谐振式传感器的脉冲式双参数检测方法

采用方波脉冲作为激励信号,对谐振式传感器的谐振器进行激励。通过对含有谐振频率和阻尼信息的自由衰减振动信号的采集及处理,同时得到了谐振器的谐振频率及谐振阻尼参数。以电涡流位移传感器为例,实际搭建了这种基于脉冲激励的双参数检测实验装置。实验结果表明,该方法可同时获取位移检测过程中的谐振频率及谐振阻尼参数。这种脉冲检测方式不仅可用于新型电涡流传感器的研制,而且可进一步推广到其他类型的谐振式传感器中。     

无源谐振器在电涡流位移传感器中的谐振增强效应

在两只同轴电磁耦合线圈之间插入一只无源谐振线圈,可利用谐振耦合显著提高能量传输效率。为探索这种谐振增强效应在传感器领域的应用可能性,制作了一只与测量电路无任何引线连接的、由电感线圈及电容串联组成的无源LC谐振器,放置于电涡流位移传感器探测线圈与金属目标靶间的测量通道中。实验结果表明:当传感器工作在该谐振器的谐振频率点附近时,有效探测距离和灵敏度会得到显著增强。进一步针对发射-接收式双线圈位移检测系统进行了实验,结果同样证实了无源LC谐振器介入后的谐振增强作用。该结论对于其他带有电感耦合线圈的传感系统同样具有参考价值。     

梳齿结构与振动梁复合的硅微谐振器的非线性分析

谐振式MEMS传感器的输出信号为频率信号,具有高精度和强抗干扰能力等优点,是微传感器的重要发展方向之一. 但是这类传感器振动具有的非线性会导致振动幅度噪声耦合到频率输出进而对器件的噪声性能产生不利影响,所以对谐振器非线性振动的特性进行分析显得十分重要. 以梳齿结构与振动梁复合的谐振器为研究对象,推导出谐振梁的力-位移方程、振动微分方程,并与实验结果比对,曲线具有很好的吻合度,证明了理论的正确性. 同时表明结构机械非线性主要受谐振梁厚度影响;非线性失稳的临界状态会使结构发生频率跳跃,增加结构阻尼能有效增大系统稳定响应的位移和输出电压信号,同时利用结构非线性失稳后的上跃频率设计器件具有良好的稳定性.      

脉冲涡流检测中参数影响的仿真分析与实验研究

脉冲涡流检测过程中传感器尺寸及激励参数对检测结果影响较大,对其进行优化设计可提高检测系统的性能。在分析矩形脉冲涡流传感器工作原理的基础上,采用ANSYS仿真软件建立了脉冲涡流的仿真模型,仿真分析了传感器尺寸变化对铝板中涡流衰减规律的影响,激励脉冲频率和占空比变化对缺陷检测灵敏度的影响,仿真结果表明:当激励线圈长度增加时,涡流在铝板中的衰减速度变慢,而当激励线圈宽度和高度增加时,涡流在铝板中的衰减速度变快;激励频率与占空比对缺陷检测灵敏度的影响与被测试件厚度有关,对于厚度较大的板材,应适当降低激励频率并提高占空比。最后采用实验的方法对仿真结果进行了验证,实验与仿真结果相一致,证明了仿真结论的正确性。     

双端音叉式硅微谐振器的电修调

双端音叉式硅微谐振器在制造过程中的误差会造成两根振梁谐振频率存在差异,这种差异严重降低了双端音叉式硅微谐振器的品质因数,进而造成传感器精度降低等问题。该文利用电容式传感器存在静电负刚度效应的原理,采用改变直流预载电压的电调整方法对振梁的刚度进行修调,从而精确地将两根振梁的谐振频率调整到一致。对这种方法进行了试验验证,试验结果验证了这种电修调的可行性。电修调可以有效提高双端音叉硅微谐振器的品质因数。     

多层金属膜厚度的无损测量研究

提出一种用电涡流传感器实现无损在线测量工件金属膜厚度的方法。给电涡流传感器同时施加3种不同频率的激励信号,通过传感器与各层金属膜所感应的电涡密度,可以间接获得2层不同材料的金属膜厚度,同时还可获得传感器与表层被测工件表面的距离。理论分析和实验结果表明了这种方法的可行性。     

石英谐振式力传感器的温度特性及其自补偿

石英谐振式力传感器的温度特性是实际应用中一个需重点考虑的性能参数。本文通过分析石英晶体谐振器在基频谐振与三次谐波振动下所表现出的不同频率——温度特性，对石英谐振式力传感器的相应温度特性进行了分析研究，并提出了传感器温度特性的自补偿方法。实验结果表明，同时测量同一传感器在不同振动模式下的频率，可在一定精度上实现传感器工作温度的自测，从而可在不另增加测温元件的条件下实现传感器温度特性的补偿。     

电涡流传感器温度稳定性研究

为了提高磁悬浮轴承高频电主轴控制系统中电涡流传感器的温度稳定性,针对恒频调幅式电涡流位移振动传感器,分析了电涡流传感器的基本结构和工作原理,建立了检测电路数学模型,找出了影响其温度稳定性的主要原因,并提出了对激励信号进行稳频、稳幅,尽量减小检测线圈等效损耗电阻以及差动补偿等提高温度稳定性的措施。作者在此基础上研制出的精密差动式电涡流位移振动传感器,在实际运行中温度系数达到２×１０－ ４℃－ １ 以上,长期稳定性优于０．５％ 。     

基于方波脉冲激励的电导率测量方法

采用方波脉冲信号作为激励获取导电介质的电阻抗信息时,方波信号频谱中高次谐波的幅值衰减一直是难以克服的问题。对一阶阻容型传感系统添加电感或电容元件构成二阶谐振单元,在激励信号的上、下沿处会出现自由衰减振荡信号,可使激励信号频谱在谐振单元的谐振频率附近得到增强。通过测量方波下降沿处自由衰减振荡信号第一个波峰的峰值电压,即可得到谐振单元中等效电阻的测量值。实验结果表明:这种检测方式只需要数字电路产生固定频率的方波激励信号,即可实现30kHz~1MHz范围内的电阻测量,可用于电解质溶液、水、人体皮肤等介质电导率的有线及无线测量。     

基于虚拟仪器的脉冲涡流激励源设计

脉冲涡流检测是电涡流检测技术的一个最新研究,激励源采用一定占空比的方波信号.结合虚拟仪器技术,设计了一种USB接口的直接数字合成的脉冲涡流激励源.实验结果表明该激励源有占空比(10%～90%),频率(0.5k～500kHz)连续可调,分辨率高(0.011 6Hz),稳定可靠,界面友好等优点,能够满足脉冲涡流探头驱动要求,具有一定应用前景.     

脉冲涡流热成像检测金属缺陷的激励参数研究

针对脉冲涡流热成像检测中激励参数选择难的问题,提出了一种激励参数优化选择方法。利用COMSOL4.4仿真软件建立金属铝材料裂纹缺陷检测的脉冲涡流热成像仿真模型,研究提离高度、激励频率、渗透深度、激励电流、加热时间等激励参数下裂纹缺陷的脉冲涡流热特性,分析不同激励参数脉冲涡流作用下的裂纹缺陷周边温度场分布与变化规律,给出相应的最优激励参数。实验结果表明,实验仿真结果与理论分析一致,可为检测系统设计提供参考。     

基于FPGA的数字化电涡流位移传感器设计

电涡流位移传感器的载波信号和解调信号均为模拟处理信号,其测量和解调电路均会提高硬件电路复杂性和信号的不稳定性,并增大磁轴承系统的总体设计体积和功耗等。针对这一问题,该文设计了以调幅式电涡流位移传感器为基础的数字化电涡流位移传感器。利用现场可编程门阵列(FPGA)的数字输出信号设计传感器的载波信号,通过FPGA的软件设计对测量电路的输出信号进行数字化处理。该设计在有效降低电路设计复杂性和功耗的同时,提高了传感器测量的可靠性和精确性。     

谐振式微加速度计驱动和检测结构设计及制作

基于谐振式加速度计的工作原理和结构特点,设计了一种新型微加速度计谐振器,用解析法和有限元法计算了谐振器的横向驱动力以及其处于谐振状态时的检测电容值。综合粘性阻尼、运动阻尼和气膜阻尼,分析了谐振器在大气环境下的阻尼和品质因子。应用MEMS(microelectromechanical system)工艺,完成了微加速度计谐振器的制作。测试结果表明:谐振器性能良好,谐振频率为54523.5 Hz,与设计的理论值误差约为13.6%。     

基于平面线圈阵列传感器的铝板材料裂纹电涡流检测

设计并研制了一种采用平面PCB板工艺制作的线圈阵列式电涡流传感器,包括采用计算公式确定了平面圆形螺旋线圈的相关参数;采用ANSOFT有限元软件进行仿真,分析了试件裂纹缺陷处涡流场的分布状态;以非铁磁性材料铝板作为被测试件,对其上的预制裂纹进行检测,证明了这种平面线圈阵列传感器工作的有效性. 结果表明,这种平面线圈阵列式电涡流传感器能够有效检测铝板上的微小裂纹,且信号幅值等输出信号参数和裂纹的几何参数之间具有较好的相关性.      

无线无源LC谐振式位移传感技术研究

对无线无源LC谐振式位移传感技术进行了研究,运动的介质进入电容极板使电容量发生改变,进而使LC谐振频率发生改变,通过谐振频率值来推测介质进入电容极板的位移,通过制作PCB位移传感模型并对该模型进行天线无源扫频信号测试,测试结果表明LC谐振频率随着介质位移的增加而单调减小,而且在介质10 mm的位移量内,传感器谐振频率发生了17.5 MHz的变化。实验中由于电容边缘效应和电感寄生电容的影响,测试值与理论推导值有一定的偏差。     

双线圈结构电涡流位移传感器的设计

根据电涡流检测原理,采用双线圈结构设计电涡流位移传感器探头,并结合由信号源、直流电源、信号处理和显示等模块构成的测量电路进行实验.实验结果表明,双线圈电涡流位移传感器具有输出信号稳定、抗干扰能力强、测量精度较高、电路简单、成本低等特点.     

基于新型脉冲涡流传感器的裂纹缺陷定量检测技术

传统脉冲涡流检测技术采用反射型传感器,其通过一个圆柱形的激励线圈来产生激励磁场,采用检测线圈或霍尔传感器来检测扰动磁场,然而由于激励磁场要比缺陷引起的扰动磁场强很多,使得这种结构的传感器对缺陷的检测灵敏度不高,需采用差分的方法来增强缺陷信息.提出了一种新型脉冲涡流传感器,其通过采用矩形激励线圈来改变激励场的空间分布,使得无需差分就可以对缺陷进行定量.在分析该新型脉冲涡流传感器检测原理的基础上,采用仿真和实验相结合的方法研究了其对裂纹缺陷长度和深度进行定量的效果,仿真与实验结果相一致,证明了该传感器的有效性.     

油气管道涡流变形检测探头研制

针对传统的管道变形内检测探头环向检测面积较小的问题,在磁旋转编码检测技术的基础上,结合电涡流检测技术,研制了一种涡流变形内检测探头。文中首先介绍了电涡流管道变形检测的理论基础,设计了管道涡流变形检测探头的机械结构及电路系统,利用有限元方法得到探头与被测件距离d的增加引起传感器输出电压峰值信号呈现非线性减小的变化规律,同时研究了激励信号峰值和激励线圈内径变化对d值检测的影响。后进行实验验证,结果表明基于电涡流检测技术的管道变形检测具有可行性,实验测量精度达到1mm。该检测探头的研制对于提高管道变形内检测环向检测精度、降低检测成本具有一定的意义。     

宽频磁耦合谐振式无线电能传输系统谐振器设计

为提高谐振式无线电能传输系统的工作频率范围并定量化设计谐振器的参数,首先根据谐振式无线电能传输原理,建立电路模型方程,研究了系统传输特性与谐振器线圈参数之间的关系,在指定谐振频率、传输距离、负载和接收功率情况下,实现线圈半径及匝数等参数的选取方法.同时在谐振器参数给定情况下,仿真分析了负载功率、发射线圈电流、传输效率等传输特性随传输距离的变化特性.最终,结合所设计研制的宽频磁耦合谐振式无线电能传输系统,通过试验对理论推导和仿真计算进行了进一步验证,试验结果与理论分析和仿真结果相吻合.      

液相中石英晶体传感器的双调制原理

传统的调频式石英晶体传感器工作于液相中时，无法区分引起频率偏移的两种不同效应：质量负载和液体阻尼。通过研究石英晶体串联谐振电路的放大和反馈特性，推导出石英晶体谐振器的振幅变化与其动态阻抗的变化成正比，由此分析了双调制式（调频调幅）石英晶体传感器的基本原理，提出特征阻尼理论来区分液相中的质量负载和液体阻尼效应。结果表明，特征阻尼系数ｋｃ０值与晶体表面的固体和液体性质无关，只与晶体谐振器自身的参数有关，如基频、电极面积等，由液体阻尼引起的频率偏移等于石英晶体振幅变化与特征阻尼系数的比值。