微型耐高温光纤法珀振动传感器设计与研究
发布时间：2020-12-05 16:41
高温环境下物体振动的监测在航天航空、油气开采、化工生产等领域中广泛应用,而承力结构的热性能评估在这些领域中事关安全极其重要。在以往的研究中光纤法珀式的传感器已经证明在高温环境下具有应用前景,它们有抗电磁干扰,抗腐蚀,精度高的特点。本文旨在设计一种制备成本低、体积小的全石英光纤在线式高温振动传感器,能够嵌入物体内实现振动的直接测量,为将来光纤法珀传感器的设计提供必要参考。论文的主要内容包括:(1)本文提出了一种用于高温环境下进行振动测量的在线式光纤法珀传感器,通过在光纤上焊接不同内外径的石英套管构建了质量—弹簧—阻尼器系统实现高温下振动的直接测量。分别从传感器的光学解调设计、动力学设计以及热力学设计三个方面详细阐述了传感器的设计思路并进行了相应的仿真。(2)结合二氧化碳激光熔接机的图形化可编程模块精确控制马达与激光,分别完成了传感器法珀腔的制备、质量块系统的集成以及封装外壳的焊接。实现了传感器的高效率加工,具有很高的一致性,是一种批量化制造的方法。(3)搭建了高温振动的测试平台,测试结果表明,本文中制备的在线式光纤振动传感器具有165Hz的共振频率,灵敏度为11.57mv/g,非线性度为...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各行各业中的高温振动测试需求越来越多Fig.1-1Theincreasingdemandforhightemperaturevibrationtestinginvariousindustries
中北大学学位论文4到了400℃[14]。图1-2徐春晓等设计的基于十字梁结构的SOI微加速度计压阻敏感结构及工艺流程Fig.1-2PiezoresistivesensitivestructureandprocessflowofSOImicro-accelerometerbasedoncrossbeamstructuredesignedbyXuChunxiaoetal电容式的振动传感器主要是通过构造电容腔设计，质量块在振动的作用下与固定电极板发生相对位移从而产生电容值的变化。根据电容腔产生电容变化的方式，电容式振动传感器可以分为极距变化型，面积变化型和介质变化型[15]。传统的电容式振动传感器基于硅—硅键合工艺设计，精度高而且温漂小，但是由于材料和电路的限制，无法在200℃以上工作。SOI的硅MEMS电容式振动传感器则相对拥有更高的工作温度，美国ADI公司研制的ADXL206型双轴iMEMS加速度计可以在175℃以下的温度工作[16]。为了获得更高的工作温度，也有一些研究尝试使用SiC材料、低温共烧陶瓷(LTCC)和高温共烧陶瓷(HTCC)制作电容式振动传感器，但由于不同材料的热膨胀系数必须匹配就限制了制造工艺，使得电容式的振动传感器都很难超过175℃的温度限制[17]。瑞典皇家理工学院的MikhailAsiatici等人建立了带氧化层的倾斜平板电容器的静态模型，通过对电容式加速度计的高温测量，证明了在高达400℃的条件下实现可靠的电容转换的可行性[18]。中北大学刘鹏飞基于LC耦合谐振原理设计使传感器能够通过非接触的方式将信号传输至处理电路，再通过给传感器增加高温防护和冷却结构，实现了1250℃高温下的传感。但实际上这种传感器信号的传输距离最多不超过17cm，且灵敏度较低，很难满足工程
中北大学学位论文5需要[19]。图1-3一种常用的传感器高温防护和冷却系统Fig.1-3Acommonlyusedsensorhightemperatureprotectionandcoolingsystem压电式的振动传感器在高温振动测量领域应用最为广泛，耐温的程度主要受限于材料的居里温度和结构设计两个方面[20]。按结构设计分类压电式振动传感器可以分为压缩式和剪切式两种，但不论是压缩式还是剪切式，都需要考虑压电元件在不同温度下的稳定性，因此一般都会采用一些隔热设计，使压电元件与传感器外壳隔离。从材料上讲，目前国内在高温领域的压电振动传感器的研究和国外还有一定的差距，主要就是因为作为核心工作元件的压电敏感材料不能满足高温的工作需求。在考虑压电材料时需要考虑三个方面的因素：1、材料的压电系数决定了传感器是否具有高灵敏度。2、材料的居里温度决定了传感器能够承受的温度上限。3、材料的电阻率能否满足高温需求，大多数压电材料的电阻在高温下会下降可能导致元件的击穿[21]。除此之外材料的热膨胀也会影响测量的精度，需要做特定的温漂处理。同时在外置放大电路中，温度沿着信号线导热会影响电路对信号的处理，需要研制耐高温的电缆和专用的信号处理电路[22]。目前国内外对高温压电振动传感器研究的机构和公司很多，国外主要有瑞士Vibro-Meter公司、美国Endeveo公司、美国压电有限公司（PCB）等，国内的主要有上海硅酸盐研究所以及中航工业成都凯天电子等[23]。上海硅酸盐研究所在中心压缩式的压电加速度传感器的基础上基于压电陶瓷研发了一种压电传感器，同时设计了隔热套管和热应力垫圈，据报道传感器可以在450℃的高温下工作。而中航工业成都凯天电子也设计了
【参考文献】：
期刊论文
[1]桥梁应变采集系统设计及温度效应研究[J]. 王煜,李艳萍,张博,吕立程,宋相荣. 太原理工大学学报. 2020(02)
[2]加速度传感器种类剖析及适用性[J]. 徐文骏. 中国检验检测. 2019(04)
[3]基片式光纤光栅应变传感器增敏结构研究[J]. 李忠玉,张志勇,张信普,杨顺智,王鹏. 光通信技术. 2018(06)
[4]金属玻璃的断裂行为与强度理论研究进展[J]. 张哲峰,屈瑞涛,刘增乾. 金属学报. 2016(10)
[5]振动传感器的原理选择[J]. 汪嘉洋,刘刚,华杰,刘冰,张家林,穆文君. 传感器世界. 2016(10)
[6]金属材料断裂准则研究进展[J]. 高珍鹏,宫旭辉,薛钢. 材料开发与应用. 2016(01)
[7]高量程压阻式加速度计在高温环境下的失效研究[J]. 李建义,朱杰,王静. 仪表技术与传感器. 2015(04)
[8]超高温压电陶瓷研究进展[J]. 向炼,陈刚,符春林,蔡苇,陈健,李小双,宋云霞. 中国陶瓷. 2013(07)
[9]ADI公司推出iMEMS双轴加速度计ADXL206[J]. 韩霜. 世界电子元器件. 2011(07)
[10]SOI微加速度传感器结构设计与工艺实现[J]. 徐春晓,房立清,周新伟. 微细加工技术. 2008(06)
博士论文
[1]与航空发动机涡轮叶片一体化集成的薄膜应变计研究[D]. 刘豪.电子科技大学 2019
硕士论文
[1]压缩式高温压电加速度传感器设计与性能研究[D]. 潘睿.山东大学 2019
[2]基于微泡结构的耐高温光纤法珀传感器关键技术研究[D]. 李哲.中北大学 2018
[3]光纤法布里—珀罗干涉仪传感器的加工技术研究[D]. 刘鹏飞.北京理工大学 2016
[4]LTCC微机械差分电容式加速度计关键技术研究[D]. 张义川.北京信息科技大学 2015
[5]应用于高温环境下的地震传感器关键技术研究[D]. 丁莉莎.中国地震局地震预测研究所 2014
[6]LC谐振式耐高温加速度传感器的设计[D]. 刘鹏飞.中北大学 2011
[7]用于全自动平衡机的差动动磁铁型磁电速度传感器研究[D]. 沈海平.浙江大学 2011
[8]油井井下温度场的数值模拟[D]. 石颖.大庆石油学院 2004
本文编号：2899759
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
各行各业中的高温振动测试需求越来越多Fig.1-1Theincreasingdemandforhightemperaturevibrationtestinginvariousindustries
中北大学学位论文4到了400℃[14]。图1-2徐春晓等设计的基于十字梁结构的SOI微加速度计压阻敏感结构及工艺流程Fig.1-2PiezoresistivesensitivestructureandprocessflowofSOImicro-accelerometerbasedoncrossbeamstructuredesignedbyXuChunxiaoetal电容式的振动传感器主要是通过构造电容腔设计，质量块在振动的作用下与固定电极板发生相对位移从而产生电容值的变化。根据电容腔产生电容变化的方式，电容式振动传感器可以分为极距变化型，面积变化型和介质变化型[15]。传统的电容式振动传感器基于硅—硅键合工艺设计，精度高而且温漂小，但是由于材料和电路的限制，无法在200℃以上工作。SOI的硅MEMS电容式振动传感器则相对拥有更高的工作温度，美国ADI公司研制的ADXL206型双轴iMEMS加速度计可以在175℃以下的温度工作[16]。为了获得更高的工作温度，也有一些研究尝试使用SiC材料、低温共烧陶瓷(LTCC)和高温共烧陶瓷(HTCC)制作电容式振动传感器，但由于不同材料的热膨胀系数必须匹配就限制了制造工艺，使得电容式的振动传感器都很难超过175℃的温度限制[17]。瑞典皇家理工学院的MikhailAsiatici等人建立了带氧化层的倾斜平板电容器的静态模型，通过对电容式加速度计的高温测量，证明了在高达400℃的条件下实现可靠的电容转换的可行性[18]。中北大学刘鹏飞基于LC耦合谐振原理设计使传感器能够通过非接触的方式将信号传输至处理电路，再通过给传感器增加高温防护和冷却结构，实现了1250℃高温下的传感。但实际上这种传感器信号的传输距离最多不超过17cm，且灵敏度较低，很难满足工程
中北大学学位论文5需要[19]。图1-3一种常用的传感器高温防护和冷却系统Fig.1-3Acommonlyusedsensorhightemperatureprotectionandcoolingsystem压电式的振动传感器在高温振动测量领域应用最为广泛，耐温的程度主要受限于材料的居里温度和结构设计两个方面[20]。按结构设计分类压电式振动传感器可以分为压缩式和剪切式两种，但不论是压缩式还是剪切式，都需要考虑压电元件在不同温度下的稳定性，因此一般都会采用一些隔热设计，使压电元件与传感器外壳隔离。从材料上讲，目前国内在高温领域的压电振动传感器的研究和国外还有一定的差距，主要就是因为作为核心工作元件的压电敏感材料不能满足高温的工作需求。在考虑压电材料时需要考虑三个方面的因素：1、材料的压电系数决定了传感器是否具有高灵敏度。2、材料的居里温度决定了传感器能够承受的温度上限。3、材料的电阻率能否满足高温需求，大多数压电材料的电阻在高温下会下降可能导致元件的击穿[21]。除此之外材料的热膨胀也会影响测量的精度，需要做特定的温漂处理。同时在外置放大电路中，温度沿着信号线导热会影响电路对信号的处理，需要研制耐高温的电缆和专用的信号处理电路[22]。目前国内外对高温压电振动传感器研究的机构和公司很多，国外主要有瑞士Vibro-Meter公司、美国Endeveo公司、美国压电有限公司（PCB）等，国内的主要有上海硅酸盐研究所以及中航工业成都凯天电子等[23]。上海硅酸盐研究所在中心压缩式的压电加速度传感器的基础上基于压电陶瓷研发了一种压电传感器，同时设计了隔热套管和热应力垫圈，据报道传感器可以在450℃的高温下工作。而中航工业成都凯天电子也设计了
【参考文献】：
期刊论文
[1]桥梁应变采集系统设计及温度效应研究[J]. 王煜,李艳萍,张博,吕立程,宋相荣. 太原理工大学学报. 2020(02)
[2]加速度传感器种类剖析及适用性[J]. 徐文骏. 中国检验检测. 2019(04)
[3]基片式光纤光栅应变传感器增敏结构研究[J]. 李忠玉,张志勇,张信普,杨顺智,王鹏. 光通信技术. 2018(06)
[4]金属玻璃的断裂行为与强度理论研究进展[J]. 张哲峰,屈瑞涛,刘增乾. 金属学报. 2016(10)
[5]振动传感器的原理选择[J]. 汪嘉洋,刘刚,华杰,刘冰,张家林,穆文君. 传感器世界. 2016(10)
[6]金属材料断裂准则研究进展[J]. 高珍鹏,宫旭辉,薛钢. 材料开发与应用. 2016(01)
[7]高量程压阻式加速度计在高温环境下的失效研究[J]. 李建义,朱杰,王静. 仪表技术与传感器. 2015(04)
[8]超高温压电陶瓷研究进展[J]. 向炼,陈刚,符春林,蔡苇,陈健,李小双,宋云霞. 中国陶瓷. 2013(07)
[9]ADI公司推出iMEMS双轴加速度计ADXL206[J]. 韩霜. 世界电子元器件. 2011(07)
[10]SOI微加速度传感器结构设计与工艺实现[J]. 徐春晓,房立清,周新伟. 微细加工技术. 2008(06)
博士论文
[1]与航空发动机涡轮叶片一体化集成的薄膜应变计研究[D]. 刘豪.电子科技大学 2019
硕士论文
[1]压缩式高温压电加速度传感器设计与性能研究[D]. 潘睿.山东大学 2019
[2]基于微泡结构的耐高温光纤法珀传感器关键技术研究[D]. 李哲.中北大学 2018
[3]光纤法布里—珀罗干涉仪传感器的加工技术研究[D]. 刘鹏飞.北京理工大学 2016
[4]LTCC微机械差分电容式加速度计关键技术研究[D]. 张义川.北京信息科技大学 2015
[5]应用于高温环境下的地震传感器关键技术研究[D]. 丁莉莎.中国地震局地震预测研究所 2014
[6]LC谐振式耐高温加速度传感器的设计[D]. 刘鹏飞.中北大学 2011
[7]用于全自动平衡机的差动动磁铁型磁电速度传感器研究[D]. 沈海平.浙江大学 2011
[8]油井井下温度场的数值模拟[D]. 石颖.大庆石油学院 2004
本文编号：2899759
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