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微纳米阵列膜柔性多响应传感器及其信号解耦模型构建

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微纳米阵列膜柔性多响应传感器及其信号解耦模型构建

作者：肖爽天津工业大学

学位级别：硕士

近年来,柔性传感器在大量应用中被报道,但其仍然面临响应刺激信号单一和灵敏度低等挑战。本文采用多孔阳极氧化铝模板制备了结构规整且可调的纳米阵列导电膜,利用纳米通孔阵列膜和纳米锥阵列膜构筑了具有压力、温度和湿度同步响应的柔... 详细信息

近年来,柔性传感器在大量应用中被报道,但其仍然面临响应刺激信号单一和灵敏度低等挑战。本文采用多孔阳极氧化铝模板制备了结构规整且可调的纳米阵列导电膜,利用纳米通孔阵列膜和纳米锥阵列膜构筑了具有压力、温度和湿度同步响应的柔性传感器,并基于电化学阻抗谱建立多重信号的解耦模型。本文的研究为高性能柔性多响应传感器的开发及有效信号识别提供了新途径和新方法。本文制备了聚吡咯/聚氨酯-单壁碳纳米管纳米通孔阵列膜,通过扫描电镜图算得了该膜的细部尺寸;通过傅里叶红外光谱和拉曼光谱证明了吡咯的成功聚合和碳纳米管的存在;采用有限元模拟技术对其孔径和孔深的尺寸与力学性能之间的关系进行了探讨,结果显示,孔径为440 nm孔深为6.9μm的纳米通孔阵列膜具有更高的比表面积和应变响应。基于该导电膜构筑的传感器在0.004-12 k Pa范围内压力灵敏度最高可达102.99 k Pa;在20-80℃内温敏最高可达0.72%℃;在20-80%RH内湿敏最高可达3.51%RH;该传感器在应用于人体生理信号监测方面表现出了极大的潜力。为了进一步提升该柔性传感器的灵敏度和响应范围,本文又制备了聚吡咯/聚氨酯-碳纳米管纳米锥阵列膜,在两张纳米锥阵列膜中间放置一张纳米通孔阵列膜构筑夹层导电膜。利用有限元模拟仿真技术,通过研究不同规格的夹层导电膜多物理场耦合模型在一定载荷下的应变和接触面积变化规律,阐明了其导电机理,构建出等效电路。基于该夹层膜构筑的传感器在0.004-20 k Pa范围内压力灵敏度最高可达110.47 k Pa;在20-80℃内温敏最高可达0.77%℃;在20-80%RH内湿敏最高可达3.71%RH。采用电化学阻抗谱测试分析了基于夹层导电膜的柔性传感器在压力、温度和湿度刺激下的响应规律,总结出传感器响应过程的总结电路等效电路。通过阻抗谱等效电路模型及其拟合参数,构建了压力、温度和湿度与阻抗谱等效电路拟合参数之间的解耦函数模型I=f（P,T,H）。该函数模型可以精确计算出柔性传感器响应多种刺激信号的大小。基于两种柔性多响应传感器开发了一款呼吸监测智能背心,通过在男、女款不同规格型号背心的背部、上胸、膈肌和腹肌部位集成柔性传感器,实现可穿戴呼吸监测设备。设置了男女款式、尺寸、传感器集成位置等变量来研究智能背心的呼吸频率测试性能,结果发现,女性模型S型传感器的最佳位置为胸部上部,M型传感器为腹部。男性XL尺寸的最佳传感器配置位置是隔膜部位,XXL尺寸是腹部。

关键词：阳极氧化铝纳米通孔纳米锥多响应阻抗谱信号解耦呼吸监测

基于聚苯胺/聚乙烯醇水凝胶的柔性传感器信号解耦算法研究

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湖南工业大学学报 2022年第3期36卷 29-35页

作者：李文杰孙晓李西宸曾成张昌凡肖伸平湖南工业大学机械工程学院湖南株洲412007

结合双网络聚苯胺/聚乙烯醇复合水凝胶(PANI/PVA)各向异性的特性,设计了一种“三明治”夹层式结构的柔性传感器,主要用于管道内复杂受力情况的复合测量。并利用有限元软件验证了传感器对三维空间受力的可测性,搭建了标定试验台。因柔性... 详细信息

结合双网络聚苯胺/聚乙烯醇复合水凝胶(PANI/PVA)各向异性的特性,设计了一种“三明治”夹层式结构的柔性传感器,主要用于管道内复杂受力情况的复合测量。并利用有限元软件验证了传感器对三维空间受力的可测性,搭建了标定试验台。因柔性传感器存在个性化参数差异及受力维间耦合等特性,在标定平台上采集了500组数据,涵盖了多方向、多尺度的重复试验,并设计了一种麻雀搜索算法优化的BP神经网络算法,对测试结果进行解耦,成功将传感器4个电压信号解耦为传感器矢量受力情况。结果表明,相对于单一的BP神经网络,所提算法结果稳定且收敛速度更快,不易陷入局部极值,能更好地完成三维力检测。

关键词：柔性传感器三维力 BP神经网络麻雀搜索算法信号解耦

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信号解耦控制系统分析

控制工程 2013年第3期20卷 471-474页

作者：吴鹏松吴朝野周东华攀枝花学院四川攀枝花617000 清华大学物理系北京100084 清华大学自动化系北京100084

为了得到解耦系统设计的新方法,经过对多变量耦合系统的输出信号分析,发现在开环系统上叠加一个与耦合作用相反的解耦信号可以实现系统解耦。通过信号解耦问题的深入研究,提出了"耦合特征矩阵"的构造方法,给出了系统的"能解耦准则"和系... 详细信息

为了得到解耦系统设计的新方法,经过对多变量耦合系统的输出信号分析,发现在开环系统上叠加一个与耦合作用相反的解耦信号可以实现系统解耦。通过信号解耦问题的深入研究,提出了"耦合特征矩阵"的构造方法,给出了系统的"能解耦准则"和系统"完全动态解耦准则",通过对系统稳定性分析,得到了信号解耦统设计的"分离定理"以及信号解耦器的"稳定判据"。单元机组解耦控制系统仿真表明信号解耦设计方法简便有效。

关键词：信号解耦能解耦准则动态解耦准则分离定理信号解耦器稳定判据

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基于信号叠加原理的信号解耦方法

化工自动化及仪表 2011年第9期38卷 1048-1049,1074页

作者：吴鹏松吴林春周东华攀枝花学院四川攀枝花617000 雅安市水利电力勘测设计研究院四川雅安625000 清华大学自动化系北京100084

为了研究多变量控制系统的解耦设计问题,提出了一种基于信号叠加原理的信号解耦方法,实现了具有自耦合补偿回路和耦合信号对消的信号解耦系统。该系统物理意义明确,结构巧妙,实现容易。

关键词：多变量系统叠加原理信号解耦自耦合补偿

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基于信号处理的压电自感知执行器解耦研究

基于信号处理的压电自感知执行器解耦研究

作者：张鹏大连理工大学

学位级别：硕士

智能结构振动控制是近年来国内国外备受关注的研究领域，压电材料作为一种新型的智能材料，以其良好的机电耦合特性、较宽的工作频率范围，在结构振动控制领域得到了广泛的应用。而由压电材料构成的自感知执行器具有结构简单、响应速度... 详细信息

智能结构振动控制是近年来国内国外备受关注的研究领域，压电材料作为一种新型的智能材料，以其良好的机电耦合特性、较宽的工作频率范围，在结构振动控制领域得到了广泛的应用。而由压电材料构成的自感知执行器具有结构简单、响应速度快、高频适用性强、驱动和处理电路简单等特点，在结构振动控制、结构健康检测、系统辨识及MEMS加工技术等方面有着广泛的应用前景。目前国内外对压电自感知执行器的研究主要侧重于传感信号和执行信号解耦方法的研究，常用的解耦方法是电桥电路法，本文在此基础上提出了盲源分离解耦法，并对传统数模实现自适应信号处理解耦法做了改进，通过理论分析和压电自感知执行器振动主动控制实验验证了这两种方法的可行性和优越性。本文主要完成的工作，通过压电换能器的双向换能器理论和工作时信号特点，阐述了用盲源分离和自适应信号处理实现压电自感知执行器信号解耦的原理和方法;根据理论分析，制作了压电悬臂梁，设计了盲源分离观测信号检测电路，与NI PCI6221数据采集卡和外围信号调理电路构成盲源分离硬件系统;设计了自适应观测信号检测电路，与TMS320F2812系统和外围信号调理电路构成自适应信号处理系统;采用LabVIEW和MATLAB混合编程建立了盲源分离软件系统，采用TMS320F2812的软件开发环境CCS2.1设计了自适应信号处理软件系统，并进行了仿真实验;基于上述软硬件系统进行实验，验证了盲源分离与自适应信号解耦方法的可行性，根据解祸结果，提出了悬臂梁闭环振动控制的方法，并在此基础上对压电悬臂梁进行系统辨识，根据辨识结果设计了PID控制器：最后采用改进LMS的自适应信号滤波算法和不完全微分PID的Z传递控制算法，设计了自适应自感知执行器的实时闭环控制系统，并在悬臂梁受到瞬时扰动和持续扰动两种情况下，实现了基于DSP2812的悬臂梁振动控制。实验结果表明：采用盲源分离技术可以有效地实现压电自感知执行器传感和执行混合信号的解耦;采用自适应信号处理同样可以实现压电自感知执行器的解耦，根据解耦获得的振动信号，能够实现压电梁的自感知振动主动控制。

关键词：盲源分离自适应信号处理自感知执行器信号解耦 PID控制

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单元机组信号解耦控制系统研究

攀枝花学院学报 2012年第3期29卷 95-97页

作者：吴鹏松攀枝花学院电气信息工程学院四川攀枝花617000

为了研究单元机组的解耦控制系统的设计问题,通过对单元机组模型研究发现,单元机组的输出信号是由匹配的控制信号和耦合信号组成,通过引入解耦信号去抵消系统输出中的耦合信号,从而实现解耦目的,为此,给出了基于信号叠加原理的信号解耦... 详细信息

为了研究单元机组的解耦控制系统的设计问题,通过对单元机组模型研究发现,单元机组的输出信号是由匹配的控制信号和耦合信号组成,通过引入解耦信号去抵消系统输出中的耦合信号,从而实现解耦目的,为此,给出了基于信号叠加原理的信号解耦方法。通过对125MW单元机组模型进行信号解耦的仿真表明,信号解耦方法物理意义明确,工程实现简单,具有很好的应用价值。

关键词：单元机组信号解耦自耦合补偿

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大纯滞后信号解耦内模控制系统研究

化工自动化及仪表 2012年第9期39卷 1115-1117,1176页

作者：吴鹏松吴朝野周东华攀枝花学院四川攀枝花617000 清华大学物理系北京100084 清华大学自动化系北京100084

针对多变量大纯滞后强耦合控制系统的设计研究,采用了多变量系统信号解耦方法和大纯滞后系统的内模控制方法。通过对大滞后系统的信号解耦方法研究,提出了大滞后耦合系统信号解耦的"耦合特征矩阵"的构造方法,给出了大滞后系统的"能解耦... 详细信息

针对多变量大纯滞后强耦合控制系统的设计研究,采用了多变量系统信号解耦方法和大纯滞后系统的内模控制方法。通过对大滞后系统的信号解耦方法研究,提出了大滞后耦合系统信号解耦的"耦合特征矩阵"的构造方法,给出了大滞后系统的"能解耦准则"和"系统完全动态解耦准则",以及信号解耦系统设计的"分离原理"和信号解耦系统的"稳定性判据"。实例表明信号解耦方法对大纯滞后耦合控制系统的设计非常简洁方便。

关键词：信号解耦动态解耦准则解耦器稳定性判据内模控制大纯滞后补偿

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冷轧带钢板形测控技术的发展状况和关键问题

钢铁 2022年第11期57卷 22-32页

作者：刘宏民于华鑫王东城宋明明张帅徐扬欢燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心河北秦皇岛066004

冷轧带钢属于高端精品钢材,板形在线检测与控制是冷轧带钢的高端核心关键技术。自主创新研制板形测控系统是实现中国钢铁工业发展升级、建设钢铁强国的重大需求。目前,板形测控技术市场国外占据优势,国产系统正在代替进口,扩大应用规模... 详细信息

冷轧带钢属于高端精品钢材,板形在线检测与控制是冷轧带钢的高端核心关键技术。自主创新研制板形测控系统是实现中国钢铁工业发展升级、建设钢铁强国的重大需求。目前,板形测控技术市场国外占据优势,国产系统正在代替进口,扩大应用规模,推进技术完善。研制先进的板形测控系统需要解决的关键技术有高精度高质量的板形仪、功能完备强大的控制手段和方法、高精度高速度的数学模型。板形仪主要有接触式和非接触式两大类,接触式板形仪通过测量带钢张力的横向分布反映板形,非接触式板形仪通过测量带钢浪形反映板形。接触式板形仪可靠耐用精度高,应用广泛,发展趋势为整辊式板形检测辊、无线式信号传输装置、板形数据的精确处理。板形控制数学模型的主要类型,按建模的原理和方法可分为机理模型和智能模型;按模型的性质和作用可分为分析模型和控制模型;按板形的表示方法可分为多点控制模型和分量控制模型。板形控制模型的发展趋势为机理与智能协同建模、动态模拟预报和动态解耦控制、多种手段和方法的协同优化。进一步提高板形测控技术水平需要突破3项关键问题,即整辊式板形仪通道耦合与解耦的机理模型、板形控制的动态模拟和动态解耦模型、板形控制的高精度智能建模方法。

关键词：冷轧带钢板形测控信号解耦动态建模智能方法

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MEMS多维触觉传感技术研究

MEMS多维触觉传感技术研究

作者：侯福静杭州电子科技大学

学位级别：硕士

触觉传感器可以检测压力、摩擦、滑移、温度和物体形状等信息,广泛应用于智能电子设备、医疗器械以及机器人工业领域。由于它不仅能够检测接触压力、相对滑移等信息,还能够提取所接触物体的形状、大小以及刚度信息,准确提取物体的物理特... 详细信息

触觉传感器可以检测压力、摩擦、滑移、温度和物体形状等信息,广泛应用于智能电子设备、医疗器械以及机器人工业领域。由于它不仅能够检测接触压力、相对滑移等信息,还能够提取所接触物体的形状、大小以及刚度信息,准确提取物体的物理特征,因此广泛应用于机械手或机器人皮肤,实现触觉感知功能。针对现有触觉传感器解耦困难、功能单一等缺陷,本论文设计了一种基于自身结构解耦的MEMS多维触觉传感器,能够实现三维力和二维力矩信号的精确检测,并且多信号的输出几乎无耦合,主要创新点在于设计特殊的电极结构与布局,实现了多维度触觉信号的检测与解耦。本论文的主要研究内容如下:为了实现多参量触觉信号检测,本文设计了基于电容式的多维度信号感知的触觉传感器,其结构主要包括中心质量块、U型梁、检测电极质量块、固定锚点、玻璃极板以及固定在玻璃基板上的金属电极。其中中心质量块作为信号敏感单元,用于感知外界触觉信号;U型梁用于支撑中心质量块,并将其连接到固定锚点;传感器电极层分别溅射在玻璃基板和硅基锚点上。传感器的感知原理主要包括:外界切向力通过改变栅型电容极板面积实现检测;外界法向力通过改变平行板电容间距实现检测;外界力矩通过改变倾斜极板与衬底间距实现检测。而解耦原理是:当切向力信号作用在所设计的传感器上时,只改变电容正对面积;而小最大量程力矩信号只改变极板间距,进而通过器件结构从传感机理上实现了切向力、力矩信号的解耦。为了阐述器件性能,本文采用ANSYS软件对多维触觉传感器进行了模态仿真,仿真结果表明,触觉传感器的一阶谐振频率大于5000 Hz,具有较宽的工作频带和良好的抗共振性能。触觉传感器的前五阶模态振型与三轴力和二维力矩的位移状态相符合,满足最初的设计要求。二阶谐振频率与三阶谐振频率接近,其对应的模态振型分别为沿X轴旋转和沿Y轴旋转,因此触觉传感器对X轴与Y轴的力矩检测具有相同的灵敏度。同样地,四阶谐振频率和五阶谐振频率接近,其对应的模态振型分别为沿Y轴平移和沿X轴平移,因此触觉传感器对X方向与Y方向的力检测具有相同的灵敏度。为优化触觉传感器的性能,采用COMSOL软件对外界激励信号作用下,触觉传感器敏感单元进行了位移仿真和结构优化。结果表明:(1)增大U型梁宽度能够提高检测最大量程,却会降低灵敏度;(2)增大U型梁长度能够通过降低弹性系数而提高灵敏度,却降低了最大量程。(3)一定程度上降低体硅的厚度能够提高器件灵敏度。根据设计要求和仿真结果,优化后的触觉传感器切向力、法向力和力矩的检测灵敏度分别是163.3 f F/N、2.4 f F/m N、5.7 f F/m N·m,对应的最大量程为1.05 N、80m N、0.26 m N·m。对于小型MEMS器件,电容的边缘效应对器件的输出性能的影响是不可忽略的。为了降低影响,本文采用电磁场分析软件ANSYS Electronics Desktop对栅型差分电容的边缘效应进行了仿真,对比分析结果表明:一组栅型差分电容的边缘效应小于平行板式电容,而且差分结构能够有效改善栅型电容的整体非线性;适当减小极板间距,也能改善电容线性度。最后,根据理论分析和仿真优化结果,本文设计了MEMS多维触觉传感器的具体工艺流程,并绘制了器件加工版图。

关键词： MEMS传感器多维触觉感知信号解耦栅型电容边缘效应