MEMS梁膜结构流量传感器设计与实现

流量是工业检测重要参数之一。流量检测技术随着微机械电子系统（MEMS）技术的发展与应用，向着小型化、高精度、智能化的方向发展。基于MEMS技术设计了一种梁膜结合的压差式流量传感器结构，分析了其基本工作原理，采用硅微加工工艺对传感器进行了流片加工，然后对封装完成的传感器样机进行了气流和水流静态性能测试。气流测试灵敏度为0.3508mV/（ms-1）2，测试基本精度为0.5885%FS；水流测试灵敏度为41.5241mV/（ms-1）2，测试基本精度为0.9323%FS。结果表明，所设计传感器具有较高的灵敏度与基本精度，从而能完成流量信号的检测。     

MEMS 壁面剪应力传感器阵列水下标定实验研究

壁面剪应力的精确测量对于研究水下物体边界层流动、寻求有效的减阻增效措施至关重要。MEMS 壁面剪应力传感器的标定首先是最基本的静态标定,其决定了其测量的精度和数据的可信度。本文在分析已有标定方法的基础上研发1种新型水下壁面剪应力给定装置,并采用数值方法计算分析不同流速下的壁面剪应力给定条件,进而设计壁面剪应力传感器静态标定方案,开展了一种 MEMS 热膜式壁面剪应力传感器阵列的水下静态标定实验,获得了各传感单元的标定系数。     

水下壁面剪应力传感器温控标定装置研究

新型壁面剪应力传感器的出现为河口海岸工程中水下壁面剪应力的准确测量提供了新的方式。热式壁面剪应力传感器受环境温度影响显著，相关传感器的研究与应用需要准确的标定。本文基于宽扁管道内壁面切应力与沿程压力梯度的关系，研发了一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器静态标定装置，可实现不同水温条件下的壁面剪应力输出。该标定装置可提供的最大水温在35℃。最后通过对MEMS柔性热膜式壁面剪应力传感器在不同水温条件下的静态标定实验，确定了不同水温条件下传感器的标定系数，结果表明标定系数B与水温呈线性相关。     

热敏式壁面剪应力微传感器技术研究进展

基于MEMS技术的热敏式微传感器为壁面剪应力的测量提供了重要手段。本文介绍了国内外热敏式壁面剪应力微传感器技术的研究发展现状，重点从硅基和柔性聚合物基2种结构角度，对其工作原理以及不同热敏式微传感器的结构、关键工艺和性能测试进行了分析。     

永磁同步伺服系统电流环的设计

为构成高性能的伺服系统电流环，介绍了永磁同步电机实现矢量控制的原理，分析了电流环各环节的零点漂移及电机反电势对电流环的影响。然后根据系统动态性能的要求，设计并选择了调节器的型式与参数，并在调节器回路中引入微分调节，在PWM调制器中引入了过调制技术，从而提高了电流环的动态响应性能。实验和仿真结果表明，所采取的措施是有效的，可以提高和改善电流环的动态响应性能，为实现高性能永磁同步伺服系统奠定了基础。     

一种低耦合高精度六维力传感器设计及应用

多维力传感技术是工业智能化发展重要支撑技术之一。本文研制了一种中等量程的轮辐构型的电阻应变式六维力传感器,其量程为：切向力±300 N、法向力±600 N、力矩±25 N·m。传感器外圈和中心台通过4组特设的应变梁连接。每组应变梁包括一对处于两侧的“L”形梁及一根居中的扁平梁,能够从结构上降低维间耦合。进一步通过贴片及组桥方案设计从理论上消除了各方向间的耦合。静态标定结果表明,该传感器的维间耦合小于1%、测量精度不低于1‰、过载系数超过300%、非线性度低于0.3%。瞬态冲击法动态测试表明,该传感器具有较好的动态性能。本文将该六维力传感器用于机械臂抛光打磨过程的力学测量和反馈控制,取得了优异的效果,证实了传感器的可用性和优越性。该传感器将促进中国六维力测试技术发展、助力现代工业智能化进程。     

一种非介入式高超声速边界层不稳定波的测量方法

地面风洞实验是开展高超声速边界层转捩研究的主要手段之一，但是目前可用于高超声速边界层三维空间测量的实验技术仍极为缺乏，且已有测量技术的动态响应频率普遍较低。基于光的折射和干涉原理，搭建了一套非介入式聚焦激光差分干涉仪测量系统（Focused Laser Differential Interferometry，FLDI），可有效获取三维流场空间点的密度变化。在马赫数为8的常规高超声速风洞中，使用FLDI开展了来流雷诺数107/m、7°半锥角尖锥标模边界层的不稳定波测量实验。结果显示FLDI成功捕获到频率在327 kHz的第二模态不稳定波及其谐波（645 kHz）。通过与PCB测试结果进行对比，FLDI的高信噪比、高解析频率（本文实验有效解析频率1.5 MHz）、高空间分辨率（沿流向小于1 mm）等优点得以体现。鉴于FLDI的高时空分辨率等优良特性，其可用于高超声速边界层不稳定波行为以及感受性等问题的研究，为深入认识高超声速边界层转捩机制以及感受性问题提供了有效手段。     

底层隔板法壁面剪应力测量技术研究与发展

介绍了机械式底层隔板测量流体壁面剪应力的基本原理。重点阐述了基于微机电系统（MEMS）的微型底层隔板的集成化结构及其工作原理，介绍了其研究发展及测试应用情况。最后，简要分析了常规剪应力微传感器在高温测试方面的弊端，并结合已有高温摩阻测试研究，提出了未来壁面剪应力测量技术的发展方向。     

动静态载荷下光纤光栅传感器敏感特性研究

针对航空航天领域板结构动静态载荷监测需求,研究了基于铝合金板结构的光纤光栅（Fiber Bragg grating,FBG）传感器感知特性。从静载监测角度,得到光纤光栅传感器中心波长偏移量与加载距离、载荷大小和加载角度的对应关系。从动载监测角度,分别得到在不同加载距离和不同加载夹角的载荷作用下,光栅中心波长最大峰值幅度和基于小波包分解的能量谱特征随冲击载荷属性变化的响应特性。研究表明在动静态载荷作用下,光纤光栅传感器中心波长偏移量随加载载荷的增大而呈现良好的单调递增关系。此外,光纤光栅传感器还具有较好的载荷 方向敏感特性,传感器响应灵敏度随着加载夹角增大而逐渐提高。这些特性能够为进一步开展基于光纤光栅传感器的板结构动静态载荷辨识与损伤监测提供有益帮助。     

浮动电容式剪应力微传感器结构设计解析模型

为提高设计水平和效率，建立了浮动电容式剪应力微传感器结构设计解析模型。该解析模型明晰了微传感器探头结构参数与传感器性能指标之间的关系。针对微传感器量程、固有频率、非线性度、灵敏度和分辨率等指标需求，能够更有针对性地快速得到优化传感器结构方案。结合设计案例，给出了微传感器探头结构的设计方法与流程，设计研制的传感器测试实验结果与解析模型的设计结果相符合。     

基于MEMS传感器的高速风洞壁面剪切应力直接测量技术

提出了一种新的壁面剪切应力测量方法,使用锯齿状排布的MEMS传感器作为敏感元件,在高速风洞中对研制的剪切应力测量设备进行了原理验证实验.实验结果显示湍流中的局部壁面剪切应力大小是层流中的两倍以上,监测局部剪切应力可以作为一种有效的边界层转捩的实验判定方法.利用这一方法测得的转捩区与使用脉动压力测试技术测得结果一致,验证了通过MEMS元件监测局部剪切应力作为边界层转捩测量手段的可行性和可靠性.     

1200℃高温热环境下全场变形的非接触光学测量方法研究

将数字图像相关方法这一基于图像的非接触全场光学测量方法与瞬态气动热试验模拟系统相结合发展了一种用于1200℃高温环境下全场高温变形测量的新技术,为减小高温物体热辐射对数字摄像机所采集图像亮度增强的影响,采用了带通光学滤波成像技术,该技术可使图像采集系统在物体表面温度高达1200℃时仍可获得高质量的数字图像,这些图像可被...     

基于复合热膜技术的低风速及湍流测量

针对复合热膜应用于低风速和湍流强度测量方法进行了研究。风洞在进行低风速测量时普遍存在输出灵敏度不高的问题,采用增加热膜与环境温度差的方法,提高了热膜敏感探头在低速范围的输出灵敏度,实现了2m/s 内的风速和湍流准确测量。考虑到气体温度对热膜探头输出信号的影响,对温度补偿方法和补偿电路进行了研究,通过对电路的合理设计,实现了温差的精确控制。对热膜结构、尺寸和器件进行合理匹配,实现了复合热膜敏感探头的微型化设计。采用 MEMS 技术,通过最大限度减小加热电阻和测量电阻的尺寸,达到了较好的响应频率。测试结果表明,该复合热膜敏感探头可以满足低风速和湍流度的测试需求。     

柔性热膜剪应力传感器水下测量温度修正

柔性热膜微传感器应用于流体壁面剪应力测量时,流体温度对传感器输出有很大影响,因此有必要对工作在非标定温度下的传感器输出信号进行修正补偿。重点研究了水下测量时传感器输出与水温的关系以及温度修正方法。通过分析传感器过热比和流体物理性质与温度的相关性,建立了流体温度与传感器过热比和标定系数的函数关系。在此基础上,提出了一种用于水下剪应力测量的温度修正方法,可以有效减小水温对传感器输出的影响。经实验验证,该方法可以使工作在25℃、28℃水温环境下的传感器输出值与其20℃标定值的相对误差从23.7%和37.1%回落到0.82%和0.83%。     

高超声速风洞连续变动压舵面颤振试验

为了研究舵、翼面高超声速颤振特性，中国航天空气动力技术研究院建立了高超声速风洞连续变动压颤振试验技术。对具有相同结构动力学和气动特性的舵面模型进行颤振试验，试验马赫数为4.95和5.95。试验中缓慢连续增加试验动压直至颤振发生，并由此获得颤振临界参数；采用短时傅里叶变换时频域分析法研究了试验中模型频率随动压变化的耦合特性，分析表明该模型在试验条件下发生了经典弯扭耦合颤振。试验中还采用亚临界试验数据对颤振余度法和阻尼外推法2种颤振边界预测技术进行了研究，2种方法在高超声速颤振试验中都显示了良好的预测精度。研究还表明，动压增加的速率对颤振边界的预测精度影响较小。采用红外热成像技术对模型的气动加热进行了研究，温度场测量显示舵面最高温度出现在舵根部前缘位置，舵前缘和舵面斜面中后部温度也较高；舵轴裸露在流场中的部分由于反射板附面层的影响其气动加热问题并不严重。     

面向冲床冲击力测量的单分量重载传感器

为了测量冲击载荷达150 t,冲击频率为10 Hz的冲床冲击载荷,降低产品的废品率,本文设计、制造和评估了一种新颖的单分量重载传感器,冲床安装空间限制了该传感器的结构尺寸为Φ166 mm×45 mm,该传感器为4个支撑梁和1个应变梁组成的整体式结构,可保证传感器同时具有高刚度和高灵敏度。用一台300 t万能液压机进行静态标定,标定结果表明传感器的绝对误差达到2%。最后,现场实验进一步鉴定传感器的性能。     

基于脉冲加热法的薄膜热流传感器热物性参数测量技术研究

在激波风洞测热试验中，高精度的薄膜热流传感器热物性参数对于提高热流测量精度十分重要。利用积分球能收集反射光能、其反射光具有高均匀性的特性，提出了基于脉冲加热装置测量薄膜热流传感器表面、直接标定热物性参数的方法。基于该方法，搭建了用于测量薄膜热流传感器基底材料热物性参数的脉冲加热装置，并详细介绍了测量装置的系统组成和工作原理。该脉冲加热装置能够较好地模拟脉冲型风洞中薄膜热流传感器被加热的过程，可以精确标定热流值和薄膜热流传感器基底材料的热物性参数。研究结果表明:研制的脉冲加热测量装置具有操作便捷、试样制备简单和标定精度高等优点，其加热方式为瞬态加热，能较好地模拟传感器在脉冲型风洞中的使用环境，可以提高脉冲风洞中热流测量结果的精度。     

水下MEMS壁面剪应力传感器标定不确定度分析研究

针对MEMS壁面剪应力传感器进行了标定及其不确定度分析工作。标定基于压力梯度法，使用扁平校验水槽作为主要的试验装置。测量不同壁面剪应力下的MEMS输出电压信号，通过最小二乘拟合可获得标定系数。反复进行壁面剪应力及电压测量，同时查找相关产品说明书获得壁面剪应力及标定系数的不确定度。试验结果表明，剪应力测量的相对扩展不确定度小于7%，且外流速度越大，剪应力测量的不确定度越小，因此扁平校验水槽能够提供较高精度的剪应力输入；电压测量的相对扩展不确定度小于7%，且外流速度越大，电压测量的不确定度越小，因此传感器能够可靠地用于流体壁面剪应力的测量；标定曲线具有合理的形态且拟合相关性较高，因此标定公式具有较好的可靠性。