温度补偿型半导体应变计研制
发布时间：2021-01-26 16:02
高超声速风洞是开展现代空气动力学研究最基础、最重要的地面模拟设备,广泛应用于航天航空,军事武器等领域的产品研发。而应变计是进行高超声速风洞实验时,用于检测作用于飞行器模型受力的应力天平的核心元件。现今,随着高超声速技术的快速发展,传统的金属箔式应变计因灵敏度低不能满足需求,需要研制一种具有更高精准度的应变计。扩散型半导体应变计是基于压阻效应而制成的一类传感器,具有灵敏度高、线性度大、迟滞性低、蠕变性小、体积小和耗电小等优点,广泛应用于各类机械量的测试。然而,半导体应变计对温度敏感,制约其在高超声速风洞实验中的应用。因此,为了充分利用半导体应变计优异特性,本文进行了温度补偿型半导体应变计的设计与验证。（1）通过理论分析,从材料选择、电阻设计和压敏电阻布局三个方面进行了温度补偿型半导体应变计的设计;仿真结果表明,基于硅材料和蛇形布局设计的温度补偿型应变计具有高的灵敏度、高的线性度和良好温度补偿特性。（2）采用先进的集成电路工艺完成了对设计的温度补偿型半导体应变计的流片。电阻一致性测试显示,半导体应变计片内电阻间相对偏差低于1.24%,具有良好一致性,灵敏度和线性度可分别达到71和-0.02...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高超声速风洞
第一章绪论1第一章绪论1.1研究工作的背景及意义图1-1高超声速风洞高超声速风洞是开展现代空气动力学研究最基本的地面模拟设备，广泛应用于航天航空，军事武器等领域的产品研发；通过高超声速风洞实验，可获得高超声速飞行器的空气动力特征，预测飞行性能，有效提高飞行器的研制质量和研发效率[1-2]，图1-1展示了高超声速风洞。测力实验是风洞实验中最基储最重要的实验项目，而风洞应变天平是一种用于测力实验的单分量或多分量的传感器。在高超声速风洞实验时，通过应变天平能够准确获取飞行器模型所受气动载荷的大孝方向和作用点，从而获得飞行器模型的空气动力学情况[3]。图1-2展示了杆式风洞应变天平。而应变计是风洞应变天平的核心元件，直接粘贴于应变天平表面用于间接图1-2杆式风洞应变天平
电子科技大学硕士学位论文2图1-3高超声速飞行器飞行模拟图测量作用于应变天平敏感元件上力的大小，实现A/D的转换。应变计的性能直接影响着应变天平的整体性能，最终影响着高超声速风洞实验的准确性和可靠性。现今，随着高超声速技术的不断发展，对应用于应变天平上的应变计提出更高的要求[4-8]。一方面飞行器模型体积不断缩小，应变天平尺寸相应减小，而一杆多分量风洞天平往往需要粘贴几十片应变计，粘贴空间有限，这就要求应变计具有更小的体积；另一方面，飞行器模型越来越复杂，对飞行器的微小气动布局精确测量提出更高要求，这要求应变计具有高的灵敏度和精准度；此外，在高超声速风洞实验中，为了防止气体冷凝，需要对气体进行加热，气体瞬间温度可达到几百摄氏度，应变天平处于快速升温的气流环境中，存在严重的温度干扰，严重影响应变计的精准度。图1-3展示了高超声速飞行器飞行模拟图。然而，传统的用于应变天平的金属箔式应变计虽可小型化，但具有低的灵敏度，难以测得微小形变；体型半导体应变计虽具有高的灵敏度，但体积大，不利于应变天平的小型化，尤其高的温度敏感性，严重制约其在变温环境中的应用[9-10]。在目前国内高超声速风洞实验中，为了充分利用体型半导体应变计的高灵敏度，采用隔热或冷却等装置，来抑制温度漂移；但这种方法复杂，不利于天平的小型化，补偿效果也不十分理想[11]。因此，当前急需研制一种具有体积孝灵敏度高和精准度高的的温度补偿型应变计，以满足高超声速风洞实验中的测力需要。这对于我国高超声速技术发展具有重要意义。1.2应变天平应变计分类应变计，亦称应变片[12]，是一种粘贴于被测试件，测量被测试件的应力应变、压力、扭矩和加速度等机械量的传感器。根据敏感机理的不同，目前应用于应变天
【参考文献】：
期刊论文
[1]高超声速风洞气动力试验技术进展[J]. 唐志共,许晓斌,杨彦广,李绪国,戴金雯,吕治国,贺伟. 航空学报. 2015(01)
[2]小尺寸应变天平设计方法研究[J]. 李绪国,杨彦广,李志辉,皮兴才. 实验流体力学. 2013(04)
[3]耐高温压力传感器研究现状与发展[J]. 张晓莉,陈水金. 传感器与微系统. 2011(02)
[4]电阻应变片的温度自补偿及其他[J]. 尹福炎. 衡器. 2009(09)
[5]高超音速飞行器及其关键技术简论[J]. 杨亚政,李松年,杨嘉陵. 力学进展. 2007(04)
[6]硅压阻式压力传感器温度补偿建模与算法研究[J]. 孙凤玲,于海超,王金文,方建雷,杨永刚. 微纳电子技术. 2007(Z1)
[7]压力传感器热零点漂移补偿各种计算方法的比较[J]. 苏亚,孙以材,李国玉. 传感技术学报. 2004(03)
[8]半导体应变计的温度误差及其补偿[J]. 孟凡文,梁海霞. 机电工程技术. 2003(04)
[9]压阻型压力传感器的零点温漂及其补偿技术[J]. 孙以材,魏占永,孙新宇,高振斌,刘惠丽. 半导体杂志. 1999(04)
[10]扩散硅全桥应变计的研制[J]. 马萍,陈丽娟,吕萍英. 黑龙江电子技术. 1999(02)
硕士论文
[1]开挖法增强型地热系统（EGS-E）潜在深地结构型态与效能概估法探索[D]. 唐敏.大连理工大学 2019
[2]新型六分量光纤天平研制[D]. 陈晨.南京航空航天大学 2017
[3]MEMS压阻式压力传感器技术研究[D]. 牛松杰.苏州大学 2016
[4]一种六分量应变式风洞天平的研制[D]. 刘勃锴.电子科技大学 2016
[5]光纤Fabry-Perot应变计在风洞天平上的应用研究[D]. 闵夫.中国空气动力研究与发展中心 2015
[6]风洞应变天平设计校准及灵敏度温度补偿[D]. 徐重玖.东北大学 2015
[7]压阻式压力传感器温度补偿方法研究[D]. 孙艳梅.齐齐哈尔大学 2012
[8]杆式应变天平优化设计方法研究与应用[D]. 张海天.南京航空航天大学 2012
[9]高温法珀应变传感器及其在应变天平中的应用[D]. 刘志伟.电子科技大学 2011
[10]压阻式压力传感器温度补偿方法实现的研究[D]. 刘鹏.天津大学 2010
本文编号：3001405
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高超声速风洞
第一章绪论1第一章绪论1.1研究工作的背景及意义图1-1高超声速风洞高超声速风洞是开展现代空气动力学研究最基本的地面模拟设备，广泛应用于航天航空，军事武器等领域的产品研发；通过高超声速风洞实验，可获得高超声速飞行器的空气动力特征，预测飞行性能，有效提高飞行器的研制质量和研发效率[1-2]，图1-1展示了高超声速风洞。测力实验是风洞实验中最基储最重要的实验项目，而风洞应变天平是一种用于测力实验的单分量或多分量的传感器。在高超声速风洞实验时，通过应变天平能够准确获取飞行器模型所受气动载荷的大孝方向和作用点，从而获得飞行器模型的空气动力学情况[3]。图1-2展示了杆式风洞应变天平。而应变计是风洞应变天平的核心元件，直接粘贴于应变天平表面用于间接图1-2杆式风洞应变天平
电子科技大学硕士学位论文2图1-3高超声速飞行器飞行模拟图测量作用于应变天平敏感元件上力的大小，实现A/D的转换。应变计的性能直接影响着应变天平的整体性能，最终影响着高超声速风洞实验的准确性和可靠性。现今，随着高超声速技术的不断发展，对应用于应变天平上的应变计提出更高的要求[4-8]。一方面飞行器模型体积不断缩小，应变天平尺寸相应减小，而一杆多分量风洞天平往往需要粘贴几十片应变计，粘贴空间有限，这就要求应变计具有更小的体积；另一方面，飞行器模型越来越复杂，对飞行器的微小气动布局精确测量提出更高要求，这要求应变计具有高的灵敏度和精准度；此外，在高超声速风洞实验中，为了防止气体冷凝，需要对气体进行加热，气体瞬间温度可达到几百摄氏度，应变天平处于快速升温的气流环境中，存在严重的温度干扰，严重影响应变计的精准度。图1-3展示了高超声速飞行器飞行模拟图。然而，传统的用于应变天平的金属箔式应变计虽可小型化，但具有低的灵敏度，难以测得微小形变；体型半导体应变计虽具有高的灵敏度，但体积大，不利于应变天平的小型化，尤其高的温度敏感性，严重制约其在变温环境中的应用[9-10]。在目前国内高超声速风洞实验中，为了充分利用体型半导体应变计的高灵敏度，采用隔热或冷却等装置，来抑制温度漂移；但这种方法复杂，不利于天平的小型化，补偿效果也不十分理想[11]。因此，当前急需研制一种具有体积孝灵敏度高和精准度高的的温度补偿型应变计，以满足高超声速风洞实验中的测力需要。这对于我国高超声速技术发展具有重要意义。1.2应变天平应变计分类应变计，亦称应变片[12]，是一种粘贴于被测试件，测量被测试件的应力应变、压力、扭矩和加速度等机械量的传感器。根据敏感机理的不同，目前应用于应变天
【参考文献】：
期刊论文
[1]高超声速风洞气动力试验技术进展[J]. 唐志共,许晓斌,杨彦广,李绪国,戴金雯,吕治国,贺伟. 航空学报. 2015(01)
[2]小尺寸应变天平设计方法研究[J]. 李绪国,杨彦广,李志辉,皮兴才. 实验流体力学. 2013(04)
[3]耐高温压力传感器研究现状与发展[J]. 张晓莉,陈水金. 传感器与微系统. 2011(02)
[4]电阻应变片的温度自补偿及其他[J]. 尹福炎. 衡器. 2009(09)
[5]高超音速飞行器及其关键技术简论[J]. 杨亚政,李松年,杨嘉陵. 力学进展. 2007(04)
[6]硅压阻式压力传感器温度补偿建模与算法研究[J]. 孙凤玲,于海超,王金文,方建雷,杨永刚. 微纳电子技术. 2007(Z1)
[7]压力传感器热零点漂移补偿各种计算方法的比较[J]. 苏亚,孙以材,李国玉. 传感技术学报. 2004(03)
[8]半导体应变计的温度误差及其补偿[J]. 孟凡文,梁海霞. 机电工程技术. 2003(04)
[9]压阻型压力传感器的零点温漂及其补偿技术[J]. 孙以材,魏占永,孙新宇,高振斌,刘惠丽. 半导体杂志. 1999(04)
[10]扩散硅全桥应变计的研制[J]. 马萍,陈丽娟,吕萍英. 黑龙江电子技术. 1999(02)
硕士论文
[1]开挖法增强型地热系统（EGS-E）潜在深地结构型态与效能概估法探索[D]. 唐敏.大连理工大学 2019
[2]新型六分量光纤天平研制[D]. 陈晨.南京航空航天大学 2017
[3]MEMS压阻式压力传感器技术研究[D]. 牛松杰.苏州大学 2016
[4]一种六分量应变式风洞天平的研制[D]. 刘勃锴.电子科技大学 2016
[5]光纤Fabry-Perot应变计在风洞天平上的应用研究[D]. 闵夫.中国空气动力研究与发展中心 2015
[6]风洞应变天平设计校准及灵敏度温度补偿[D]. 徐重玖.东北大学 2015
[7]压阻式压力传感器温度补偿方法研究[D]. 孙艳梅.齐齐哈尔大学 2012
[8]杆式应变天平优化设计方法研究与应用[D]. 张海天.南京航空航天大学 2012
[9]高温法珀应变传感器及其在应变天平中的应用[D]. 刘志伟.电子科技大学 2011
[10]压阻式压力传感器温度补偿方法实现的研究[D]. 刘鹏.天津大学 2010
本文编号：3001405
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/benkebiyelunwen/3001405.html
