發(fā)布時間：2020-12-05 16:41

　　高溫環(huán)境下物體振動的監(jiān)測在航天航空、油氣開采、化工生產等領域中廣泛應用,而承力結構的熱性能評估在這些領域中事關安全極其重要。在以往的研究中光纖法珀式的傳感器已經證明在高溫環(huán)境下具有應用前景,它們有抗電磁干擾,抗腐蝕,精度高的特點。本文旨在設計一種制備成本低、體積小的全石英光纖在線式高溫振動傳感器,能夠嵌入物體內實現(xiàn)振動的直接測量,為將來光纖法珀傳感器的設計提供必要參考。論文的主要內容包括:(1)本文提出了一種用于高溫環(huán)境下進行振動測量的在線式光纖法珀傳感器,通過在光纖上焊接不同內外徑的石英套管構建了質量—彈簧—阻尼器系統(tǒng)實現(xiàn)高溫下振動的直接測量。分別從傳感器的光學解調設計、動力學設計以及熱力學設計三個方面詳細闡述了傳感器的設計思路并進行了相應的仿真。(2)結合二氧化碳激光熔接機的圖形化可編程模塊精確控制馬達與激光,分別完成了傳感器法珀腔的制備、質量塊系統(tǒng)的集成以及封裝外殼的焊接。實現(xiàn)了傳感器的高效率加工,具有很高的一致性,是一種批量化制造的方法。(3)搭建了高溫振動的測試平臺,測試結果表明,本文中制備的在線式光纖振動傳感器具有165Hz的共振頻率,靈敏度為11.57mv/g,非線性度為... 

【文章來源】：中北大學山西省

【文章頁數(shù)】：75 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

各行各業(yè)中的高溫振動測試需求越來越多Fig.1-1Theincreasingdemandforhightemperaturevibrationtestinginvariousindustries

中北大學學位論文4到了400℃[14]。圖1-2徐春曉等設計的基于十字梁結構的SOI微加速度計壓阻敏感結構及工藝流程Fig.1-2PiezoresistivesensitivestructureandprocessflowofSOImicro-accelerometerbasedoncrossbeamstructuredesignedbyXuChunxiaoetal電容式的振動傳感器主要是通過構造電容腔設計，質量塊在振動的作用下與固定電極板發(fā)生相對位移從而產生電容值的變化。根據(jù)電容腔產生電容變化的方式，電容式振動傳感器可以分為極距變化型，面積變化型和介質變化型[15]。傳統(tǒng)的電容式振動傳感器基于硅—硅鍵合工藝設計，精度高而且溫漂小，但是由于材料和電路的限制，無法在200℃以上工作。SOI的硅MEMS電容式振動傳感器則相對擁有更高的工作溫度，美國ADI公司研制的ADXL206型雙軸iMEMS加速度計可以在175℃以下的溫度工作[16]。為了獲得更高的工作溫度，也有一些研究嘗試使用SiC材料、低溫共燒陶瓷(LTCC)和高溫共燒陶瓷(HTCC)制作電容式振動傳感器，但由于不同材料的熱膨脹系數(shù)必須匹配就限制了制造工藝，使得電容式的振動傳感器都很難超過175℃的溫度限制[17]。瑞典皇家理工學院的MikhailAsiatici等人建立了帶氧化層的傾斜平板電容器的靜態(tài)模型，通過對電容式加速度計的高溫測量，證明了在高達400℃的條件下實現(xiàn)可靠的電容轉換的可行性[18]。中北大學劉鵬飛基于LC耦合諧振原理設計使傳感器能夠通過非接觸的方式將信號傳輸至處理電路，再通過給傳感器增加高溫防護和冷卻結構，實現(xiàn)了1250℃高溫下的傳感。但實際上這種傳感器信號的傳輸距離最多不超過17cm，且靈敏度較低，很難滿足工程

中北大學學位論文5需要[19]。圖1-3一種常用的傳感器高溫防護和冷卻系統(tǒng)Fig.1-3Acommonlyusedsensorhightemperatureprotectionandcoolingsystem壓電式的振動傳感器在高溫振動測量領域應用最為廣泛，耐溫的程度主要受限于材料的居里溫度和結構設計兩個方面[20]。按結構設計分類壓電式振動傳感器可以分為壓縮式和剪切式兩種，但不論是壓縮式還是剪切式，都需要考慮壓電元件在不同溫度下的穩(wěn)定性，因此一般都會采用一些隔熱設計，使壓電元件與傳感器外殼隔離。從材料上講，目前國內在高溫領域的壓電振動傳感器的研究和國外還有一定的差距，主要就是因為作為核心工作元件的壓電敏感材料不能滿足高溫的工作需求。在考慮壓電材料時需要考慮三個方面的因素：1、材料的壓電系數(shù)決定了傳感器是否具有高靈敏度。2、材料的居里溫度決定了傳感器能夠承受的溫度上限。3、材料的電阻率能否滿足高溫需求，大多數(shù)壓電材料的電阻在高溫下會下降可能導致元件的擊穿[21]。除此之外材料的熱膨脹也會影響測量的精度，需要做特定的溫漂處理。同時在外置放大電路中，溫度沿著信號線導熱會影響電路對信號的處理，需要研制耐高溫的電纜和專用的信號處理電路[22]。目前國內外對高溫壓電振動傳感器研究的機構和公司很多，國外主要有瑞士Vibro-Meter公司、美國Endeveo公司、美國壓電有限公司（PCB）等，國內的主要有上海硅酸鹽研究所以及中航工業(yè)成都凱天電子等[23]。上海硅酸鹽研究所在中心壓縮式的壓電加速度傳感器的基礎上基于壓電陶瓷研發(fā)了一種壓電傳感器，同時設計了隔熱套管和熱應力墊圈，據(jù)報道傳感器可以在450℃的高溫下工作。而中航工業(yè)成都凱天電子也設計了

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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[6]LC諧振式耐高溫加速度傳感器的設計[D]. 劉鵬飛.中北大學 2011
[7]用于全自動平衡機的差動動磁鐵型磁電速度傳感器研究[D]. 沈海平.浙江大學 2011
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本文編號：2899759