基于聲表面波器件的紗線(xiàn)張力傳感器的研究.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)，傳感器技術(shù)成為了世界各國(guó)矚目的焦點(diǎn)，其作為新技術(shù)革命、信息社會(huì)及智慧社會(huì)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)，已被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)。近年來(lái)，隨著紡織工業(yè)技術(shù)改革的不斷深化，以傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的紡織機(jī)電一體化設(shè)備引起了人們的廣泛關(guān)注和深入研究。其中，紗線(xiàn)張力傳感器作為紡織機(jī)械設(shè)備中的重要組成部分成為該類(lèi)設(shè)備的研究重點(diǎn)。
　　在紡紗和織造工藝中，紗線(xiàn)張力是一個(gè)很重要的參數(shù)，它將直接決定紗線(xiàn)和織物的生產(chǎn)產(chǎn)量和生產(chǎn)質(zhì)量，因此，如何準(zhǔn)確測(cè)量紗線(xiàn)

2、張力成為人們迫切需要解決的任務(wù)。為了盡可能真實(shí)反映紗線(xiàn)張力大小，從而有效的對(duì)紗線(xiàn)張力大小進(jìn)行控制，本文設(shè)計(jì)了一種新型的聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器，著力研究聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器的設(shè)計(jì)理論以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　?。?）設(shè)計(jì)了一種新型的聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器。該傳感器采用聲表面波延遲線(xiàn)式振蕩器來(lái)制作，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。選擇零溫度系數(shù)的42.75°Y切X方向傳播石英單晶作為基片，從而器件

3、無(wú)需溫度補(bǔ)償。設(shè)計(jì)了聲表面波延遲線(xiàn)式振蕩器的叉指換能器，具體設(shè)計(jì)參數(shù)包括：叉指換能器周期、叉指換能器指對(duì)數(shù)、聲孔徑、金屬化比、金屬膜厚度和叉指換能器加權(quán)等。詳細(xì)闡述了聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器的制作工藝，給出了聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理，建立了聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器輸出信號(hào)頻率變化量和紗線(xiàn)張力之間的線(xiàn)性回歸數(shù)學(xué)模型，采用最小二乘法求解了該數(shù)學(xué)模型。
　?。?）提出了基于有限元的聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器靈敏度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

4、推導(dǎo)得出了聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器靈敏度和聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器基片應(yīng)變率之間的函數(shù)關(guān)系，從而給出了基片應(yīng)變率這一概念。利用線(xiàn)性回歸分析方法、有限元仿真分析方法建立了聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器靈敏度和基片應(yīng)變率之間的線(xiàn)性回歸數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型的單調(diào)性表明：聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器的基片應(yīng)變率越大，則其靈敏度就會(huì)越高。根據(jù)上述結(jié)論，給出了通過(guò)增加基片應(yīng)變率來(lái)提高傳感器靈敏度的理論。以這一理論為指導(dǎo)，給出了通過(guò)靈活設(shè)計(jì)基片尺寸來(lái)獲得最佳基片應(yīng)變率

5、的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。為了使基片應(yīng)變率取得最大值，建立了12個(gè)不同尺寸基片的應(yīng)力-應(yīng)變有限元仿真分析模型。根據(jù)有限元仿真分析結(jié)果，采用多元線(xiàn)性回歸分析方法建立了聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器基片應(yīng)變率和基片尺寸之間的多元線(xiàn)性回歸數(shù)學(xué)模型。基于該數(shù)學(xué)模型，得出了求解基片最大應(yīng)變率對(duì)應(yīng)基片尺寸的線(xiàn)性規(guī)劃模型。求解獲得基片應(yīng)變率取最大值時(shí)的基片尺寸為：長(zhǎng)取19 mm、寬取3 mm。制作這一尺寸的聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器的靈敏度可達(dá)31

6、14 Hz/g，這表明該優(yōu)化方法是有效和可行的。
　?。?）研究了叉指換能器放置位置對(duì)聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器靈敏度影響這一問(wèn)題。從分析聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器基片在沿聲表面波傳播方向上的應(yīng)力-應(yīng)變特性出發(fā)，在深入研究了傳感器基片應(yīng)力-應(yīng)變分布對(duì)傳感器靈敏度影響問(wèn)題的基礎(chǔ)上，確定了聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器靈敏度和叉指換能器放置位置參數(shù)之間存在函數(shù)關(guān)系。采用多元線(xiàn)性回歸分析方法建立了聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器靈敏度和叉指換能器放置位置參數(shù)之間

7、的多元線(xiàn)性回歸數(shù)學(xué)模型。通過(guò)判斷該數(shù)學(xué)模型偏導(dǎo)數(shù)的正負(fù)來(lái)分析其單調(diào)性，結(jié)果表明：在給定區(qū)間內(nèi)，聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器靈敏度會(huì)隨叉指換能器距離基片左端距離的增大而增大，聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器靈敏度會(huì)隨叉指換能器距離基片頂端距離的增大而減小。
　?。?）提出了聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器基片的等應(yīng)變率結(jié)構(gòu)。根據(jù)基片應(yīng)力-應(yīng)變有限元仿真結(jié)果，詳細(xì)分析了加載張力時(shí)聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器基片上的應(yīng)變率分布特性，并深入研究了聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器基

8、片的應(yīng)變率分布對(duì)叉指換能器應(yīng)力-應(yīng)變特性造成的影響。為了消除上述影響，提出了聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器基片的等應(yīng)變率結(jié)構(gòu)。在綜合考慮基片尺寸和叉指換能器放置位置的基礎(chǔ)上，給出了經(jīng)過(guò)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的基片等應(yīng)變率結(jié)構(gòu)，建立了求解該基片等應(yīng)變率結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，給出了該數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)二分法求解方法。制作了等應(yīng)變率基片結(jié)構(gòu)的聲表面波紗線(xiàn)張力傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：該傳感器靈敏度為585 Hz/g，最大引用誤差為3.16％，線(xiàn)性度為±0.64%。相比于采