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RECO Green塑料膜片用途61700589分類(lèi)廣泛：如夾布型膜片、純橡膠型膜片、金屬/橡膠復(fù)合型膜片、金屬/橡膠/塑料三者復(fù)合型膜片等等；

電聲行業(yè)膜片而言：它的主要作用就是將電流轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)，如我們常見(jiàn)的“揚(yáng)聲器"等；

過(guò)濾隔離行業(yè)膜片而言：它實(shí)際是由很多微小的納米微孔組成，起到分離相關(guān)介質(zhì)的作用，如空氣凈化、水處理凈化等行業(yè)；

光學(xué)行業(yè)膜片：它起到光學(xué)折射、光學(xué)處理等作用；如常見(jiàn)的“太陽(yáng)能電池板"、“太陽(yáng)鏡膜"、"汽車(chē)防爆膜“等等。光纖壓力傳感器具有抗輻射、抗電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，適合用于工程建設(shè)、石油鉆井、大型變電設(shè)備等高輻射、高電磁干擾、高溫高壓等環(huán)境。為了更安全、準(zhǔn)確、便捷地獲取傳感器的壓力信息，提高測(cè)量精度，需要開(kāi)發(fā)新的材料或進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。微型法布里-珀羅(F-P)壓力傳感器通常有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)和膜片結(jié)構(gòu)2種。毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的壓力傳感器對(duì)壓力感知敏感度低，可用于大壓強(qiáng)范圍的測(cè)量，但不適于對(duì)精度要求高的微壓測(cè)量。膜片式法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)理論上可以獲得較高的靈敏度，成為的干涉型光纖壓力傳感器，它具有損耗低、抗干擾、靈敏度高、線(xiàn)性度好、測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)良特性。為了進(jìn)一步提高膜片式F-P壓力傳感器的靈敏度，設(shè)計(jì)并研制了波紋膜片式光纖 F-P 壓力傳感器，該傳感器靈敏度提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)。

傳感器的結(jié)構(gòu)分析

壓力傳感器由波紋膜片、玻璃圓環(huán)、光纖法蘭盤(pán)和光纖插頭等構(gòu)成，其中d波紋膜片即為壓力敏感膜。1）將波紋膜片與玻璃圓環(huán)的一個(gè)現(xiàn)面粘合，使波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)的圓心重合；2）將玻璃圓環(huán)另一現(xiàn)的外壁與光纖法蘭盤(pán)的凹槽粘結(jié)并將外部封裝固化；3）將光纖插頭旋接于光纖法蘭盤(pán)，即構(gòu)成一個(gè)壓力傳感器。光纖插頭的現(xiàn)面與波紋膜片的下表面形成法布里-珀羅(F-P)腔。光經(jīng)光纖垂直入射，一部分被光纖現(xiàn)面反射，另一部分光經(jīng)過(guò)空氣腔，被波紋膜片下表面反射，2束光在光纖內(nèi)部發(fā)生干涉。當(dāng)外界壓力發(fā)生變化，波紋膜片將發(fā)生形變，從而改變 F-P腔的腔長(zhǎng)，引起反射譜的相位移動(dòng)。對(duì)反射光譜進(jìn)行解調(diào)，可以得到腔長(zhǎng)的大小，從而計(jì)算得出作用于波紋膜片上的壓力。

傳感器在不同壓力下的模態(tài)分析

設(shè)置波紋膜片的參數(shù)：工作半徑為4600μm，厚度為30μm，波高為60μm，波紋寬度為750μm，楊氏模量為200GPa，泊松比為0.3，材料為316L不銹鋼。

仿真計(jì)算波紋寬度為500、600、750、1000μm時(shí)撓度隨壓力的變化曲線(xiàn)。在同等壓力下，波紋寬度越大，撓度越大。當(dāng)波紋寬度高于750μm時(shí)，壓力-撓度曲線(xiàn)的線(xiàn)性度變差。為了得到撓度變化較大且線(xiàn)性度較好的值，選擇波紋寬度為750μm的波紋膜片。

仿真計(jì)算波高為10~90μm時(shí)撓度的變化情況。當(dāng)波高為30~80μm時(shí)，撓度有較高的變化量，在撓度相同、線(xiàn)性度近似的情況下，綜合考慮波紋膜片的加工成本，選擇波紋高度為60μm的波紋膜片。

利用 CoventorWare 軟件進(jìn)行仿真，設(shè)置敏感膜的厚度為30μm，波高為60μm，波紋寬度為750μm。在敏感膜上施加0.1MPa的壓力，波紋膜撓度為55μm。

傳感器壓力測(cè)試系統(tǒng)

光纖傳感分析儀采用光纖傳感分析儀Si720。Si720的光源與探測(cè)系統(tǒng)是各自獨(dú)立的，且具有2個(gè)通道，每個(gè)通道可以檢測(cè)100個(gè)傳感器，全部傳感器以5Hz同步掃描，波長(zhǎng)分辨率為0.25pm，精度為±1pm。2個(gè)通道采用高功率掃描激光器作為光源，輸出波長(zhǎng)為1510~1590nm，光源輸出的光通過(guò)一個(gè)2×2光纖耦合器被分成強(qiáng)度相等的2束光。一束光被接回到CH2檢測(cè)通道，作為入射參考光；另一束光傳輸經(jīng)過(guò)F-P微腔形成干涉信號(hào)，再通過(guò)光纖耦合器接回到CH1檢測(cè)通道，作為反射測(cè)量光；2束光同時(shí)進(jìn)行掃描并傳入計(jì)算機(jī)。由于波紋膜撓度和壓力呈線(xiàn)性關(guān)系，因此壓力的大小可由對(duì)應(yīng)腔長(zhǎng)的變化量來(lái)確定。

用YS-2.5型活塞壓力計(jì)對(duì)傳感器從0~0.1MPa進(jìn)行均勻升壓，每隔0.01MPa標(biāo)定一次，25 ℃時(shí)，微壓傳感器的初始腔長(zhǎng)為137.11μm，腔長(zhǎng)總變化量為51.8μm，并用LabView軟件仿真得到傳感器的腔長(zhǎng)隨壓力變化曲線(xiàn) ，Matlab計(jì)算得到的腔長(zhǎng)擬合方程為L(zhǎng)=518.0188P+137.1081，均方根誤差為0.9991，傳感器精度為1.05%F、S、(F、S、 表示全量程范圍)，靈敏度為51802μm/MPa，與仿真結(jié)果一致。

遲滯性是反映傳感器在正反行程過(guò)程中輸出-輸入曲線(xiàn)的不重合程度的指標(biāo)。先對(duì)壓力傳感器從0均勻升壓至 0.1MPa，再均勻降壓至0，可以看出傳感器升降壓曲線(xiàn)幾乎重合，計(jì)算得到相對(duì)遲滯誤差為0.4%，遲滯效應(yīng)很弱。 在不影響結(jié)論正確性基礎(chǔ)上，做以下假設(shè)以便合理確定預(yù)制缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成膜片設(shè)計(jì)：

選取垂直于缺陷槽的任一截面作為研究對(duì)象，將該截面簡(jiǎn)化為二維板條結(jié)構(gòu)。

膜片實(shí)際破壞過(guò)程為瞬間動(dòng)態(tài)過(guò)程，材料還未發(fā)生塑性屈服，近似認(rèn)為膜片的動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程為線(xiàn)彈性斷裂問(wèn)題。

圓弧長(zhǎng)度與預(yù)制缺陷V型槽斜面長(zhǎng)比值小于0.05倍時(shí)，膜片打開(kāi)壓強(qiáng)對(duì)預(yù)制缺陷尖現(xiàn)圓角并不敏感，因此，預(yù)制缺陷需確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)僅為V型槽開(kāi)口角度α，缺陷深度a和膜片厚度h。

此外，由于所確定的金屬膜片預(yù)制缺陷槽為均勻放射狀，各缺陷槽尺寸、受力狀態(tài)原裝相同，忽略各缺陷槽之間的影響，任取其中任一條缺陷作為研究對(duì)象；所設(shè)計(jì)的金屬膜片破壞形式均為 I 型裂紋擴(kuò)展破壞，因此只需求解預(yù)制缺陷處的 I 型應(yīng)力強(qiáng)度因子 KI 即可表征金屬膜片設(shè)計(jì)合理性。

金屬膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)II脈沖藥柱穩(wěn)定點(diǎn)燃初始?jí)簭?qiáng)控制要求，確定金屬膜片設(shè)計(jì)打開(kāi)壓強(qiáng)為2.2MPa。在某實(shí)際隔艙式雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)直徑限制膜片半徑R =142mm時(shí)，確定動(dòng)態(tài)斷裂韌性約為21MPa /m2的膜片結(jié)構(gòu)尺寸分別為： 開(kāi)口角度α =90°，缺陷深度a=1mm，膜片厚度h=3mm。

經(jīng)計(jì)算，在該參數(shù)條件時(shí)預(yù)制缺陷上應(yīng)力強(qiáng)度因子隨徑向距離變化關(guān)系?？梢钥闯觯?由于圓板中心處應(yīng)力最大，應(yīng)力強(qiáng)度因子在該處也達(dá)到極大值，其后隨徑向距離增大逐漸減小。此外，圓心處應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到21.4 MPa/m2 ，大于對(duì)應(yīng)材料斷裂韌性，因此在該燃燒室內(nèi)壓作用下，膜片將從中心位置開(kāi)始破壞并逐步擴(kuò)展致整個(gè)預(yù)制缺陷，符合預(yù)先設(shè)計(jì)。

金屬膜片打開(kāi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為考核結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)合理性，采用裝置開(kāi)展隔艙金屬膜片打開(kāi)單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置由 I、II 脈沖集壓室、隔艙結(jié)構(gòu)、進(jìn)壓口、測(cè)試裝置等部件構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)中在 II 脈沖集氣室內(nèi)裝填假藥柱以真實(shí)模擬脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)自由空間，通過(guò)設(shè)置在兩個(gè)集壓室的進(jìn)壓口與利用適量點(diǎn)產(chǎn)生的壓強(qiáng)相互聯(lián)通模擬脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室初始?jí)簭?qiáng)。

針對(duì)設(shè)計(jì)膜片結(jié)構(gòu)開(kāi)展6次實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行的膜片完整性檢查結(jié)果顯示： 除第一次實(shí)驗(yàn)中膜片結(jié)構(gòu)較為完整外，其余均從預(yù)制缺陷位置產(chǎn)生3～ 5條數(shù)量不等的 I 型貫穿性裂紋，與預(yù)先“米"字形設(shè)計(jì)一致。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)后五次實(shí)驗(yàn)中各條缺陷均未同時(shí)貫穿，主要原因在于：應(yīng)力強(qiáng)度因子一致性受缺陷深度加工誤差影響較大，必然導(dǎo)致破壞程度存在一定差異。

第一次實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)僅為1.68MPa，小于打開(kāi)壓強(qiáng)設(shè)計(jì)值，因此膜片打開(kāi)失??； 其余5次實(shí)驗(yàn)因建壓加載速率差異等因素影響，各次實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)間存在一定差異，但總體變化趨勢(shì)趨于一致，五次實(shí)驗(yàn)中打開(kāi)壓 強(qiáng)平均值為2.10MPa，與設(shè)計(jì)值誤差約為4.545% ，說(shuō)明采用所建立方法獲得的金屬膜片結(jié)構(gòu)參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求分類(lèi)廣泛：如夾布型膜片、純橡膠型膜片、金屬/橡膠復(fù)合型膜片、金屬/橡膠/塑料三者復(fù)合型膜片等等；

電聲行業(yè)膜片而言：它的主要作用就是將電流轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)，如我們常見(jiàn)的“揚(yáng)聲器"等；

過(guò)濾隔離行業(yè)膜片而言：它實(shí)際是由很多微小的納米微孔組成，起到分離相關(guān)介質(zhì)的作用，如空氣凈化、水處理凈化等行業(yè)；

光學(xué)行業(yè)膜片：它起到光學(xué)折射、光學(xué)處理等作用；如常見(jiàn)的“太陽(yáng)能電池板"、“太陽(yáng)鏡膜"、"汽車(chē)防爆膜“等等。光纖壓力傳感器具有抗輻射、抗電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，適合用于工程建設(shè)、石油鉆井、大型變電設(shè)備等高輻射、高電磁干擾、高溫高壓等極現(xiàn)環(huán)境。為了更安全、準(zhǔn)確、便捷地獲取傳感器的壓力信息，提高測(cè)量精度，需要開(kāi)發(fā)新的材料或進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。微型法布里-珀羅(F-P)壓力傳感器通常有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)和膜片結(jié)構(gòu)2種。毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的壓力傳感器對(duì)壓力感知敏感度低，可用于大壓強(qiáng)范圍的測(cè)量，但不適于對(duì)精度要求高的微壓測(cè)量。膜片式法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)理論上可以獲得較高的靈敏度，成為的干涉型光纖壓力傳感器，它具有損耗低、抗干擾、靈敏度高、線(xiàn)性度好、測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)良特性。為了進(jìn)一步提高膜片式F-P壓力傳感器的靈敏度，設(shè)計(jì)并研制了波紋膜片式光纖 F-P 壓力傳感器，該傳感器靈敏度提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)。

RECO傳感器的結(jié)構(gòu)分析

壓力傳感器由波紋膜片、玻璃圓環(huán)、光纖法蘭盤(pán)和光纖插頭等構(gòu)成，其中d波紋膜片即為壓力敏感膜。1）將波紋膜片與玻璃圓環(huán)的一個(gè)現(xiàn)面粘合，使波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)的圓心重合；2）將玻璃圓環(huán)另一現(xiàn)的外壁與光纖法蘭盤(pán)的凹槽粘結(jié)并將外部封裝固化；3）將光纖插頭旋接于光纖法蘭盤(pán)，即構(gòu)成一個(gè)壓力傳感器。光纖插頭的現(xiàn)面與波紋膜片的下表面形成法布里-珀羅(F-P)腔。光經(jīng)光纖垂直入射，一部分被光纖現(xiàn)面反射，另一部分光經(jīng)過(guò)空氣腔，被波紋膜片下表面反射，2束光在光纖內(nèi)部發(fā)生干涉。當(dāng)外界壓力發(fā)生變化，波紋膜片將發(fā)生形變，從而改變 F-P腔的腔長(zhǎng)，引起反射譜的相位移動(dòng)。對(duì)反射光譜進(jìn)行解調(diào)，可以得到腔長(zhǎng)的大小，從而計(jì)算得出作用于波紋膜片上的壓力。

傳感器在不同壓力下的模態(tài)分析

設(shè)置波紋膜片的參數(shù)：工作半徑為4600μm，厚度為30μm，波高為60μm，波紋寬度為750μm，楊氏模量為200GPa，泊松比為0.3，材料為316L不銹鋼。

仿真計(jì)算波紋寬度為500、600、750、1000μm時(shí)撓度隨壓力的變化曲線(xiàn)。在同等壓力下，波紋寬度越大，撓度越大。當(dāng)波紋寬度高于750μm時(shí)，壓力-撓度曲線(xiàn)的線(xiàn)性度變差。為了得到撓度變化較大且線(xiàn)性度較好的值，選擇波紋寬度為750μm的波紋膜片。

仿真計(jì)算波高為10~90μm時(shí)撓度的變化情況。當(dāng)波高為30~80μm時(shí)，撓度有較高的變化量，在撓度相同、線(xiàn)性度近似的情況下，綜合考慮波紋膜片的加工成本，選擇波紋高度為60μm的波紋膜片。

利用 CoventorWare 軟件進(jìn)行仿真，設(shè)置敏感膜的厚度為30μm，波高為60μm，波紋寬度為750μm。在敏感膜上施加0.1MPa的壓力，波紋膜撓度為55μm。

傳感器壓力測(cè)試系統(tǒng)

光纖傳感分析儀采用光纖傳感分析儀Si720。Si720的光源與探測(cè)系統(tǒng)是各自獨(dú)立的，且具有2個(gè)通道，每個(gè)通道可以檢測(cè)100個(gè)傳感器，全部傳感器以5Hz同步掃描，波長(zhǎng)分辨率為0.25pm，精度為±1pm。2個(gè)通道采用高功率掃描激光器作為光源，輸出波長(zhǎng)為1510~1590nm，光源輸出的光通過(guò)一個(gè)2×2光纖耦合器被分成強(qiáng)度相等的2束光。一束光被接回到CH2檢測(cè)通道，作為入射參考光；另一束光傳輸經(jīng)過(guò)F-P微腔形成干涉信號(hào)，再通過(guò)光纖耦合器接回到CH1檢測(cè)通道，作為反射測(cè)量光；2束光同時(shí)進(jìn)行掃描并傳入計(jì)算機(jī)。由于波紋膜撓度和壓力呈線(xiàn)性關(guān)系，因此壓力的大小可由對(duì)應(yīng)腔長(zhǎng)的變化量來(lái)確定。

用YS-2.5型活塞壓力計(jì)對(duì)傳感器從0~0.1MPa進(jìn)行均勻升壓，每隔0.01MPa標(biāo)定一次，25 ℃時(shí)，微壓傳感器的初始腔長(zhǎng)為137.11μm，腔長(zhǎng)總變化量為51.8μm，并用LabView軟件仿真得到傳感器的腔長(zhǎng)隨壓力變化曲線(xiàn) ，Matlab計(jì)算得到的腔長(zhǎng)擬合方程為L(zhǎng)=518.0188P+137.1081，均方根誤差為0.9991，傳感器精度為1.05%F、S、(F、S、 表示全量程范圍)，靈敏度為51802μm/MPa，與仿真結(jié)果一致。

遲滯性是反映傳感器在正反行程過(guò)程中輸出-輸入曲線(xiàn)的不重合程度的指標(biāo)。先對(duì)壓力傳感器從0均勻升壓至 0.1MPa，再均勻降壓至0，可以看出傳感器升降壓曲線(xiàn)幾乎重合，計(jì)算得到相對(duì)遲滯誤差為0.4%，遲滯效應(yīng)很弱。 在不影響結(jié)論正確性基礎(chǔ)上，做以下假設(shè)以便合理確定預(yù)制缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成膜片設(shè)計(jì)：

選取垂直于缺陷槽的任一截面作為研究對(duì)象，將該截面簡(jiǎn)化為二維板條結(jié)構(gòu)。

膜片實(shí)際破壞過(guò)程為瞬間動(dòng)態(tài)過(guò)程，材料還未發(fā)生塑性屈服，近似認(rèn)為膜片的動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程為線(xiàn)彈性斷裂問(wèn)題。

圓弧長(zhǎng)度與預(yù)制缺陷V型槽斜面長(zhǎng)比值小于0.05倍時(shí)，膜片打開(kāi)壓強(qiáng)對(duì)預(yù)制缺陷圓角并不敏感，因此，預(yù)制缺陷需確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)僅為V型槽開(kāi)口角度α，缺陷深度a和膜片厚度h。

此外，由于所確定的金屬膜片預(yù)制缺陷槽為均勻放射狀，各缺陷槽尺寸、受力狀態(tài)相同，忽略各缺陷槽之間的影響，任取其中任一條缺陷作為研究對(duì)象；所設(shè)計(jì)的金屬膜片破壞形式均為 I 型裂紋擴(kuò)展破壞，因此只需求解預(yù)制缺陷處的 I 型應(yīng)力強(qiáng)度因子 KI 即可表征金屬膜片設(shè)計(jì)合理性。

金屬膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)II脈沖藥柱穩(wěn)定點(diǎn)燃初始?jí)簭?qiáng)控制要求，確定金屬膜片設(shè)計(jì)打開(kāi)壓強(qiáng)為2.2MPa。在某實(shí)際隔艙式雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)直徑限制膜片半徑R =142mm時(shí)，確定動(dòng)態(tài)斷裂韌性約為21MPa /m2的膜片結(jié)構(gòu)尺寸分別為： 開(kāi)口角度α =90°，缺陷深度a=1mm，膜片厚度h=3mm。

經(jīng)計(jì)算，在該參數(shù)條件時(shí)預(yù)制缺陷上應(yīng)力強(qiáng)度因子隨徑向距離變化關(guān)系。可以看出： 由于圓板中心處應(yīng)力最大，應(yīng)力強(qiáng)度因子在該處也達(dá)到極大值，其后隨徑向距離增大逐漸減小。此外，圓心處應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到21.4 MPa/m2 ，大于對(duì)應(yīng)材料斷裂韌性，因此在該燃燒室內(nèi)壓作用下，膜片將從中心位置開(kāi)始破壞并逐步擴(kuò)展致整個(gè)預(yù)制缺陷，符合預(yù)先設(shè)計(jì)。

金屬膜片打開(kāi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為考核結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)合理性，采用裝置開(kāi)展隔艙金屬膜片打開(kāi)單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置由 I、II 脈沖集壓室、隔艙結(jié)構(gòu)、進(jìn)壓口、測(cè)試裝置等部件構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)中在 II 脈沖集氣室內(nèi)裝填假藥柱以真實(shí)模擬脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)自由空間，通過(guò)設(shè)置在兩個(gè)集壓室的進(jìn)壓口與利用適量點(diǎn)產(chǎn)生的壓強(qiáng)相互聯(lián)通模擬脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室初始?jí)簭?qiáng)。

針對(duì)設(shè)計(jì)膜片結(jié)構(gòu)開(kāi)展6次實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行的膜片完整性檢查結(jié)果顯示： 除第一次實(shí)驗(yàn)中膜片結(jié)構(gòu)較為完整外，其余均從預(yù)制缺陷位置產(chǎn)生3～ 5條數(shù)量不等的 I 型貫穿性裂紋，與預(yù)先“米"字形設(shè)計(jì)一致。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)后五次實(shí)驗(yàn)中各條缺陷均未同時(shí)貫穿，主要原因在于：應(yīng)力強(qiáng)度因子一致性受缺陷深度加工誤差影響較大，必然導(dǎo)致破壞程度存在一定差異。

第一次實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)僅為1.68MPa，小于打開(kāi)壓強(qiáng)設(shè)計(jì)值，因此膜片打開(kāi)失?。?其余5次實(shí)驗(yàn)因建壓加載速率差異等因素影響，各次實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)間存在一定差異，但總體變化趨勢(shì)趨于一致，五次實(shí)驗(yàn)中打開(kāi)壓 強(qiáng)平均值為2.10MPa，與設(shè)計(jì)值誤差約為4.545% ，說(shuō)明采用所建立方法獲得的金屬膜片結(jié)構(gòu)參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求分類(lèi)廣泛：如夾布型膜片、純橡膠型膜片、金屬/橡膠復(fù)合型膜片、金屬/橡膠/塑料三者復(fù)合型膜片等等；

電聲行業(yè)膜片而言：它的主要作用就是將電流轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)，如我們常見(jiàn)的“揚(yáng)聲器"等；

過(guò)濾隔離行業(yè)膜片而言：它實(shí)際是由很多微小的納米微孔組成，起到分離相關(guān)介質(zhì)的作用，如空氣凈化、水處理凈化等行業(yè)；

光學(xué)行業(yè)膜片：它起到光學(xué)折射、光學(xué)處理等作用；如常見(jiàn)的“太陽(yáng)能電池板"、“太陽(yáng)鏡膜"、"汽車(chē)防爆膜“等等。光纖壓力傳感器具有抗輻射、抗電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，適合用于工程建設(shè)、石油鉆井、大型變電設(shè)備等高輻射、高電磁干擾、高溫高壓等環(huán)境。為了更安全、準(zhǔn)確、便捷地獲取傳感器的壓力信息，提高測(cè)量精度，需要開(kāi)發(fā)新的材料或進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。微型法布里-珀羅(F-P)壓力傳感器通常有毛細(xì)管結(jié)構(gòu)和膜片結(jié)構(gòu)2種。毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的壓力傳感器對(duì)壓力感知敏感度低，可用于大壓強(qiáng)范圍的測(cè)量，但不適于對(duì)精度要求高的微壓測(cè)量。膜片式法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)理論上可以獲得較高的靈敏度，成為的干涉型光纖壓力傳感器，它具有損耗低、抗干擾、靈敏度高、線(xiàn)性度好、測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)良特性。為了進(jìn)一步提高膜片式F-P壓力傳感器的靈敏度，設(shè)計(jì)并研制了波紋膜片式光纖 F-P 壓力傳感器，該傳感器靈敏度提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)。

傳感器的結(jié)構(gòu)分析

壓力傳感器由波紋膜片、玻璃圓環(huán)、光纖法蘭盤(pán)和光纖插頭等構(gòu)成，其中d波紋膜片即為壓力敏感膜。1）將波紋膜片與玻璃圓環(huán)的一個(gè)現(xiàn)面粘合，使波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)的圓心重合；2）將玻璃圓環(huán)另一現(xiàn)的外壁與光纖法蘭盤(pán)的凹槽粘結(jié)并將外部封裝固化；3）將光纖插頭旋接于光纖法蘭盤(pán)，即構(gòu)成一個(gè)壓力傳感器。光纖插頭的現(xiàn)面與波紋膜片的下表面形成法布里-珀羅(F-P)腔。光經(jīng)光纖垂直入射，一部分被光纖現(xiàn)面反射，另一部分光經(jīng)過(guò)空氣腔，被波紋膜片下表面反射，2束光在光纖內(nèi)部發(fā)生干涉。當(dāng)外界壓力發(fā)生變化，波紋膜片將發(fā)生形變，從而改變 F-P腔的腔長(zhǎng)，引起反射譜的相位移動(dòng)。對(duì)反射光譜進(jìn)行解調(diào)，可以得到腔長(zhǎng)的大小，從而計(jì)算得出作用于波紋膜片上的壓力。

傳感器在不同壓力下的模態(tài)分析

設(shè)置波紋膜片的參數(shù)：工作半徑為4600μm，厚度為30μm，波高為60μm，波紋寬度為750μm，楊氏模量為200GPa，泊松比為0.3，材料為316L不銹鋼。

仿真計(jì)算波紋寬度為500、600、750、1000μm時(shí)撓度隨壓力的變化曲線(xiàn)。在同等壓力下，波紋寬度越大，撓度越大。當(dāng)波紋寬度高于750μm時(shí)，壓力-撓度曲線(xiàn)的線(xiàn)性度變差。為了得到撓度變化較大且線(xiàn)性度較好的值，選擇波紋寬度為750μm的波紋膜片。

仿真計(jì)算波高為10~90μm時(shí)撓度的變化情況。當(dāng)波高為30~80μm時(shí)，撓度有較高的變化量，在撓度相同、線(xiàn)性度近似的情況下，綜合考慮波紋膜片的加工成本，選擇波紋高度為60μm的波紋膜片。

利用 CoventorWare 軟件進(jìn)行仿真，設(shè)置敏感膜的厚度為30μm，波高為60μm，波紋寬度為750μm。在敏感膜上施加0.1MPa的壓力，波紋膜撓度為55μm。

傳感器壓力測(cè)試系統(tǒng)

光纖傳感分析儀采用光纖傳感分析儀Si720。Si720的光源與探測(cè)系統(tǒng)是各自獨(dú)立的，且具有2個(gè)通道，每個(gè)通道可以檢測(cè)100個(gè)傳感器，全部傳感器以5Hz同步掃描，波長(zhǎng)分辨率為0.25pm，精度為±1pm。2個(gè)通道采用高功率掃描激光器作為光源，輸出波長(zhǎng)為1510~1590nm，光源輸出的光通過(guò)一個(gè)2×2光纖耦合器被分成強(qiáng)度相等的2束光。一束光被接回到CH2檢測(cè)通道，作為入射參考光；另一束光傳輸經(jīng)過(guò)F-P微腔形成干涉信號(hào)，再通過(guò)光纖耦合器接回到CH1檢測(cè)通道，作為反射測(cè)量光；2束光同時(shí)進(jìn)行掃描并傳入計(jì)算機(jī)。由于波紋膜撓度和壓力呈線(xiàn)性關(guān)系，因此壓力的大小可由對(duì)應(yīng)腔長(zhǎng)的變化量來(lái)確定。

用YS-2.5型活塞壓力計(jì)對(duì)傳感器從0~0.1MPa進(jìn)行均勻升壓，每隔0.01MPa標(biāo)定一次，25 ℃時(shí)，微壓傳感器的初始腔長(zhǎng)為137.11μm，腔長(zhǎng)總變化量為51.8μm，并用LabView軟件仿真得到傳感器的腔長(zhǎng)隨壓力變化曲線(xiàn) ，Matlab計(jì)算得到的腔長(zhǎng)擬合方程為L(zhǎng)=518.0188P+137.1081，均方根誤差為0.9991，傳感器精度為1.05%F、S、(F、S、 表示全量程范圍)，靈敏度為51802μm/MPa，與仿真結(jié)果一致。

遲滯性是反映傳感器在正反行程過(guò)程中輸出-輸入曲線(xiàn)的不重合程度的指標(biāo)。先對(duì)壓力傳感器從0均勻升壓至 0.1MPa，再均勻降壓至0，可以看出傳感器升降壓曲線(xiàn)幾乎重合，計(jì)算得到相對(duì)遲滯誤差為0.4%，遲滯效應(yīng)很弱。 在不影響結(jié)論正確性基礎(chǔ)上，做以下假設(shè)以便合理確定預(yù)制缺陷結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成膜片設(shè)計(jì)：

選取垂直于缺陷槽的任一截面作為研究對(duì)象，將該截面簡(jiǎn)化為二維板條結(jié)構(gòu)。

膜片實(shí)際破壞過(guò)程為瞬間動(dòng)態(tài)過(guò)程，材料還未發(fā)生塑性屈服，近似認(rèn)為膜片的動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程為線(xiàn)彈性斷裂問(wèn)題。

圓弧長(zhǎng)度與預(yù)制缺陷V型槽斜面長(zhǎng)比值小于0.05倍時(shí)，膜片打開(kāi)壓強(qiáng)對(duì)預(yù)制缺陷圓角并不敏感，因此，預(yù)制缺陷需確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)僅為V型槽開(kāi)口角度α，缺陷深度a和膜片厚度h。

此外，由于所確定的金屬膜片預(yù)制缺陷槽為均勻放射狀，各缺陷槽尺寸、受力狀態(tài)相同，忽略各缺陷槽之間的影響，任取其中任一條缺陷作為研究對(duì)象；所設(shè)計(jì)的金屬膜片破壞形式均為 I 型裂紋擴(kuò)展破壞，因此只需求解預(yù)制缺陷處的 I 型應(yīng)力強(qiáng)度因子 KI 即可表征金屬膜片設(shè)計(jì)合理性。

金屬膜片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)II脈沖藥柱穩(wěn)定點(diǎn)燃初始?jí)簭?qiáng)控制要求，確定金屬膜片設(shè)計(jì)打開(kāi)壓強(qiáng)為2.2MPa。在某實(shí)際隔艙式雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)直徑限制膜片半徑R =142mm時(shí)，確定動(dòng)態(tài)斷裂韌性約為21MPa /m2的膜片結(jié)構(gòu)尺寸分別為： 開(kāi)口角度α =90°，缺陷深度a=1mm，膜片厚度h=3mm。

經(jīng)計(jì)算，在該參數(shù)條件時(shí)預(yù)制缺陷上應(yīng)力強(qiáng)度因子隨徑向距離變化關(guān)系?？梢钥闯觯?由于圓板中心處應(yīng)力最大，應(yīng)力強(qiáng)度因子在該處也達(dá)到極大值，其后隨徑向距離增大逐漸減小。此外，圓心處應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到21.4 MPa/m2 ，大于對(duì)應(yīng)材料斷裂韌性，因此在該燃燒室內(nèi)壓作用下，膜片將從中心位置開(kāi)始破壞并逐步擴(kuò)展致整個(gè)預(yù)制缺陷，符合預(yù)先設(shè)計(jì)。

金屬膜片打開(kāi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為考核結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)合理性，采用裝置開(kāi)展隔艙金屬膜片打開(kāi)單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置由 I、II 脈沖集壓室、隔艙結(jié)構(gòu)、進(jìn)壓口、測(cè)試裝置等部件構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)中在 II 脈沖集氣室內(nèi)裝填假藥柱以真實(shí)模擬脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)自由空間，通過(guò)設(shè)置在兩個(gè)集壓室的進(jìn)壓口與利用適量點(diǎn)產(chǎn)生的壓強(qiáng)相互聯(lián)通模擬脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室初始?jí)簭?qiáng)。

針對(duì)設(shè)計(jì)膜片結(jié)構(gòu)開(kāi)展6次實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行的膜片完整性檢查結(jié)果顯示： 除第一次實(shí)驗(yàn)中膜片結(jié)構(gòu)較為完整外，其余均從預(yù)制缺陷位置產(chǎn)生3～ 5條數(shù)量不等的 I 型貫穿性裂紋，與預(yù)先“米"字形設(shè)計(jì)一致。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)后五次實(shí)驗(yàn)中各條缺陷均未同時(shí)貫穿，主要原因在于：應(yīng)力強(qiáng)度因子一致性受缺陷深度加工誤差影響較大，必然導(dǎo)致破壞程度存在一定差異。

第一次實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)僅為1.68MPa，小于打開(kāi)壓強(qiáng)設(shè)計(jì)值，因此膜片打開(kāi)失敗； 其余5次實(shí)驗(yàn)因建壓加載速率差異等因素影響，各次實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)間存在一定差異，但總體變化趨勢(shì)趨于一致，五次實(shí)驗(yàn)中打開(kāi)壓 強(qiáng)平均值為2.10MPa，與設(shè)計(jì)值誤差約為4.545% ，說(shuō)明采用所建立方法獲得的金屬膜片結(jié)構(gòu)參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求