wavelength of the two peaks if axial strain and temperature changes in the fiber are zero or known. Experiments were performed to determine the response of the sensor by loading an uncoated sensor in diametral compression over a range of fiber orientations relative to the loading. The results of these experiments were used with a finite element model to determine a calibration matrix relating the transverse strain in the sensor to the wavelength shifts of the Bragg peaks. The performance of the sensor was then verified by measuring the transverse strains produced by loading the fiber in a V-groove fixture.     

正交检测技术在光纤陀螺寻北仪中的应用

寻北仪在军事和民用等领域发挥着重要的作用,为了短时间内提供载体航向信息,设计了一种动态捷联式寻北仪.系统主要由一个单轴光纤陀螺、一个石英加速度计和一个旋转平台组成.在静基座条件下,使旋转平台绕垂直轴恒速单向旋转,通过对陀螺和加速度计输出数据的动态特性进行分析,设计了基于正交检测技术的快速寻北方案,能有效抑制惯性元件的漂移噪声,并且旋转平台可以免去复杂的调整水平过程.仿真结果表明,寻北仪转速设置为3(°)/s,在120 s 内给出载体航向信息,精度优于30″,同时也能输出一定精度的水平姿态信息.     

基于光纤环安装方式的光纤陀螺振动误差抑制方法

随着光纤陀螺的实用化,发现载体振动会引起光纤陀螺尤其是高精度光纤陀螺的测量误差增大,对光纤陀螺的性能指标造成不可忽视的影响。对干涉式数字闭环光纤陀螺,从弹光效应出发,分析了振动对光纤陀螺光路的影响机理,得出了振动影响下光纤环中反向传播的光信号非互易相移误差信号的表现形式,并针对此提出了通过合理安装光纤环,使光路满足互异性,来抑制振动情况下光纤陀螺输出信号噪声和漂移。实验结果表明,该方案有效降低光纤陀螺输出信号的噪声,抑制了由振动引起的陀螺漂移,使得陀螺振动误差减小了一个数量级。     

介质与静压对激波管校准压阻式绝压传感器动态特性的影响

激波管通常用于动态压力传感器的校准,压阻式绝压传感器在激波管校准过程当中,会出现谐振频率等动态性能指标随着激波管静态压力环境、气体介质变化而改变的情况,影响传感器动态特性的校准。基于压阻式传感器的工作原理,对传感器的敏感膜片结构进行了机理分析,建立了膜片结构与校准环境中介质和静压关系的动态模型;通过ANSYS与SIMULINK软件开展了数值模拟验证工作,模拟结果与理论推导一致。通过激波管校准实验验证了气体介质与静压的影响关系,结果表明：传感器的谐振频率与静压间存在非线性关系,并且随着敏感膜片径厚比的增大而显著增大;系统阻尼比大小与气体介质有关,随着气体密度的降低而升高;传感器的灵敏度与气体介质和静压无太大直接关系。在使用激波管校准压阻式绝压传感器时,应当考虑介质与静压参数对校准结果的影响。

     

光纤色散及损耗对光纤探针信号传输的影响

对光纤色散及损耗给光纤探针信号前沿和幅度造成的影响进行了理论估算。通过实验对这种影响进行了实际测量。实验中采用四种长度不同的光纤。结果表明,在采用数值孔径为0.37的阶跃石英光纤传输时,光纤色散对光纤探针信号前沿的展宽为5414 ns/km,光纤损耗对光纤探针光信号的影响为4.40.2 dB/km。因此,在光纤需要长距离传输时,有必要采取措施对色散的影响加以控制。     

基于动态校准数据的压杆测试系统动态特性校正技术

针对应变式压杆测试系统在冲击波的超压测量中存在动态响应不足的问题,建立了激波管校准平台.采用系统辨识建模和动态补偿的方法,将时域分析和频域估计相结合,设计了一种动态补偿滤波器,改善了压杆测试系统的动态特性,使频带展宽,响应时间减少.     

基于风压分布特性的折叠网壳结构形状优化研究Folding reticulated shell structure shape optimization based on wind pressure distribution characteristics

针对风敏感结构折叠网壳存在抗风不利区域和风压梯度变化较大的力学行为,为优化其在风荷载作用下的表面风压分布,降低结构的风致响应,基于流体动力学基本原理和大气边界层基本理论,运用Fluent软件对折叠网壳结构风压分布进行数值模拟的基础性研究,对比风洞试验结果,确定复杂体型结构数值模拟的计算域尺寸、计算域离散和湍流模型等关键参数的选取。在此基础上对8种折叠网壳结构形状优化方案进行分析,得到其分区体型系数和体型系数的标准差,对比结构初始形态表面风压,最终得到具有良好抗风性能的最优方案,化解了结构的不利风压分布。结果表明,C FD数值分析技术能够有效地解决风敏感结构在风荷载作用下的形状优化问题,为结构体型优化和研发新型野营房屋提供了一个设计方法和理论依据。     

碳纤维/环氧树脂仿贝壳珍珠层结构强韧机制与性能优化的实验研究

材料的轻量化设计在生产实践中具有重大意义,将天然贝壳珍珠层结构应用到现有的高性能人工合成材料上,能够获得性能更加优异的轻质高强结构材料。本文采用碳纤维/环氧树脂复合材料,设计出了多种具有规则砖-泥交错叠层结构的仿贝壳珍珠层复合材料,通过力学性能测试实验、微观结构表征及力学原理分析等对不同片层单元长度及不同单元搭接形式的材料在拉伸载荷下的力学行为进行了研究,探索了其微观结构对材料强度和韧性的影响机制。结果表明,砖-泥交错叠层结构中砖块单元长度是影响材料强度和韧性的关键因素,而在此基础上通过对片层搭接形式的优化设计,可进一步改善其内部的应力分布与载荷传递机制,从而实现其强度和韧性的进一步提升与有效调控。     

基于空气流场压力分析的头盔冲击波防护效能研究

研究典型战斗头盔对爆炸冲击波致颅脑冲击伤的防护效能。首先开展了50 g TNT距有无头盔防护下头部模型1 m处爆炸的抗爆试验,采集了有无防护下头部前额、颅顶、颅后冲击波超压并进行了对比分析;建立了具有典型颅脑结构的头部有限元模型并进行爆炸冲击波加载,对试验工况进行了仿真再现,通过试验结果验证了仿真模型有效性;同时利用数值仿真对不同工况下冲击波流场压力变化规律进行分析;进一步利用数值仿真研究了泡沫衬垫对头盔防护能力的影响。研究结果表明,典型战斗头盔可使前额空气超压衰减为无防护时的54.5%,但是会使颅后空气超压增强为无防护时的2.19倍,对颅后冲击波防护产生负面效果;头盔悬挂中泡沫衬垫能消弱头盔对颅后防护的负面效果,提高头盔对冲击波的防护能力。

     

A novel capacitive pressure sensor structure with high sensitivity and quasi-linear responseUne nouvelle structure de capteur de pression capacitif avec haute sensibilitée et réponse quasi-linéaire

This paper describes a new capacitive structure of pressure sensor to increase simultaneously the sensitivity and the linearity of the transducer. This structure contains two capacitors which change in response to pressure, but in opposite senses. To increase even more the sensitivity of each capacitor, the pressure sensitive diaphragm carries a central boss. The optimal position and the length of the boss are also calculated. To cite this article: A. Ettouhami et al., C. R. Mecanique 332 (2004).