曲面狭缝间接触压力传感方法及无线监测技术研究

发布时间：2020-03-17 21:09

【摘要】：接触压力的实时监测对于对象状态监控和故障诊断分析具有十分重要的意义。针对特定的极端环境开展接触压力传感方法研究,已经成为传感器技术发展中面临的重要课题。金属曲面狭缝是一种特殊的极端环境,其在敏感器件尺寸、封装方法和信号传输方法等方面对测量系统提出了更为苛刻的要求。本文围绕曲面狭缝环境,分别开展了基于声表面波(SAW)谐振器和基于应变变形机理的两种接触压力无源无线测量方法研究。从分析曲面狭缝环境的应力分布特点和电磁波耦合特性出发,讨论了置入式传感器尺寸、刚度对狭缝环境中应力分布的影响情况,仿真估算了金属狭缝环境对其内部传感器的电磁屏蔽程度。以此为基础围绕两种不同的传感技术,分别开展了曲面狭缝环境中接触压力信号的获取、转换以及无线传输等关键环节的研究。具体内容如下:(1)基于SAW传感器的无源无线工作模式和周边固支圆膜片几何结构模型,提出一种基于单端SAW谐振器的圆膜片式多层薄膜力敏元件结构,用于曲面狭缝中接触压力的测量,仿真和分析了各层薄膜厚度和弹性模量对输出灵敏度的影响规律。结果显示,圆膜片中心位置的应力分布均匀且连续,是放置单通道高压力灵敏系数谐振器的理想选择。圆膜片空腔的大小是影响力敏元件灵敏度的主要因素。(2)建立单端SAW谐振器的耦合模模型,结合导纳曲线分析了谐振器关键尺寸参数对谐振器性能的影响。采用剥离工艺加工制作了SAW谐振器,分析了各工艺环节中的关键问题。力敏元件的封装采用了柔性薄膜用以有效传递大刚度接触面间的压力。通过开展柔性微带传输线和贴片天线优化设计方法的研究,制作了与SAW谐振器相匹配的无线访问单元。搭建的无源无线接触压力测量系统在0-4Mpa载荷范围内呈现出良好的线性度和测量精度。实验证明,大刚度接触环境中弹性薄膜的使用虽然可以提高压力传递效率,但是同时也会引起传感器的迟滞性误差。(3)基于应变式无源无线接触压力测量方法,提出一种多层薄膜封装的应变式力敏元件结构,各层薄膜的厚度和弹性模量对灵敏度的影响呈现出规律性。介质层的厚度和材料常数是影响力敏元件灵敏度的直接因素。支承基底的弹性模量主要影响应变状态而对挠度影响很小,因此可以通过支承基底弹性模量的合理取值来缓解应力集中现象。基于无线通信技术,搭建了接触压力无线测量系统并分析了信号处理的关键环节,实现了应变敏感信号的准确获取和稳定传输。应变式接触压力测量系统的加卸载测试结果表明,系统呈现出良好的线性度、测量精度和迟滞性。综上所述,本文利用无源无线传感技术在特殊极端测量环境中的优势,提出了曲面狭缝间接触压力测量方法,论文研究了曲面狭缝环境中接触压力信号的获取、转换以及无线传输关键环节,形成了大刚度接触面环境中力敏元件的设计方法和封装原则,通过仿真分析和实验测试,验证了薄膜力敏元件在曲面狭缝中的作用规律,揭示了力敏元件关键参数(各层厚度和弹性模量)对传感器灵敏度的影响机理。以无源无线方式实现曲面狭缝环境中接触压力敏感信号的测量,既为传感器的进一步工程化应用提供了理论依据,同时也对其他类似极端环境中物理量的测量具有指导性意义。本课题来源于国家自然科学基金课题“封闭球型壳体狭缝间作用力监测方法研究”,项目编号11076007。本文的部分研究成果已经成为曲面狭缝间传感器进一步工程化应用的理论依据,同时对未来成熟传感器产品的设计、封装及测试具有指导性意义。
【图文】：

示意图,狭缝,曲面,模型

第一章绪论的金属狭缝中，曲面（弧）所对的圆心角为 φs。力敏感元件置于测量是两个曲面之间的接触压力 P。传感器的访问端置于狭缝的方式对力敏元件进行访问。目前尚没有适用的接触压力测量方法研究成果来看，也尚无关于此类曲面狭缝极端环境中接触压力测研究的报道，更无成熟的压力传感器产品。本文将围绕该曲面狭压力传感方法及无线监测技术的全面研究。

接触应力,测量装置

第一章绪论梁的弯曲变形，贴附在悬臂梁背面的应变片会输出阻抗的变化。该单个传感器单元的尺寸为 5.5×3×1.3mm，压力的测量范围是 0-64kPa，测量误差 1.7%，并且几乎没有迟滞。不仅如此，，由于单个传感单元尺寸较小，只能测量单点的压力，作者利用 15 个传感单元组成了传感阵列，分布安装于人的硬腭位置，从而实现更大范围内的压力分布测量[15]。悬臂梁结构的力敏元件尺寸大小不一，一般根据使用场合不同在 10-1~102mm 数量级范围，薄而小的悬臂结构可测量程小，但是往往动态响应好，测量精度高。伴随着半导体硅微加工工艺和薄膜沉积工艺的不断成熟，基于悬臂梁结构的力敏元件呈现出尺寸小、重量轻、功耗低、性能好以及便于集成化等众多优点。例如 H.Tkahashi 设计并制作的用于测量压差的传感器，整体尺寸只有 1.5×1.5×0.3mm3，如图 1-3 所示，其悬臂梁本身的厚度只有 0.3μm，在-20Pa~20Pa 的压力范围内，灵敏度达到了 3.2×10-4Pa-1，测量精度为 0.02Pa。该传感器的一阶谐振频率为 13.4kHz，在响应动态载荷的过程中可以显示出良好的响应特性[16]。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212

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