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碳基柔性气压传感器的结构设计与性能研究

碳基柔性气压传感器的结构设计与性能研究

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作者：胡凤鸣五邑大学

学位级别：硕士

气压传感器在高速列车空气动力学监测中发挥着至关重要的作用,尤其是随着列车的提速,空气动力学问题变得愈加严重。目前,用于获取列车表面气压信号的器件均为微机电系统(MEMS)压力传感器。MEMS压力传感器的封装结构为具有一定厚度的导... 详细信息

气压传感器在高速列车空气动力学监测中发挥着至关重要的作用,尤其是随着列车的提速,空气动力学问题变得愈加严重。目前,用于获取列车表面气压信号的器件均为微机电系统(MEMS)压力传感器。MEMS压力传感器的封装结构为具有一定厚度的导气孔结构,与空气直接连通,且通常利用减薄传感隔膜的方式提高器件灵敏度,因而其不够轻薄,还存在易被过载力和水损坏的问题。此外,已报道的柔性气压传感器因其量程范围较窄、缺乏研究温度漂移对器件可靠性的影响,还只停留于实验室阶段。基于上述环境稳定性、机械耐久性及器件厚度等综合特性对于气压传感器监测流体压强的重要性,本论文设计并制备了一种轻薄、耐冲击、防水且可靠的碳基柔性气压传感器,并探究其在高速列车空气动力学监测方面的应用。具体的研究内容与进展如下:1.为了平衡器件灵敏度和可靠性的问题,首先重点关注气压传感器的结构设计,提出并制备了一种基于碳纤维束和密封微室结构的柔性轻薄型气压传感器,其厚度仅为293.52μm。其次研究封装膜厚度对传感器响应行为的影响,利用激光刻蚀的工艺手段精确地减薄传感单元处的膜厚以提高器件的分辨能力和灵敏度。进而构建了量程调控模型,结合器件结构设计和量子隧穿效应研究量程可控机制,实现对器件线性范围的调控,并使其在目标范围内获得高灵敏度。2.在研究碳基柔性气压传感器的性能及温度补偿方面,我们通过各种表征手段研究器件的传感性能,发现其在线性范围达到1.79 k Pa的较高灵敏度,迟滞小,且具备良好的可重复性和机械耐久性。同时,传感器可在水中工作至少500 min,在被重约1550 kg的汽车碾压后仍保持完好,甚至经1MPa的过载力按压后其电阻依旧可恢复,证明了该传感器具有防水性、耐冲击性及抗过载的特性。此外,为了减小温度变化对气压传感器准确获取信号的影响,分别通过集成温度传感器实现校准,构建桥式电路实现温度的自我补偿,以及调控材料温敏特性得到对温度不敏感的传感材料来改善温度漂移。3.凭借碳基气压传感器展现出的优异性能,自主制作适配的数据采集系统并分别在横风测试、气密性检测平台进行了实车试验。其中,空气横向力测试结果说明自制碳基气压传感器可识别大风信号,在气密性测试中,传感器监测到列车在明线运行的表面压力变化趋势与列车速度的演变呈负相关,符合流体力学的伯努利原理,甚至还能捕捉到列车出隧道时气压的瞬态变化。

关键词：碳基柔性气压传感器微室结构量程可控机制列车空气动力学测试温度补偿

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