【摘要】：接觸壓力的實時監(jiān)測對于對象狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷分析具有十分重要的意義。針對特定的極端環(huán)境開展接觸壓力傳感方法研究,已經(jīng)成為傳感器技術(shù)發(fā)展中面臨的重要課題。金屬曲面狹縫是一種特殊的極端環(huán)境,其在敏感器件尺寸、封裝方法和信號傳輸方法等方面對測量系統(tǒng)提出了更為苛刻的要求。本文圍繞曲面狹縫環(huán)境,分別開展了基于聲表面波(SAW)諧振器和基于應(yīng)變變形機理的兩種接觸壓力無源無線測量方法研究。從分析曲面狹縫環(huán)境的應(yīng)力分布特點和電磁波耦合特性出發(fā),討論了置入式傳感器尺寸、剛度對狹縫環(huán)境中應(yīng)力分布的影響情況,仿真估算了金屬狹縫環(huán)境對其內(nèi)部傳感器的電磁屏蔽程度。以此為基礎(chǔ)圍繞兩種不同的傳感技術(shù),分別開展了曲面狹縫環(huán)境中接觸壓力信號的獲取、轉(zhuǎn)換以及無線傳輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)的研究。具體內(nèi)容如下:(1)基于SAW傳感器的無源無線工作模式和周邊固支圓膜片幾何結(jié)構(gòu)模型,提出一種基于單端SAW諧振器的圓膜片式多層薄膜力敏元件結(jié)構(gòu),用于曲面狹縫中接觸壓力的測量,仿真和分析了各層薄膜厚度和彈性模量對輸出靈敏度的影響規(guī)律。結(jié)果顯示,圓膜片中心位置的應(yīng)力分布均勻且連續(xù),是放置單通道高壓力靈敏系數(shù)諧振器的理想選擇。圓膜片空腔的大小是影響力敏元件靈敏度的主要因素。(2)建立單端SAW諧振器的耦合模模型,結(jié)合導(dǎo)納曲線分析了諧振器關(guān)鍵尺寸參數(shù)對諧振器性能的影響。采用剝離工藝加工制作了SAW諧振器,分析了各工藝環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵問題。力敏元件的封裝采用了柔性薄膜用以有效傳遞大剛度接觸面間的壓力。通過開展柔性微帶傳輸線和貼片天線優(yōu)化設(shè)計方法的研究,制作了與SAW諧振器相匹配的無線訪問單元。搭建的無源無線接觸壓力測量系統(tǒng)在0-4Mpa載荷范圍內(nèi)呈現(xiàn)出良好的線性度和測量精度。實驗證明,大剛度接觸環(huán)境中彈性薄膜的使用雖然可以提高壓力傳遞效率,但是同時也會引起傳感器的遲滯性誤差。(3)基于應(yīng)變式無源無線接觸壓力測量方法,提出一種多層薄膜封裝的應(yīng)變式力敏元件結(jié)構(gòu),各層薄膜的厚度和彈性模量對靈敏度的影響呈現(xiàn)出規(guī)律性。介質(zhì)層的厚度和材料常數(shù)是影響力敏元件靈敏度的直接因素。支承基底的彈性模量主要影響應(yīng)變狀態(tài)而對撓度影響很小,因此可以通過支承基底彈性模量的合理取值來緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象�；跓o線通信技術(shù),搭建了接觸壓力無線測量系統(tǒng)并分析了信號處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié),實現(xiàn)了應(yīng)變敏感信號的準(zhǔn)確獲取和穩(wěn)定傳輸。應(yīng)變式接觸壓力測量系統(tǒng)的加卸載測試結(jié)果表明,系統(tǒng)呈現(xiàn)出良好的線性度、測量精度和遲滯性。綜上所述,本文利用無源無線傳感技術(shù)在特殊極端測量環(huán)境中的優(yōu)勢,提出了曲面狹縫間接觸壓力測量方法,論文研究了曲面狹縫環(huán)境中接觸壓力信號的獲取、轉(zhuǎn)換以及無線傳輸關(guān)鍵環(huán)節(jié),形成了大剛度接觸面環(huán)境中力敏元件的設(shè)計方法和封裝原則,通過仿真分析和實驗測試,驗證了薄膜力敏元件在曲面狹縫中的作用規(guī)律,揭示了力敏元件關(guān)鍵參數(shù)(各層厚度和彈性模量)對傳感器靈敏度的影響機理。以無源無線方式實現(xiàn)曲面狹縫環(huán)境中接觸壓力敏感信號的測量,既為傳感器的進一步工程化應(yīng)用提供了理論依據(jù),同時也對其他類似極端環(huán)境中物理量的測量具有指導(dǎo)性意義。本課題來源于國家自然科學(xué)基金課題“封閉球型殼體狹縫間作用力監(jiān)測方法研究”,項目編號11076007。本文的部分研究成果已經(jīng)成為曲面狹縫間傳感器進一步工程化應(yīng)用的理論依據(jù),同時對未來成熟傳感器產(chǎn)品的設(shè)計、封裝及測試具有指導(dǎo)性意義。
【圖文】：

第一章 緒論的金屬狹縫中，曲面（弧）所對的圓心角為 φs。力敏感元件置于測量是兩個曲面之間的接觸壓力 P。傳感器的訪問端置于狹縫的方式對力敏元件進行訪問。目前尚沒有適用的接觸壓力測量方法研究成果來看，也尚無關(guān)于此類曲面狹縫極端環(huán)境中接觸壓力測研究的報道，更無成熟的壓力傳感器產(chǎn)品。本文將圍繞該曲面狹壓力傳感方法及無線監(jiān)測技術(shù)的全面研究。

第一章 緒論梁的彎曲變形，貼附在懸臂梁背面的應(yīng)變片會輸出阻抗的變化。該單個傳感器單元的尺寸為 5.5×3×1.3mm，壓力的測量范圍是 0-64kPa，測量誤差 1.7%，并且?guī)缀鯖]有遲滯。不僅如此，，由于單個傳感單元尺寸較小，只能測量單點的壓力，作者利用 15 個傳感單元組成了傳感陣列，分布安裝于人的硬腭位置，從而實現(xiàn)更大范圍內(nèi)的壓力分布測量[15]。懸臂梁結(jié)構(gòu)的力敏元件尺寸大小不一，一般根據(jù)使用場合不同在 10-1~102mm 數(shù)量級范圍，薄而小的懸臂結(jié)構(gòu)可測量程小，但是往往動態(tài)響應(yīng)好，測量精度高。伴隨著半導(dǎo)體硅微加工工藝和薄膜沉積工藝的不斷成熟，基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的力敏元件呈現(xiàn)出尺寸小、重量輕、功耗低、性能好以及便于集成化等眾多優(yōu)點。例如 H.Tkahashi 設(shè)計并制作的用于測量壓差的傳感器，整體尺寸只有 1.5×1.5×0.3mm3，如圖 1-3 所示，其懸臂梁本身的厚度只有 0.3μm，在-20Pa~20Pa 的壓力范圍內(nèi)，靈敏度達到了 3.2×10-4Pa-1，測量精度為 0.02Pa。該傳感器的一階諧振頻率為 13.4kHz，在響應(yīng)動態(tài)載荷的過程中可以顯示出良好的響應(yīng)特性[16]。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP212

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