【摘要】：接觸壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于對(duì)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(duì)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(hào)傳輸方法等方面對(duì)測(cè)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(jī)理的兩種接觸壓力無(wú)源無(wú)線測(cè)量方法研究。從分析曲面狹縫環(huán)境的應(yīng)力分布特點(diǎn)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(duì)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(duì)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(hào)的獲取、轉(zhuǎn)換以及無(wú)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(wú)源無(wú)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(cè)量,仿真和分析了各層薄膜厚度和彈性模量對(duì)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(duì)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(wèn)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(guò)開展柔性微帶傳輸線和貼片天線優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究,制作了與SAW諧振器相匹配的無(wú)線訪問(wèn)單元。搭建的無(wú)源無(wú)線接觸壓力測(cè)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(cè)量精度。實(shí)驗(yàn)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(shí)也會(huì)引起傳感器的遲滯性誤差。(3)基于應(yīng)變式無(wú)源無(wú)線接觸壓力測(cè)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(duì)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(duì)撓度影響很小,因此可以通過(guò)支承基底彈性模量的合理取值來(lái)緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象�；跓o(wú)線通信技術(shù),搭建了接觸壓力無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)并分析了信號(hào)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變敏感信號(hào)的準(zhǔn)確獲取和穩(wěn)定傳輸。應(yīng)變式接觸壓力測(cè)量系統(tǒng)的加卸載測(cè)試結(jié)果表明,系統(tǒng)呈現(xiàn)出良好的線性度、測(cè)量精度和遲滯性。綜上所述,本文利用無(wú)源無(wú)線傳感技術(shù)在特殊極端測(cè)量環(huán)境中的優(yōu)勢(shì),提出了曲面狹縫間接觸壓力測(cè)量方法,論文研究了曲面狹縫環(huán)境中接觸壓力信號(hào)的獲取、轉(zhuǎn)換以及無(wú)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(jì)方法和封裝原則,通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,驗(yàn)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(duì)傳感器靈敏度的影響機(jī)理。以無(wú)源無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)曲面狹縫環(huán)境中接觸壓力敏感信號(hào)的測(cè)量,既為傳感器的進(jìn)一步工程化應(yīng)用提供了理論依據(jù),同時(shí)也對(duì)其他類似極端環(huán)境中物理量的測(cè)量具有指導(dǎo)性意義。本課題來(lái)源于國(guó)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(cè)方法研究”,項(xiàng)目編號(hào)11076007。本文的部分研究成果已經(jīng)成為曲面狹縫間傳感器進(jìn)一步工程化應(yīng)用的理論依據(jù),同時(shí)對(duì)未來(lái)成熟傳感器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、封裝及測(cè)試具有指導(dǎo)性意義。
【圖文】：

第一章 緒論的金屬狹縫中，曲面（�。┧鶎�(duì)的圓心角為 φs。力敏感元件置于測(cè)量是兩個(gè)曲面之間的接觸壓力 P。傳感器的訪問(wèn)端置于狹縫的方式對(duì)力敏元件進(jìn)行訪問(wèn)。目前尚沒(méi)有適用的接觸壓力測(cè)量方法研究成果來(lái)看，也尚無(wú)關(guān)于此類曲面狹縫極端環(huán)境中接觸壓力測(cè)研究的報(bào)道，更無(wú)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(wú)線監(jiān)測(cè)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(huì)輸出阻抗的變化。該單個(gè)傳感器單元的尺寸為 5.5×3×1.3mm，壓力的測(cè)量范圍是 0-64kPa，測(cè)量誤差 1.7%，并且?guī)缀鯖](méi)有遲滯。不僅如此，，由于單個(gè)傳感單元尺寸較小，只能測(cè)量單點(diǎn)的壓力，作者利用 15 個(gè)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(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的壓力分布測(cè)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(chǎng)合不同在 10-1~102mm 數(shù)量級(jí)范圍，薄而小的懸臂結(jié)構(gòu)可測(cè)量程小，但是往往動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，測(cè)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(diǎn)。例如 H.Tkahashi 設(shè)計(jì)并制作的用于測(cè)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(dá)到了 3.2×10-4Pa-1，測(cè)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(dòng)態(tài)載荷的過(guò)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP212

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本文編號(hào)：2587708