摘要：为探索弹箭系统内轻质元件多次高g值冲击防护结构设计理论和优化方法,基于数值模拟、试验和理论分析,研究了三次高g值脉冲和恒速冲击加载下复合泡沫填充壳的动力响应,结合多目标优化对幅值40000 g、脉宽250μs三次半正弦高g值冲击防护结构进行设计,结果表明:①当加载速率为高g值冲击压缩平均速率时,恒速冲击下填充壳能量吸收曲线与多次高g值冲击时一致;②泡沫与管壁耦合效应约为填充壳总载荷的10%~24%,构建的填充壳平均压溃力模型与试验结果一致,可为高g值冲击下目标响应加速度预测和参数设计提供理论依据;③理想点法和非支配排序遗传算法(NSGA-II)均适用于多次高g值缓冲结构的优化,但理想点法所得结果与各目标权重系数有关,NSGA-II提供的最优解集更适于结合其他防护需求进行择优设计。当设计响应加速度为12000 g时,考虑结构响应加速度幅值和比吸能的多目标优化结构参数为壳体壁厚1.58 mm,复合泡沫相对密度0.27。

摘要：为探索低强度冲击波的柔性测量技术,对PVDF(polyvinylidene fluoride)压力传感器开展冲击波加载和灵敏度标定实验,评估其低强度冲击波压力测量的可靠性。基于微结构设计改进薄膜传感器,获得适用于低强度冲击波压力测量的高灵敏柔性传感器,结果表明:单一压电工作模式的薄膜传感器测量低强度冲击波时有效输出电荷量和信噪比较低,测量结果容易受压电膜力电响应非线性、结构表面变形振动以及封装因素的影响,灵敏度系数不稳定、个体差异性大。采用周向固支的微结构设计能够将作用于薄膜传感器表面幅值较低的冲击波转换为幅值较高的面内拉应力,产生的复合压电效应可大幅提高传感器名义灵敏度系数、降低个体差异性。研制的柔性传感器在0.2~0.7 MPa压力范围内名义灵敏度约900~1350 pC/N,相对测量误差不大于±13%。

摘要：采用覆铜聚酰亚胺膜和聚合物导电带封装制备了两种聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)薄膜压力计柔性覆铜聚酰亚胺薄膜(flexible copper-clad polyimide film, FCP)和聚合物导电带(conductive polymer tap, CPT),基于分离式霍普金森压杆标定试验和细观数值模拟研究了两种压力计的几何和材料因素对传感器测量性能的影响。结果表明,在20~320 MPa压力内,FCP和CPT的拟合灵敏度分别为(33.1±0.3)pC/N和(35.1±0.6)pC/N,50 MPa压力范围内CPT测量稳定性优于FCP,但较大的封装厚度和聚合物电极导致应力脉冲幅值衰减、脉宽增大。CPT冲击压缩时存在明显的应变率效应,而FCP由于胶层和电极层材料失效,应力应变曲线存在显著的非线性分段特征。数值模拟结果表明,压力计芯层和敏感元件间的厚度和材料性质失谐会对敏感元件上的应力脉冲产生较大影响,其中芯层突出造成的误差最大。封装厚度越小、加载强度越高,压力计越趋向于三向受压的一维应变状态,电荷输出由三向应力状态和压电系数矩阵共同决定。试验标定灵敏度与元件应力状态、封装材料力学性质失配、层间几何缺陷以及材料应变率效应等因素相关,压力计使用时需根据测量环境和应力脉冲特征进行封装和标定。

摘要：工业机械装备的在线实时状态监测和故障预警是保障工业生产安全、提高工业生产效率的重要手段。目前大多数机械装备的状态监测设备都存在体积大、功耗高的问题,并且依赖于电缆或化学电池供电,机动性、灵活性、环境适应性差。本文提出了一种基于复合振动能量采集器的高集成度自供电无线传感监测微系统,设计了压电-电磁-摩擦电三种发电方式复合的能量采集模块采集机械设备的振动能量,通过能源管理电路进行电能存储和整个系统供电。搭建了基于振动-温度高集成微纳传感芯片的环境信号采集及无线传输电路,并进行了低功耗电路设计。系统集成能源管理模块和传感电路模块后进行了采煤机状态监测测试。测试结果表明,该系统能够实时采集煤机装备的振动、温度信号并无线传输给上位机,同时也证明系统内的能量采集模块能够收集采煤机的振动能量并转换为电能带动传感电路模块工作,这将为工业物联网传感网络节点的自供电、无线化发展提供技术支持。

摘要：基于二维材料的纳机电谐振器具有体积小、频率高、品质因数高等优势,在传感领域具有很大的应用潜力。其中,黑磷由于其波纹状的平面结构和各向异性的机械特性,为平面内矢量传感提供了可能。利用黑磷设计了一种光学激发光学读出的新型纳光机电磁矢量传感器。利用有限元分析法,探究了黑磷层数和长宽比对矢量性的影响,确定了黑磷谐振器的尺寸为0.6μm×0.134μm×0.5 nm;分别探索了高杨氏模量和低杨氏模量方向对磁场响应的各向异性。通过谐振模式的空间分布,解释了角度和长宽比对器件灵敏度和矢量性的影响机理。结果表明,将磁场旋转90°,灵敏度可从-4.048 MHz/mT变化为5.796 MHz/mT。与精度相近的洛伦兹力的微机电磁传感器相比,所设计传感器的频率可提高6个数量级,尺寸可缩小6个数量级。该设计为新型纳光机电矢量传感器的制备提供了一种方法。

摘要：针对极端天气引起断网、断电环境下常规智能设备易失效所导致的水位信号难以测量和实时传输问题,设计了容栅传感结构并利用物联网组建了内涝监测预警系统。利用与水位随动的动栅和静止的静栅构成非接触式容栅传感器,并接入电容测试电路采集水位相关信号,构建了ZigBee组网现场短距离传输及显示预警和NB-IoT远程云端监控预警的冗余式内涝监测预警网络,搭建系统进行实验验证。结果表明:冗余式设计提高了内涝监测预警网络可靠性,可在一般强降雨天气下实现出口处现场预警及远程监控,以及在极端天气环境下远程监控失效但现场预警持续工作。

摘要：针对氢燃料高速旋转磁流体发电的氢电转换装置核心旋转部件设计需求,在SolidWorks旋转部件建模基础上,采用Workbench Static Structural对6061铝合金、304不锈钢、AZ3B镁合金以及TC4钛合金四种备选材料在正常工作状态下的最大应变、等效应力以及静强度许用安全系数求解和对比分析。同时,为防止共振现象对整个装置造成损坏,运用Workbench Modal分别对四种材料进行模态分析。研究结果表明:6061铝合金更能满足氢燃料高速旋转磁流体发电装置的性能需求。旋转部件的材料及性能是氢燃料高速旋转磁流体发电装置结构的优化设计、发电效率的重要影响因素。

摘要：采用无线电能传输技术供能的微型仿尺蠖式机器人在肠道疾病微创诊疗方面具有重要的应用价值,其机载供能线圈由圆环形磁芯和缠绕于磁芯上的圆环形绕组构成.本文提出一种机载供能线圈快速设计优化方法.首先,通过对绕组中各匝绕线进行几何建模,测定磁芯磁导率分布,分析金属零件涡流效应对供能线圈参数影响,建立了供能线圈的集成环境模型.然后,结合电磁理论,计算了供能线圈在集成环境中的互感和等效串联电阻.最后,以最大化供能线圈输出功率为目标,在温升安全性要求和机器人内部空间约束下,对绕组的轴向位置、层数、匝数和线径进行优化,获得了各设计参数选取的一般性结论.采用优化设计参数的绕组尺寸仅为(12.0~12.4)mm×9.9 mm,当其位于磁芯轴向中心位置时,输出功率高达1478.3mW.

摘要：针对海洋传感器数据在水下、长距离传输困难的问题,提出了一种PLC长线传输电路系统。该系统采用电力线通信(PLC)技术,以CR600为控制核心,CR150为模拟前端配合芯片控制数据收发。通过脐带缆将数据回传到地面,再由地面控制系统与上位机对数据进行接收,实现海洋传感器数据的传输。为保证电路系统在水下1 000 m正常工作,设计了耐压仓,根据理论计算与COMSOL仿真,确定了耐压仓具体参数。经验证,该系统工作稳定,长时间传输数据接收完整,能够实现海洋传感器数据的长线传输。

摘要：针对分布式光伏的无人化监测需求,利用传感技术、物联网等信息化技术,设计了基于NB-IoT+云平台的分布式光伏监测系统。通过温度、光照强度、电压、电流传感器选型,硬件电路设计和云平台搭建,构建了含有感知层、网络层和应用层的监测系统,测试实验验证了数据采集、传输、显示、分析及记录,实现了分布式光伏运行状态的无人化实时监测。这些监测数据对于双碳目标下光伏微网能量有序调度和异常情况下的故障预警具有重要意义。