海流传感器上升流测量装置的设计与标定研究

论文摘要

海水的水平流速和上升流速是观测海洋的重要参数,但两者之间较大的量级差异限制了传统海流传感器对海水上升流的精确测量。围绕三维海水流速测量这一关键问题,本文设计了一种基于新型柔顺机构的上升流测量装置,并针对性地研制了一种新型静态标定装置,对静态标定装置进行了实验研究。首先,对不同类型的力传感器和电阻应变片的性能进行了分析与比较,突出了应变式力传感器在海水流速测量领域的独特优势。针对水平流和上升流的运动特征,分别阐明了组合式海流传感器相应部分的设计依据和测量原理。对不同柔性铰链与应变孔的性能进行了分析与比较,为后期关键力敏部件的选择与设计奠定了理论基础。然后,通过对柔顺机构的构型综合,设计了一种基于混合铰链的新型杠杆式力柔顺机构。探究了椭圆腰孔的孔边应力分布规律,对机构的关键尺寸参数进行了分析与设计,并得到了力值响应曲线,最小分辨率为10μN。设计了一种新型上升流测量装置用于感应、转换和放大初始微小升力,可满足海水微小上升流速的测量要求。最后,基于杠杆式力柔顺机构精确缩小标准砝码力并将其作为标定力源的工作原理,研制了一种微力传感器静态标定装置。对微力发生机构进行了静力学分析并推导了力缩小倍数的理论计算方法,对关键杆长尺寸进行了分析与设计。进行了有限元仿真分析和标定装置的加载实验,分别得到了不同组合砝码力及位移加载下的力值响应曲线。结果表明,仿真结果与理论值、实验结果与理论值间的最大误差分别为5.501%和7.391%,装置的非线性误差为2.89%,最小输出力为4μN,该静态标定装置可用于微力传感器的精确标定。

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致谢

摘要

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第一章绪论

1.1 海洋装备开发的背景与意义

1.2 海流传感器的研究现状

1.2.1 国外研究状况

1.2.2 国内研究状况

1.3 柔顺机构的研究现状

1.4 课题来源及主要研究内容

1.4.1 课题来源

1.4.2 主要研究内容

第二章工作原理和关键力敏部件的设计

2.1 引言

2.2 工作原理

2.2.1 应变式力传感器

2.2.2 电阻应变片及其组桥电路

2.2.3 海流测量方案

2.3 柔性铰链

2.3.1 柔性铰链的构型综合

2.3.2 几种典型柔性铰链的建模综合

2.3.3 几种典型柔性铰链的性能分析与选择

2.4 应变孔

2.4.1 应力集中理论

2.4.2 几种典型应变孔的性能比较

2.5 本章小结

第三章上升流测量装置的设计

3.1 引言

3.2 杠杆式柔顺机构的构型设计

3.2.1 柔顺机构的构型分析与设计

3.2.2 两种柔性铰链的刚度分析

3.2.3 杠杆式柔顺机构的最终模型

3.3 静力学分析

3.4 尺寸参数的分析与设计

3.4.1 有限板宽内椭圆腰孔的应力分析

3.4.2 关键尺寸的分析与设计

3.5 上升流测量装置

3.6 本章小结

第四章静态标定装置的设计与实验

4.1 引言

4.2 力传感器的标定

4.2.1 力传感器的标定方法概述

4.2.2 力传感器的静态标定装置

4.3 静态标定装置的设计

4.3.1 工作原理

4.3.2 力缩小倍数的理论计算

4.3.3 关键杆长尺寸的设计

4.4 仿真与实验验证

4.4.1 微力发生机构的仿真分析

4.4.2 静态标定装置的实验研究

4.4.3 误差分析与讨论

4.5 本章小结

第五章总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘和亮

导师: 王勇

关键词: 上升流速测量,柔顺机构,混合铰链,静态标定,加载实验

来源: 合肥工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,自动化技术

单位: 合肥工业大学

基金: 国家自然科学基金项目(No.40876052),可测上升流的三维瞬时海流传感器的研究(编号:NO.41076061),国家自然科学基金项目,2017-2019

分类号: TP212;P715

DOI: 10.27101/d.cnki.ghfgu.2019.000104

总页数: 80

文件大小: 4291K

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