1 中电科技集团 重庆声光电有限公司, 重庆 401332
2 中国电子科技集团公司 第二十六研究所, 重庆 400060
3 上海中广核工程科技有限公司 北京分公司, 北京 100086
压水堆型核电机组的冷却剂泵振动状态监测是核电站检修的重要内容之一。该文针对我国某核电站冷却剂泵振动状态监测中对耐高温抗强辐射的加速度传感的需求, 开展了压电加速度传感器在极限环境下的工作特性研究。实验结果表明, 传感器的工作温度可达-55~480 ℃, 抗辐照强度可达1×106 Gy。通过振动台架实验验证了传感器的工作状态, 结果表明传感器的输出振动信号与5g(g≈9.8 m/s2）、10g的标准振动信号输出结果一致; 提出了满足核电现场应用要求的振动监测方案, 并在我国某核电站冷却剂泵上进行了实际应用, 实验结果满足核电站使用需求, 为未来的批量应用奠定了技术基础。
压电加速度传感器 高温 辐照 振动 核电 piezoelectric acceleration sensor high temperature irradiation vibration nuclear power
半规管是人体前庭系统中的一种角位移感知器官，该文基于人体半规管几何尺寸、机械属性及内部结构，利用表面对称电极含金属芯聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维(SMPF)传感器，设计制备了一种结构尺寸、工作机理与人体半规管基本一致的仿生角加速度传感器。同时搭建了实验系统，对仿生半规管传感器的感知理论模型进行了验证。实验结果证明，传感器的工作机理与数学模型推导结果基本一致，仿生传感器在不同加速度刺激下输出相应幅值的电信号。通过扫频实验确认系统固有频率约为10 Hz，可用于人体头部的运动检测。
半规管 内淋巴 聚偏二氟乙烯(PVDF) 固有频率 角加速度传感器 semicircular canal lymphatic polyvinylidene fluoride(PVDF) natural frequency angular acceleration sensor
武汉理工大学 光纤传感技术与网络国家工程研究中心, 武汉 430070
针对振动测量中三维振动信号测量需要, 基于柔性铰链设计了一种光纤光栅(FBG)三维加速度传感器。构建了传感器拾振机构的振动模型, 介绍了传感器的结构模型和测量原理, 推导了传感器谐振频率和灵敏度理论公式, 建立了拾振机构的数学模型, 并用MATLAB对传感器拾振机构关键尺寸参数进行优化设计。根据优化后尺寸制作了传感器, 通过振动实验对其进行性能测试。实验结果表明: 该传感器在X轴、Y轴和Z轴方向的谐振频率分别为673, 667和1376Hz, 工作频率区间分别为0~220Hz, 0~220Hz和0~450Hz, 灵敏度分别为72.3, 70.2和83.1pm/g。所设计的传感器具有较好的横向抗干扰能力, 能够满足三维振动信号测量的要求。
光纤光栅 三维加速度传感器 柔性铰链 振动测量 fiber Bragg grating three dimensional acceleration sensor flexible hinge vibration measurement
1 哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 工业和信息化部, 海洋信息获取与安全工信部重点实验室(哈尔滨工程大学), 黑龙江 哈尔滨 150001
3 哈尔滨工程大学 水声工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
水声通信系统使用传统的声压水听器接收信号, 无法获得水质点的振速信息。该文研制了直径为38 mm、高为46 mm的同振型矢量水听器, 可以同步共点地获取水质点的声压信息与振速信息, 解决水声通信系统对8~13 kHz的信号获取不全面问题。矢量水听器内部采用专门设计的一种共用惯性质量块的一体化三维加速度传感器, 空间3个轴向的灵敏度均大于328.0 pC/g(g=9.8 m/s2)。采用PZT-5压电陶瓷圆环作为矢量水听器的声压通道, 研制了具有x、y、z通道和声压p通道的矢量水听器样机, 并在水池中对矢量水听器样机进行测试。测试结果表明, 10 kHz处x、y、z通道的声压灵敏度级均大于-172 dB(0 dB参考值1 V/μPa), 且具有良好的余弦指向性; 声压通道灵敏度级达到-198 dB, 可以用于水声通信中8~13 kHz信号的获取。
水声通信 矢量水听器 高频 加速度传感器 惯性质量块 underwater acoustic communication vector hydrophone high frequency acceleration sensor inertial mass
1 防灾科技学院 电子科学与控制工程学院, 河北 三河 065201
2 河北省地震灾害仪器与监测技术重点实验室, 河北 三河 065201
针对现有悬臂梁FBG加速度传感器光纤表面粘贴会造成FBG受力不均匀, 并且无法在温度变化和振动等复杂的环境中工作的问题, 提出一种双光纤-悬臂梁结构的FBG加速度传感器。理论分析了结构参数对传感器灵敏度和固有频率的影响, 并采用ANSYS有限元分析软件进行了静应力和模态仿真分析, 最后搭建了测试系统对传感器进行性能测试。结果表明, 加速度传感器的固有频率为84.86Hz, 在15~60Hz的低频段具有平坦的灵敏度响应, 双光纤在增加传感器的灵敏度的同时有效消除了温度变化的影响, 加速度灵敏度为156.70pm/g, 线性度为99.38%, 刚性梁有效增加了结构的稳定性, 在工作频段内的横向串扰为-26.97dB。
光纤布拉格光栅 加速度传感器 悬臂梁 有限元分析 fiber Bragg grating (FBG) acceleration sensor cantilever beam finite element analysis
1 中国科学院 声学研究所,北京100190
2 中国科学院大学,北京 100190
3 北京市海洋声学装备工程技术研究中心,北京 100190
该文提出了一种适用于低频测试的弛豫铁电单晶三轴加速度传感器的结构形式，加速度传感器每个坐标轴由一个单晶弯曲梁敏感元件组成。通过有限元仿真分析了弯曲梁结构中的单晶层厚度、基梁金属层厚度及基梁材料等结构尺寸参数对谐振频率及加速度灵敏度的影响，找到最优结构尺寸，研制了弛豫铁电单晶三轴加速度传感器样品并进行测试。测试结果表明，弛豫铁电单晶三轴加速度传感器各个方向的一致性良好，加速度灵敏度达86.1 mV/(m·s-2)，可以工作在10~400 Hz的低频段。
弛豫铁电单晶 加速度传感器 弯曲梁结构 relaxation ferroelectric single crystal acceleration sensor curved-beam structure
1 北京航空航天大学 能源与动力工程学院, 北京 100191
2 北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院, 北京100191
压电加速度传感器具有频带宽, 结构简单, 耐高温性能好等特点, 在复杂机械应力和高温应力环境下应用广泛, 是航空发动机健康监测、爆炸冲击监测等应用下必不可缺的器件。对于压电加速度传感器的设计和研究, 常使用有限元仿真法来分析其固有频率、响应及在此基础上的各种机械应力、温度应力下的状态。从压电加速度传感器的原理、结构和有限元仿真的基本流程出发, 调研了压电加速度传感器有限元仿真中的主要问题。按照不同结构类型总结了建立几何模型时的结构简化方法, 分析了螺栓预紧力的主要仿真方法; 区分部分仿真和整体仿真, 总结了固有频率的仿真方法; 按照不同激励, 讨论了不同应力的仿真实现方法。
有限元仿真 压电加速度传感器 结构简化 螺栓预紧力 固有频率 应力仿真 finite element simulation piezoelectric acceleration sensor structure simplification bolt pretension natural frequency stress simulation
电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 四川 成都 610054
近年来, 航空航天领域的飞速发展要求振动测量技术能耐受更高温度, 因此高温压电加速度传感器备受关注。通过优化压电晶体切型和设计质量块结构, 该文设计并制备了基于硅酸镓钽钙(CTGS)压电单晶材料的压电加速度传感器。实验结果表明, 该传感器的谐振频率约为2.2 kHz。在振动频率为100 Hz~1.1 kHz下, 常温时传感器的电荷灵敏度基本稳定, 平均值为2.44 pC/g(g=9.8 m/s2)。在常温~600 ℃内, 传感器的电荷灵敏度基本保持不变, 1.1 kHz振动频率下传感器的电荷灵敏度平均值为2.56 pC/g。该传感器能在600 ℃高温下稳定工作。
硅酸镓钽钙(CTGS)晶体 压电效应 加速度传感器 高温 CTGS crystals piezoelectric effect acceleration sensor high temperature
1 中国科学院 声学研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学 物理科学学院, 北京 100049
3 北京市海洋声学装备工程技术研究中心, 北京 100190
为了满足低频高灵敏度声矢量接收需求, 提出并研制了一种具有层合梁结构的弛豫铁电单晶二维同振型矢量水听器。矢量通道分别由两个正交的单晶层合梁加速度传感器组成, 其中层合梁结构是通过在金属悬臂梁中引入阻尼层形成。通过有限元仿真分析了层合梁结构中单晶层厚度、阻尼层杨氏模量等参数对谐振频率及加速度灵敏度的影响。研制了多种加速度传感器及矢量水听器样品, 相关测试结果表明, 在材料上, 所提出的单晶传感器比压电陶瓷具有更高的灵敏度; 在结构上, 层合梁矢量水听器比金属梁具有更低的谐振频率和谐振峰, 在声压灵敏度及指向性凹坑方面均有3 dB的性能优势。
矢量水听器 弛豫铁电单晶 加速度传感器 层合梁结构 约束阻尼结构 vector hydrophone relaxor ferroelectric single crystal acceleration sensor laminated beam structure constrained damping structure
