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基于嵌入式应变薄膜传感器的三维切削力测量系统设计及数据采集研究

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工具技术 2023年第6期57卷 127-133页

作者：谢菲武文革杨阳马帅中北大学机械工程学院太原市030000

切削力在机械加工中的重要性已得到行业内的普遍认可,在线监测切削力可以有效提高加工质量,保证加工精度,减少刀具磨损。本文旨在开发一种用于测量车削加工切削力的低成本、操作简单的数据采集系统。通过在刀柄中嵌入较高灵敏度的薄膜... 详细信息

切削力在机械加工中的重要性已得到行业内的普遍认可,在线监测切削力可以有效提高加工质量,保证加工精度,减少刀具磨损。本文旨在开发一种用于测量车削加工切削力的低成本、操作简单的数据采集系统。通过在刀柄中嵌入较高灵敏度的薄膜电阻应变传感器,利用其构成的惠斯通电桥输出电压信号,间接测量切削力,并对传感器进行静态标定。研制的数据采集系统由硬件和软件两部分组成,硬件部分包括传感器、放大器、A/D单元和单片机控制单元;软件部分包括下位机软件和上位机软件两部分,利用Keil编程软件开发了下位机中基于单片机的数据采集程序;基于LabVIEW平台开发设计了上位机软件,通过与下位机通信,实现测量数据的实时显示和保存。测试结果表明,该系统结构完整,能够很好地完成信号产生、信号处理、数据采集、数据存储和分析等一系列功能。

关键词：切削力薄膜传感器单片机 LabVIEW

不同材料弹性基底的应变式薄膜传感器的制备及性能研究

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不同材料弹性基底的应变式薄膜传感器的制备及性能研究

作者：闫文韬中北大学

学位级别：硕士

薄膜传感器目前已广泛应用于机械制造行业,为了对整个加工过程进行分析和控制,可以运用薄膜应变传感器对整个加工过程中刀具受力情况进行监测。在切削过程中,薄膜应变传感器的弹性基底是将刀具所产生的应变传递到敏感层的关键。研究采... 详细信息

薄膜传感器目前已广泛应用于机械制造行业,为了对整个加工过程进行分析和控制,可以运用薄膜应变传感器对整个加工过程中刀具受力情况进行监测。在切削过程中,薄膜应变传感器的弹性基底是将刀具所产生的应变传递到敏感层的关键。研究采用不同材料作为弹性基底来制备薄膜应变传感器,有助于制备灵敏度和测量精度更高的薄膜传感器。本文首先是根据金属材料的物理特性及传感器的应变原理选取合适的基底材料1060铝和H62黄铜,基于以上两种基底材料设计传感器膜层结构并提出制备流程方案,为了防止传感器应基底永久变形而失效,重新设计传感器的尺寸大小。基于设计好的尺寸进行有限元仿真分析检验1060铝基底和H62黄铜基底的应变性能。为了解决因基底材料与刀具体材料不同而造成的安装问题,提出了一种插嵌式切削力测量系统,之后通过理论计算了该结构的合理性,该结构较传统的测力系统其上传感器可感应的应变提高了38.25%。然后分析氧化铝薄膜与1060铝基底和H62黄铜基底粘结性能,然后在两种基底上制备氧化铝薄膜,通过共聚焦显微观测及XRD分析检测两种基底上制备的氧化铝薄膜的质量。首先对1060铝基底上的氧化铝薄膜的薄膜粗糙度较差的问题进行优化,提出了施加基底偏压的氧化铝薄膜制备工艺,对氧化铝薄膜制备过程中的溅射压强、氩气流量以及基底偏压进行工艺参数优化。最后确定了可得到氧化铝薄膜最优表面粗糙度的制备工艺参数:基底偏压-40V、氩气流量55sccm、溅射压强0.8Pa。然后通过原子力显微镜观测优化前后的氧化铝薄膜表面质量,采用优化后的工艺参数制备氧化铝薄膜的粗糙度较之前降低了11.36%。针对由于黄铜基底表面被氧化造其上制备的氧化铝薄膜存在大量表面缺陷的问题,提出了在基底和氧化铝薄膜间施加一层增加粘结性能的中间层薄膜。选用铝、铜、钛、铬和氧化铜这五种材料来制备黄铜基底薄膜传感器的中间层,通过薄膜热应力理论分析中间层薄膜和基底分别与氧化铝薄膜间粘结性能,分析各中间层薄膜的溅射速率、表面粗糙度、表面平整度及粘结性能,得出钛薄膜最适合作为中间层。分析不同厚度的钛中间层与基底的粘结性能以及其上氧化铝薄膜的粗糙度及平整度,通过SEM显微镜观测发现,钛中间层厚度越大,其上氧化铝薄膜的粗糙度及平整度越好,但钛中间层厚度越大,其与基底的粘结性能越差,最后通过综合分析得出钛中间层的溅射时间为200s。对两种薄膜传感器进行电阻栅阻值误差分析得出随着电阻栅阻值的设计值增大,阻值误差也会增大,黄铜基底上电阻栅实际阻值为设计阻值的1.29倍和1.33倍,铝基底上电阻栅实际阻值为设计阻值的1.84倍和1.87倍,黄铜基底上电阻栅阻值误差与铝基底上电阻栅阻值误差相比较小。通过静态标定分析得出铝基底薄膜传感器与黄铜基底薄膜传感器的线性度分别为1.93%和3.59%,此外铝基底薄膜传感器与黄铜基底相比应变性能较优,但是测量误差却较大。

关键词：薄膜传感器 1060铝 H62黄铜工艺优化中间层薄膜

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薄膜传感器嵌入式水润滑轴承流固耦合仿真

陕西理工大学学报（自然科学版） 2023年第3期39卷 1-7页

作者：张楠王楠王丹丹赵一帆景敏陕西理工大学机械工程学院陕西汉中723000 陕西省工业自动化重点实验室陕西汉中723000

水润滑轴承在使用中具有空间密闭性特征,现有水膜压力、轴瓦变形等轴承性能参数监测中,由于传感器难以靠近测点,或采用轴/轴承打孔安装方式,又对轴系结构造成较大损伤,致使准确的轴承性能数据难以获取。针对上述问题,提出了一种薄膜传... 详细信息

水润滑轴承在使用中具有空间密闭性特征,现有水膜压力、轴瓦变形等轴承性能参数监测中,由于传感器难以靠近测点,或采用轴/轴承打孔安装方式,又对轴系结构造成较大损伤,致使准确的轴承性能数据难以获取。针对上述问题,提出了一种薄膜传感器嵌入式水润滑轴承,可在对轴瓦损伤降至最低的前提下使传感器直接靠近测点,实现对轴承运行状态的实时监测与调控。首先设计了嵌入式水润滑轴承结构,然后建立了水润滑轴承理论数学模型,最后通过ANSYS软件建立轴承三维仿真模型并进行流固耦合分析,研究了水膜压力、轴瓦变形分布规律。研究结果表明:受开槽位置的影响,开槽处水膜压力分布产生波动,轴瓦最大变形增长了3.67%;最大水膜压力随供水压力、轴转速的增大而增大,轴瓦变形也随之增加。

关键词：水润滑轴承薄膜传感器流固耦合水膜压力轴瓦变形

嵌入式薄膜传感器用耐磨防护层与绝缘层制备工艺研究

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嵌入式薄膜传感器用耐磨防护层与绝缘层制备工艺研究

作者：潘德成安徽工业大学

学位级别：硕士

嵌入式薄膜传感器具有测量精度高,传感器体积小优点,同时能实时反馈机械零部件表面的温度、压力等工作状态,在智能制造行业中备受关注。当面临强力磨损的恶劣环境,将传感功能薄膜埋入工件表面硬质耐磨防护薄膜下,制备结构功能一体化薄... 详细信息

嵌入式薄膜传感器具有测量精度高,传感器体积小优点,同时能实时反馈机械零部件表面的温度、压力等工作状态,在智能制造行业中备受关注。当面临强力磨损的恶劣环境,将传感功能薄膜埋入工件表面硬质耐磨防护薄膜下,制备结构功能一体化薄膜传感器是切实可行的解决方案,该传感器结构由金属基体—绝缘层—传感功能层—绝缘层—耐磨防护层多层薄膜组成,其中具有良好界面结合的耐磨防护层和绝缘层对传感器的使用寿命至关重要。本文采用物理气相沉积技术制备了耐磨防护薄膜和绝缘薄膜,研究不同工艺参数对薄膜结构和性能的影响,以改善绝缘层与耐磨防护层、金属基体之间的结合力,获得高质量耐磨防护层和绝缘层的制备方法和工艺。主要结论如下:(1)利用电弧离子镀技术在绝缘基体制备出AlTiN耐磨防护薄膜,研究了基体偏压、过渡层厚度和离子刻蚀工艺对AlTiN薄膜的结构与性能的影响。所制备的硬质薄膜主要由fcc-(Al,Ti)N相结构组成,高基体偏压下薄膜结合力和摩擦磨损性能下降;插入适当厚度的Ti过渡层并且增加离子源刻蚀电流,均有利于改善薄膜的结合力。基体偏压为-50 V(占空比60%)、沉积30 min Ti过渡层、离子刻蚀电流为110 A所制备的AlTiN薄膜具有最佳的结合强度。(2)采用磁控溅射技术在不同基体偏压条件下制备了AlN绝缘薄膜,所制备出的AlN薄膜表面较为光滑,薄膜包含hcp-AlN和fcc-Al相结构,AlN薄膜电绝缘性能随着基体偏压的增加呈现先升高后降低的趋势,基体偏压为-400 V时电阻率最高,但薄膜与金属基体之间的结合力较差。真空退火对AlN薄膜电阻率影响较大,高温退火下,AlN薄膜表面晶粒尺寸变大,金属Al相消失,电阻率逐渐降低。(3)采用电弧离子镀技术制备AlCrN和AlCrSiN薄膜并进行高温氧化处理。高温氧化处理后AlCrN和AlCrSiN薄膜表面形成更多数量的大颗粒,薄膜中fcc-(Al,Cr)N结构发生分解,薄膜表面形成的氧化膜导致电阻从千欧增加至兆欧,其中AlCrSiN薄膜电绝缘性能提升显著,为制备高温绝缘薄膜提供新途径。(4)采用电弧离子镀技术制备了不同氧含量的AlCrSiON绝缘薄膜。所制备的氮氧化物薄膜与AlN薄膜电绝缘性能相当,并且随着含氧层厚度的增加,电阻和电阻率增加。AlCrSiN薄膜中掺入适量的氧,出现明显的氧化物晶体相,过高的氧流量下薄膜结晶度降低。随着氧气流量的增加,AlCrSiON薄膜表面颗粒增多,电绝缘性能升高,而力学性能和摩擦磨损性能有所下降,但保持较高的结合强度。综上所述,氧流量为50 sccm条件下制备的AlCrSiON薄膜具有良好的综合性能,有望作为耐磨绝缘薄膜用于薄膜传感器领域。

关键词：薄膜传感器物理气相沉积耐磨防护绝缘薄膜

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薄膜传感器于智能制造的应用需求及发展初探

中国设备工程 2022年第3期 37-39页

作者：郇靖陈思梦吴正涛广东工业大学广东广州510006

第四次工业革命已经悄然来临,我国也正面临着从制造大国向制造强国转变的历史性机遇。中国和国际制造业面临产业升级和革新,德国提出“工业4.0”计划,中国提出“中国制造2025”计划,其最核心的方面是智能化制造,不管是物联网还是数字化... 详细信息

第四次工业革命已经悄然来临,我国也正面临着从制造大国向制造强国转变的历史性机遇。中国和国际制造业面临产业升级和革新,德国提出“工业4.0”计划,中国提出“中国制造2025”计划,其最核心的方面是智能化制造,不管是物联网还是数字化制造,最前端都将是智能化,所有这些智能化制造都离不开传感技术,面对智能制造产业的需求和技术挑战,本文介绍了面向智能制造的PVD法结构一体化温度压力薄膜传感器,通过对新时代智能制造潮流下传感器的全球需求背景研究,讨论了薄膜传感器的研究价值,分析了薄膜传感器的国内外研究进展与相关薄膜传感器制备工艺的研究,综述了其研究发展现状,着重介绍了结构功能一体化薄膜传感器的关键制备工艺与应用,并对其未来发展做出了展望。

关键词：智能制造薄膜传感器结构功能一体化工艺研究物理气相沉积

同心环状薄膜传感器阵列及其飞机金属结构裂纹监测研究

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机械工程学报 2015年第24期51卷 9-14页

作者：侯波崔荣洪何宇廷高潮张腾空军工程大学航空航天工程学院西安710038

飞机金属部件在服役过程中的疲劳损伤严重威胁飞行安全。针对飞机金属结构疲劳裂纹实时监测需求,提出一种与结构基体一体化集成的同心环状薄膜传感器阵列及其裂纹监测方案。对同心环状薄膜传感器阵列进行了设计与优化。应用表面处理技... 详细信息

飞机金属部件在服役过程中的疲劳损伤严重威胁飞行安全。针对飞机金属结构疲劳裂纹实时监测需求,提出一种与结构基体一体化集成的同心环状薄膜传感器阵列及其裂纹监测方案。对同心环状薄膜传感器阵列进行了设计与优化。应用表面处理技术对基体表面进行绝缘处理,应用脉冲偏压电弧离子镀技术制备同心环状薄膜传感器阵列。应用同心环状薄膜传感器阵列开展结构模拟件疲劳损伤监测试验。监测试验结果表明:薄膜传感器对裂纹非常敏感;当结构起裂或裂纹前缘扩展至薄膜传感器监测区域时,相应薄膜传感器的监测电压信号快速增加;当裂纹扩展穿越监测区域时,相应薄膜传感器的监测信号阶跃上升,监测通道失效;将薄膜传感器监测数据变化特征作为结构起裂、裂纹前缘扩展至相应监测区域以及扩展出监测区域的判断标准,同心环状薄膜传感器阵列可以实现疲劳裂纹的定量监测,监测精度为1 mm;根据内侧薄膜传感器监测数据变化,还可以定性分析结构疲劳累积损伤程度。

关键词：结构健康监测薄膜传感器电弧离子镀裂纹电位法

基于p-6P异质诱导生长酞菁铜薄膜的NO_2传感器

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物理化学学报 2016年第4期32卷 1005-1011页

作者：李占国张玉婷谢强李亨利孙丽晶宋晓峰王丽娟长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室长春130022 长春工业大学化学工程学院长春130012 长春工业大学基础科学学院长春130012

为实现室温下低浓度NO2气体检测,制作了p-六联苯(p-6P)诱导层的酞菁铜有机薄膜传感器。利用原子力显微镜(AFM)研究了不同沉积速率下p-6P薄膜的生长规律,慢速沉积提供足够的分子扩散时间,利于薄膜横向生长,形成高度低、尺寸大的晶畴。在p... 详细信息

为实现室温下低浓度NO2气体检测,制作了p-六联苯(p-6P)诱导层的酞菁铜有机薄膜传感器。利用原子力显微镜(AFM)研究了不同沉积速率下p-6P薄膜的生长规律,慢速沉积提供足够的分子扩散时间,利于薄膜横向生长,形成高度低、尺寸大的晶畴。在p-6P薄膜上生长了酞菁铜薄膜,可以清晰看到晶畴上酞菁铜薄膜的有序排列。利用X射线衍射(XRD)仪,阐明了p-6P对酞菁铜薄膜具有很好的诱导效应。通过对比不同沉积速率p-6P薄膜诱导的酞菁铜传感器性能,发现慢速沉积诱导层的酞菁铜器件有高的响应强度和低的回复时间。异质诱导生长的酞菁铜传感器响应强度是直接生长在二氧化硅上的酞菁铜传感器的2倍,回复时间是3.2 min,对浓度为1.0×10^(-5)的NO_2气体灵敏。

关键词： p-六联苯酞菁铜薄膜传感器异质诱导

高速动车组轴温测量用特种结构薄膜传感器的研制

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中国机械工程 2018年第1期29卷 63-69页

作者：崔云先胡晓勇薛帅毅刘义牟瑜大连交通大学机械工程学院大连116028

针对高速动车组轴箱轴承温度变化迅速的特点,研制了一种以NiCr/NiSi薄膜为敏感材料的特种结构薄膜传感器。采用自行开发的标定系统对直流脉冲磁控溅射技术制备的薄膜传感器进行动静态特性标定,结果表明所研制的薄膜传感器在30~400℃内... 详细信息

针对高速动车组轴箱轴承温度变化迅速的特点,研制了一种以NiCr/NiSi薄膜为敏感材料的特种结构薄膜传感器。采用自行开发的标定系统对直流脉冲磁控溅射技术制备的薄膜传感器进行动静态特性标定,结果表明所研制的薄膜传感器在30~400℃内具有良好的线性度,其塞贝克系数为37.84μV/℃,非线性拟合误差小于0.7%,动态响应时间为53.72ms。特种结构薄膜传感器磨损实验结果表明:传感器测温端的磨损对其温度测试的动静态特性影响很小,即测温端部分磨损不影响其测温性能。

关键词：薄膜传感器瞬态轴温测量磁控溅射动态标定磨损实验

PVD薄膜传感器监测强化结构裂纹的可行性研究

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西安交通大学学报 2018年第7期52卷 139-145页

作者：刘凯崔荣洪侯波何宇廷张天宇空军工程大学航空工程学院西安710038 陆军航空兵研究所北京101121

以基于离子镀膜技术制备的物理气相沉积(PVD)薄膜传感器和3种成熟度较高的结构强化技术为研究对象,在孔挤压强化、喷丸强化和激光冲击强化试验件上制备了PVD薄膜传感器。首先进行了静拉伸载荷下的PVD薄膜传感器与强化基体的应变对比试验... 详细信息

以基于离子镀膜技术制备的物理气相沉积(PVD)薄膜传感器和3种成熟度较高的结构强化技术为研究对象,在孔挤压强化、喷丸强化和激光冲击强化试验件上制备了PVD薄膜传感器。首先进行了静拉伸载荷下的PVD薄膜传感器与强化基体的应变对比试验,结果表明PVD薄膜传感器对强化结构高载荷下的应变较为敏感,与强化结构结合良好,具备在高应力环境下应用的潜力;随后对比了不同强化工艺处理及表面处理状态试验件的疲劳寿命,应用显著性分析的方法,验证了PVD薄膜传感器的制备过程不会对强化基体的疲劳性能造成显著影响;最后进行了激光冲击强化试验件的疲劳裂纹在线监测试验,结果表明,PVD薄膜传感器的监测信号结果与实际观测结果吻合较好,PVD薄膜传感器与强化基体具有良好的损伤一致性,适用于强化基体的疲劳裂纹监测。

关键词：强化结构疲劳裂纹裂纹监测薄膜传感器