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行业动态发布

基于声表面波器件的纱线张力传感器的研究

文字:[大][中][小] 2020-5-14    浏览次数:511    


进入21世纪,传感器技术成为了世界各国瞩目的焦点,其作为新技术革命、信息社会及智慧社会发展的技术基础,已被广泛的应用于各行各业。近年来,随着纺织工业技术改革的不断深化,以传感器技术为基础的纺织机电一体化设备引起了人们的广泛关注和深入研究。其中,纱线张力传感器作为纺织机械设备中的重要组成部分成为该类设备的研究重点。


在纺纱和织造工艺中,纱线张力是一个很重要的参数,它将直接决定纱线和织物的生产产量和生产质量,因此,如何准确测量纱线张力成为人们迫切需要解决的任务。为了尽可能真实反映纱线张力大小,从而有效的对纱线张力大小进行控制,本文设计了一种新型的声表面波纱线张力传感器,着力研究声表面波纱线张力传感器的设计理论以及结构优化设计方法。本文主要研究内容和创新点如下:

(1)设计了一种新型的声表面波纱线张力传感器。该传感器采用声表面波延迟线式振荡器来制作,具有结构简单、体积小和稳定性好等优点。选择零温度系数的42.75°Y切X方向传播石英单晶作为基片,从而器件无需温度补偿。


设计了声表面波延迟线式振荡器的叉指换能器,具体设计参数包括:叉指换能器周期、叉指换能器指对数、声孔径、金属化比、金属膜厚度和叉指换能器加权等。详细阐述了声表面波纱线张力传感器的制作工艺,给出了声表面波纱线张力传感器的结构设计和工作原理,建立了声表面波纱线张力传感器输出信号频率变化量和纱线张力之间的线性回归数学模型,采用最小二乘法求解了该数学模型。

                  

(2)基于有限元的声表面波纱线张力传感器灵敏度优化设计方法。推导得出了声表面波纱线张力传感器灵敏度和声表面波纱线张力传感器基片应变率之间的函数关系,从而给出了基片应变率这一概念。利用线性回归分析方法、有限元仿真分析方法建立了声表面波纱线张力传感器灵敏度和基片应变率之间的线性回归数学模型,该数学模型的单调性表明:声表面波纱线张力传感器的基片应变率越大,则其灵敏度就会越高。


根据上述结论,给出了通过增加基片应变率来提高传感器灵敏度的理论。以这一理论为引导,给出了通过灵活设计基片尺寸来获得最佳基片应变率的优化设计方案。为了使基片应变率取得最大值,建立了12个不同尺寸基片的应力-应变有限元仿真分析模型。根据有限元仿真分析结果,采用多元线性回归分析方法建立了声表面波纱线张力传感器基片应变率和基片尺寸之间的多元线性回归数学模型。基于该数学模型,得出了求解基片最大应变率对应基片尺寸的线性规划模型。求解获得基片应变率取最大值时的基片尺寸为:长取19mm、宽取3mm。制作这一尺寸的声表面波纱线张力传感器,实验结果表明:该传感器的灵敏度可达3114Hz/g,这表明该优化方法是有效和可行的。


(3)研究了叉指换能器放置位置对声表面波纱线张力传感器灵敏度影响这一问题。从分析声表面波纱线张力传感器基片在沿声表面波传播方向上的应力-应变特性出发,在深入研究了传感器基片应力-应变分布对传感器灵敏度影响问题的基础上,确定了声表面波纱线张力传感器灵敏度和叉指换能器放置位置参数之间存在函数关系。采用多元线性回归分析方法建立了声表面波纱线张力传感器灵敏度和叉指换能器放置位置参数之间的多元线性回归数学模型。通过判断该数学模型偏导数的正负来分析其单调性,结果表明:在给定区间内,声表面波纱线张力传感器灵敏度会随叉指换能器距离基片左端距离的增大而增大,声表面波纱线张力传感器灵敏度会随叉指换能器距离基片顶端距离的增大而减小。


(4)声表面波纱线张力传感器基片的等应变率结构。根据基片应力-应变有限元仿真结果,详细分析了加载张力时声表面波纱线张力传感器基片上的应变率分布特性,并深入研究了声表面波纱线张力传感器基片的应变率分布对叉指换能器应力-应变特性造成的影响。为了消除上述影响,提出了声表面波纱线张力传感器基片的等应变率结构。在综合考虑基片尺寸和叉指换能器放置位置的基础上,


给出了经过整体结构优化后的基片等应变率结构,建立了求解该基片等应变率结构的数学模型,给出了该数学模型的改进二分法求解方法。制作了等应变率基片结构的声表面波纱线张力传感器,实验结果显示:该传感器灵敏度为585Hz/g,最大引用误差为3.16%,线性度为±0.64%。相比于采用常规基片结构的声表面波纱线张力传感器,等应变率基片结构声表面波纱线张力传感器在精度级别上有明显的提高,并且表现出更好的线性度,但是其灵敏度会有较大幅度下降。

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