基于MEMS压阻传感器的低功耗高过载测试系统设计

为了检验弹体在高冲击环境下的工作情况,提出了一种基于压阻传感器的高过载、低功耗的测试系统设计方案。该系统可承受2×105g的过载冲击测试,且具有采样率高、体积小、功耗低的特点。通过打靶实验验证:在过载测试过程中该系统具有承受高冲击的能力,并能精确地采集到信号微弱变化,保证了弹体在飞行中记录数据的准确性。     

一种大过载MEMS加速度计新型封装方法

传统的MEMS系统级封装多采用IC标准的封装形式,例如塑料封装形式、陶瓷管壳封装形式、TO 系列金属管壳封装。由于大过载传感器需要工作环境冲击振动比较高,陶瓷管壳容易破碎;塑封采用热塑成型,封装后残余应力大;TO系列管壳体积较大,并且采用直插形式安装,在超过5×103g冲击下,管脚容易折断。针对这种情况,本文提出了一种新型 MEMS 加速度计封装方法,在圆片级采用玻璃-硅-玻璃三层结构,并采用铝金属壳体螺钉安装并在壳体内部双组分环氧树脂灌封。封装之后的大过载加速度计具有体积小,密封性强,残余应力小、抗强冲击、稳定性好、适应于小批量生产等优点。     

高量程压阻式加速度计的Hopkinson杆冲击测试及失效分析

为了保证高量程加速度计在冲击过程中的可靠性、有效性,减小其失效几率,以Hopkinson杆作为加载手段,采用激光干涉法对量程为1.0′10~5 g_n的4端全固支压阻式梁-岛结构微加速度计进行冲击试验,并分析了高量程加速度计抗过载能力及在冲击环境下失效模式和失效机理。试验中抽样对同种结构的10只传感器分别进行了冲击测试,根据测试结果可知,该结构的微加速度计抗过载能力为1.3′10~5g_n。通过分析可知失效模式主要表现为微结构梁的断裂、裂纹、键合点脱落现象。通过研究失效模式产生的原因发现,造成结构出现断裂、裂纹现象的原因主要有两种:一是重复连续冲击测试引起微结构疲劳产生失效;二是由于在冲击过程中加速度计芯片与该过程中产生的高频信号分量发生共振导致过载瞬间增大加速度计芯片结构位移失控使结构失效。通过采用不同手段完善传感器结构,提高了其可靠性。     

高g值加速度发生器中的波形整形技术

以Hopkinson压杆实验装置作为火工品抗过载实验中的高g值加速度发生器,通过数值模拟分析了子弹（形状）、波形整形器（材料、直径、厚度）对加载脉冲的影响规律,并获得了所需的加速度脉冲,实现了有效控制和改善火工品冲击实验中的加载环境。研究结果可为检验火工品在冲击环境下或经冲击后性能可靠度的实验设计、测试等提供依据。     

薄膜镱应力传感器

镱(Yb)应力传感器是一种新型金属压阻式传感器。在0～3.5GPa的低压范围内,与典型的锰铜、碳膜等应力传感器比较,镱传感器的压阻特性稳定,具有纳秒级的快速响应,压阻系数大,灵敏度高。薄膜镱应力传感器主要特点如下: 1.压阻特性稳定,测量重复性好。     

埋入式光纤布拉格光栅传感器低温力学传感性能的基础实验研究

在绕制、冷却和强磁场等极端运行条件下,高温超导磁体内部将会产生复杂的应力和应变,其内部最大应变可达到数千微应变,极易引起超导性能的退化,造成结构的破坏,因此,高温超导磁体结构内部的力学状态直接关系到运行的安全性和可靠性。而国内外针对高温超导磁体结构内部应变测量的技术尚处于初步研究阶段。基于光纤布拉格光栅(FBG)应变测量技术,结合钇钡铜氧(YBCO)高温超导带材结构,本文提出了一种埋入式FBG传感测量技术,即利用低温黏接剂等特殊材料将FBG传感器封装至带材的一侧,且几乎不影响带材尺寸,待绕制成磁体结构后,FBG传感器自然地埋入至线圈层间,以测量结构内部的形变行为等。结合YBCO高温超导线圈固化材料及固化技术,研制了4种不同的埋入式FBG应变传感器,并对传感器进行了测试对比和精度分析,给出了相应的实验标定曲线,以探讨FBG传感器在制备过程中粘贴工艺、低温环境等对实验结果的影响。结果表明：在低温胶以及环氧树脂的正确封装和良好固化情况下,所研制的埋入式FBG传感器在室温和液氮温区下具有较高的测量精度,可应用于低温环境下双层超导带材结构内部的应变监测等;所研制的埋入与准分布式FBG传感器在低温...     

膨胀管残余应力测试

膨胀管残余应力是影响膨胀管抗外挤、内压强度的重要因素之一。确定膨胀管的残余应力,测试方法至关重要。在常用测试方法中,机械测量法中的盲孔法体现出测试的优越性。应用盲孔法测试J55、K55两种规格膨胀管的残余应力,并根据实际测试的应力水平和实验误差,采用应变释放系数分级法对试验结果进行修正,以提高测试结果的精度。实验结果表明,膨胀管膨胀后存在环向、轴向的残余应力,且外表面总是压残余应力。将实验结果与仿真结果对比,误差满足工程要求,说明盲孔法测试膨胀管残余应力方便、快捷、准确、有效。     

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。     

高g值加速度传感器的标定

利用Hopkinson压杆装置,采用石英晶体片压力传感器对高g值加速度传感器进行了标定,并给出了加速度传感器灵敏度系数的标定公式。实验结果表明,本文中研制的利用石英晶体片压力传感器对高g值加速度传感器进行标定的实验装置可满足标定的精度要求,而且整个校准系统结构简单,易于操作。     

TC材料的低压Hugoniot参数实验测量研究

采用高阻值锰铜压阻传感器,并通过一级轻气炮实验对TC材料的低压Hugoniot参数C0,λ进行了测量,实验得到的压力曲线与理论分析基本一致,并对压力曲线与密实材料的理论波形进行了比较和分析。通过对实验结果进行最小二乘法拟合,得到了该材料低压冲击时的Hugoniot压缩线以及低压Hugoniot参数C0,λ。拟合结果表明:该多孔材料的低压D-u线具有较大的分散性。     

常温下JBO-9021高能钝感炸药直径效应实验

通过光电联合测试方法,测量了常温下直径为10、15和30mm 高能钝感炸药柱JBO-9021炸药的 定态爆速和波形,根据拟合的爆轰波阵面形状,分析了波阵面法向速度Dn与当地曲率 之间的关系。研究结 果表明,JBO-9021炸药的定态爆速随药柱直径的增大而增大,JBO-9021(w(HMX)=15%)相对JB-9014炸 药(w(TATB)=95%),爆轰波形更平坦,爆轰波非理想传播行为得到一定改进。     

爆炸冲击波对3种建筑玻璃的作用过程

借助ANSYS/LS -DYNA程序,采用ALE方法描述炸药和空气场,采用Lagrange方法描述玻璃,玻璃除考虑拉应力失效外,还增加了切应变失效判据,并给出了针对不同玻璃的建模方法和计算参数。利用建立的模型对爆炸冲击波对钢化夹胶玻璃、普通夹胶玻璃和浮法玻璃3种常用建筑玻璃的作用过程进行了数值模拟。计算结果可较好地反映实验中玻璃出现的冲切破坏现象,发生破坏时的冲击波超压也与实验结果吻合。研究表明,钢化玻璃比普通玻璃具有更强的抗爆性能,夹层玻璃中的PVB能有效地阻止玻璃的飞溅。     

粉煤灰及SAP对喷射混凝土早龄期开裂损伤影响

为系统研究粉煤灰、吸水保水剂(SAP)对喷射混凝土早龄期开裂损伤的影响,以掺入了粉煤灰、SAP的喷射混凝土为研究对象,对喷射混凝土的早龄期开裂损伤进行平板法试验研究。完成了各种试件的早龄期开裂损伤测试,研究了粉煤灰对喷射混凝土以及SAP对掺入20%粉煤灰喷射混凝土的早龄期开裂损伤的改善作用。试验结果表明,掺粉煤灰等量取代10%、20%水泥后,喷射混凝土的早龄期开裂损伤与基准喷射混凝土相比分别减小约7.2%和26.8%。掺0.25%SAP和0.5%SAP可以使20%粉煤灰掺量喷射混凝土的早龄期开裂损伤与基准喷射混凝土相比分别减小约57.9%和66.50%。因此,掺粉煤灰可有效地降低喷射混凝土早龄期开裂损伤,且在掺加粉煤灰的基础上再掺加适量的SAP效果会更佳。     

有机玻璃中球形应力波传播的分析

基于球形发散波实验技术及圆环型电磁粒子速度测试技术,采用0.125 g TNT当量的微型炸药作为爆炸源,对填实爆炸下有机玻璃中球形波的传播规律进行了实验研究,并基于粒子速度波形进行了分析。结果表明:粒子速度峰值及粒子位移峰值符合指数衰减规律,粒子速度、位移峰值的衰减指数分别为1.34和1.28;负向粒子速度峰值随比距离的增加有先增大后减小的趋势;基于强间断假设得到的低压(小于1 GPa)下径向压力峰值-粒子速度峰值关系与一维应变下得到的σ-v Hugoniot曲线吻合较好;采用变模量模型假设,结合粒子速度数据反演的有机玻璃弹性模量E=(6.40±0.64)GPa、体积模量K=(7.12±0.71)GPa、剪切模量G=(2.37±0.24)GPa。     

单向增强玻璃钢复合材料静/动态拉伸实验研究

本文针对单向增强玻璃钢复合材料,进行了一系列静/动态拉伸试验,利用高速摄影与DIC相结合的方法,获得了材料不同方向、不同应变率的应力-应变曲线以及材料在不同方向上的动态失效应变,精确地描述了材料的静/动态拉伸及失效行为。实验结果表明,纤维增强方向在不同应变率(10^-3、10、10^2 s^-1)拉伸应力-应变曲线均存在一个刚度减小的刚度变化点N,变化后的Echanged分别为初始弹性模量Einitial的67.5%、39.0%、21.4%。此材料在不同应变率(10^-3、10、10^2 s^-1)拉伸情况下,纤维增强的方向1上强度最高(分别为608、967、1 123 MPa),方向2强度最低(分别为75、67、58 MPa),方向3强度较低(分别为90、151、221 MPa)。利用高速摄影与DIC相结合的方法,获得了100 s^-1应变率下,不同铺层方向破坏时刻的动态失效参数(方向1~3的动态失效应变分别为0.267、0.078、0.099),可以更加精确地描述此单向增强玻璃钢复合材料的动态失效行为。     

Ti、TiN、TiO2改性层的纳米力学性能测试与分析

采用等离子表面合金化技术,分别在316L不锈钢表面制备出渗Ti改性层、渗TiN改性层和TiO2改性层薄膜.使用连续刚度法,从截面方向和表面方向对改性层进行纳米压痕实验,研究改性层的纳米力学性能.实验测得材料在压痕过程中的载荷—位移曲线以及硬度和模量随压入深度的连续变化值.结果表明,改性层纳米力学特性表现为各向异性;TiN改性层的力学性能表现良好.TiO2改性层由渗Ti改性层经氧化制成,二者的弹性模量和硬度在截面方向上变化规律相似,在表面方向上数值相近.     

基体偏压对磁控溅射类石墨镀层摩擦磨损性能的影响

利用4靶非平衡磁控溅射离子镀技术在Si（100）和W6Mo5Cr4V2高速钢基体上沉积类石墨镀层,研究了基体偏压与类石墨镀层的显微硬度、摩擦系数、比磨损率的关系,采用扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）分析了基体偏压对镀层的表面、断面形貌及微观结构的影响.结果表明：随着基体偏压值的增大,镀层的沉积速率下降,显微硬度和结合强度先增后降,摩擦系数和比磨损率则先降后升.不同偏压对应了不同的显微结构,当基体偏压为-65 V左右,镀层具有良好的力学性能和减摩耐磨性能,对应镀层表面光滑、结构致密,断面呈细纤维结构,镀层由C、Cr和CrCx纳米晶粒组成非晶结构.     

含铝纤维复合炸药的能量输出和力学强度

通过空中爆炸实验,研究了铝纤维对爆炸能量输出的影响,结果表明:wAl=0.20的TNT/Al,冲击 波压力峰值为TNT 的1.19倍,TNT 当量为TNT 的1.29倍;wAl=0.20的RDX/Al,冲击波压力峰值为 RDX的1.20倍,爆热为TNT的1.64倍,是RDX的1.31倍。通过抗压实验,研究了铝纤维对炸药力学强度 的影响,结果表明,铝纤维能增强TNT炸药的力学强度,破坏应力为6.8MPa,应变为0.043。铝纤维对炸药 能量和力学强度的双重增强特性,可以为现代高性能炸药设计提供参考。     

两种坐标系下惯导传递对准效果比较

分别建立了发射点惯性坐标系和当地地理坐标系下的惯导误差传播模型,以及典型匹配模式下的传递对准基本方程。基于运载火箭主动段飞行,分析了姿态机动运动对两种坐标系下传递对准的不同影响。数学模型和仿真分析表明,两种坐标系下的传递对准在原理和系统特性上均有较大差异。典型匹配方案的对准效果对比表明,发射点惯性坐标系内的"角速度+加速度"匹配是一种能够实现子惯导快速、准确初始化的有效方法。     

矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土的冲击力学性能

以矿渣和粉煤灰为原料,以氢氧化钠和液体硅酸钠为激发剂制备出养护28 d后静态抗压强度高达56.4 MPa的矿渣-粉煤灰基地质聚合物混凝土（geopolymer concrete, GC）试件,以普通硅酸盐水泥为原料制备出养护28 d静态抗压强度高达61.6 MPa的普通硅酸盐水泥混凝土（ordinary Portland cement concrete, PC）试件,采用100 mm霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）试验装置分别对GC试件和PC试件进行冲击压缩试验,得到了2种材料在0~100 s-1平均应变率范围内的应力应变曲线。通过分析应力应变曲线,并与PC进行了对比,研究了矿渣-粉煤灰基GC的冲击力学性能。结果表明,GC作为一种新型混凝土类材料,在冲击荷载作用下具有较好的强度、变形性能和韧性;GC是一种率敏感材料,冲击荷载作用下抗压强度、变形性能和韧性随应变率的增大而增强;和PC相比,冲击荷载下GC的抗压强度较小,韧性较低,GC在开始破坏前产生的变形与PC的基本相等,完全破坏时产生的变形较小。