基于聲表面波器件的紗線張力傳感器的研究.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，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設(shè)備的研究重點(diǎn)。
　　在紡紗和織造工藝中，紗線張力是一個(gè)很重要的參數(shù)，它將直接決定紗線和織物的生產(chǎn)產(chǎn)量和生產(chǎn)質(zhì)量，因此，如何準(zhǔn)確測量紗線

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)反映紗線張力大小，從而有效的對紗線張力大小進(jìn)行控制，本文設(shè)計(jì)了一種新型的聲表面波紗線張力傳感器，著力研究聲表面波紗線張力傳感器的設(shè)計(jì)理論以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　（1）設(shè)計(jì)了一種新型的聲表面波紗線張力傳感器。該傳感器采用聲表面波延遲線式振蕩器來制作，具有結(jié)構(gòu)簡單、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、無需溫度補(bǔ)償。設(shè)計(jì)了聲表面波延遲線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張力傳感器的制作工藝，給出了聲表面波紗線張力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理，建立了聲表面波紗線張力傳感器輸出信號(hào)頻率變化量和紗線張力之間的線性回歸數(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張力傳感器靈敏度和聲表面波紗線張力傳感器基片應(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張力傳感器靈敏度和基片應(yīng)變率之間的線性回歸數(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，給出了通過增加基片應(yīng)變率來提高傳感器靈敏度的理論。以這一理論為指導(dǎo)，給出了通過靈活設(shè)計(jì)基片尺寸來獲得最佳基片應(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，采用多元線性回歸分析方法建立了聲表面波紗線張力傳感器基片應(yīng)變率和基片尺寸之間的多元線性回歸數(shù)學(xué)模型?；谠摂?shù)學(xué)模型，得出了求解基片最大應(yīng)變率對應(yīng)基片尺寸的線性規(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：長取19 mm、寬取3 mm。制作這一尺寸的聲表面波紗線張力傳感器，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。
　　（3）研究了叉指換能器放置位置對聲表面波紗線張力傳感器靈敏度影響這一問題。從分析聲表面波紗線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)變分布對傳感器靈敏度影響問題的基礎(chǔ)上，確定了聲表面波紗線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。采用多元線性回歸分析方法建立了聲表面波紗線張力傳感器靈敏度和叉指換能器放置位置參數(shù)之間

7、的多元線性回歸數(shù)學(xué)模型。通過判斷該數(shù)學(xué)模型偏導(dǎo)數(shù)的正負(fù)來分析其單調(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張力傳感器基

8、片的應(yīng)變率分布對叉指換能器應(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％，線性度為±0.64%。相比于采