高性能諧振式傳感器關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用">
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國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎項目簡介(第一完成人、北航儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院樊尚春教授)
高性能諧振式傳感器關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用





  諧振式傳感器具有直接數(shù)字式輸出、遲滯小、重復(fù)性好等模擬式傳感器不可比擬的優(yōu)點,在航空航天、石油化工、氣象等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值,其核心技術(shù)被國外長期封鎖,必須自主研發(fā)。
  本項目在國家863計劃、自然基金等支持下,研究了制約諧振式傳感器實現(xiàn)高性能的三個共性核心問題:諧振敏感機(jī)理、閉環(huán)控制系統(tǒng)、干擾抑制方法,系統(tǒng)掌握了諧振式傳感器的共性關(guān)鍵技術(shù),并成功應(yīng)用于諧振筒壓力傳感器和諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器的研制與批量生產(chǎn)中。技術(shù)發(fā)明和創(chuàng)新點如下:
  1.針對敏感元件具有多個諧振模態(tài),各模態(tài)具有不同靈敏度且相互影響的難題,研究并揭示了諧振筒壓力敏感元件和彈性測量管質(zhì)量流量敏感元件的諧振特性規(guī)律。在國際上首次提出采用多點激勵、多點檢測實現(xiàn)最低能級和最高靈敏度的壓電激勵諧振筒壓力傳感器新方法,發(fā)明了環(huán)向波數(shù)為2、3、4的三種諧振筒壓力傳感器;發(fā)明了兼顧測量管主振動與科氏效應(yīng)副振動的彎管型與類直管型質(zhì)量流量傳感器,實現(xiàn)了高精度同步測量流體密度和質(zhì)量流量的技術(shù)。突破了制約傳感器穩(wěn)定可靠工作的技術(shù)瓶頸,產(chǎn)品性能與合格率大幅提高。
  2.針對模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)敏感元件在全測量范圍只有一個最佳諧振點,測量范圍小、動態(tài)誤差大的難題,在國際上率先研究并實現(xiàn)了諧振式傳感器非線性數(shù)字主動閉環(huán)控制新方法。發(fā)明了基于最小相位動態(tài)跟蹤與最大幅值增益調(diào)節(jié)的數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng),突破了制約傳感器快速準(zhǔn)確跟蹤固有頻率的技術(shù)瓶頸,實現(xiàn)了傳感器在全測量范圍的最佳諧振,提高了動態(tài)響應(yīng),擴(kuò)展了量程比。
  3.針對環(huán)境因素影響傳感器性能,甚至導(dǎo)致傳感器不工作的難題,研究并掌握了敏感元件諧振特性與外界干擾振動耦合規(guī)律。在國際上率先提出同時考慮結(jié)構(gòu)力耦合與結(jié)構(gòu)聲波耦合的諧振式傳感器正交解耦新方法。發(fā)明了主動抑制干擾的波節(jié)隔振解耦方法和邊界封裝正交隔振結(jié)構(gòu)。使諧振筒壓力傳感器滿足了機(jī)載與彈載應(yīng)用環(huán)境要求,質(zhì)量流量傳感器滿足了工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境要求。
  4.自主研發(fā)了低應(yīng)力旋拉工藝和彈性彎管工藝,突破了諧振筒表面處理、熱處理、形位參數(shù)精確控制技術(shù)和測量管真空釬焊、動平衡技術(shù)。研制了一批關(guān)鍵非標(biāo)設(shè)備,成功用于諧振筒、測量管精密加工和傳感器批量生產(chǎn)中。
  研制的諧振筒壓力傳感器,測量范圍覆蓋1.06kPa~4MPa,精度0.01%FS,以該傳感器為核心的分層精密高度表,成功裝備我國現(xiàn)役軍機(jī),保障了我國在8850~12500m空域?qū)崿F(xiàn)300m分層、由7個高度層擴(kuò)展到13個高度層的國際標(biāo)準(zhǔn),增加空域資源86%。研制的質(zhì)量流量傳感器,測量范圍覆蓋1kg/h~1080t/h,精度0.1%,解決了含氣量12%以下液體質(zhì)量流量測量難題,用于能源結(jié)算、配料控制等。本成果達(dá)到國際先進(jìn)水平,在大壓力測量、氣液混合流體測量、動態(tài)測量等方面處于國際領(lǐng)先水平,為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)做出了重大貢獻(xiàn)。
  授權(quán)發(fā)明專利24項,軟件著作權(quán)3項,近5年發(fā)表論文32篇,SCI檢索16篇;近3年新增銷售額1.03億元,新增利潤1781萬元,新增稅收941萬元。