《中北大学学报（自然科学版）》
恶劣环境力学参量传感器优化设计专栏
客座编辑
郑永秋，中北大学教授，国家优秀青年基金获得者，山西省“三晋英才”青年优秀人才，山西省光学学会理事，中北大学“太行学者”、青年学术带头人，主要从事航天动力燃烧场测试技术研究，具体为MEMS光学传感器件与测试仪器。主持有国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题、173计划重点基金、装备发展部领域基金、基础科研重点项目专题等国家级项目。授权国内发明专利22项，授权美国专利1项，登记软件著作权1项。发表SCI/EI论文40余篇，多次受邀在国内国际会议作报告，出版专著《MEMS法珀腔光学声传感器》1部。获山西省技术发明二等奖1项（排名第1）。
专题导语
力学参量是装备试验过程对性能指标表征的重要参量，受限于高温高压等恶劣环境，常规力学传感器件面临着“测不了”、“测不准”、“测不好”的技术挑战，因此，恶劣环境下力学参量的获取一直是装备试验的难题。随着材料、半导体、微纳加工技术等多学科交叉融合的快速发展，基于新原理、新方法、新材料的传感器技术也得到了长足的发展，尤其是面向恶劣环境的力学参量传感器，正朝着集成化、智能化、低成本、绿色低碳等方向发展。
本专栏共3篇文章，分别探究了面向爆炸冲击波测量的PVDF薄膜压电传感器优化设计、基于石墨烯的高压压力传感器仿真设计、热式风传感器的仿真优化设计等方面的内容，通过对不同应用场景的传感器需求分析，讨论了传感器的材料特性、结构设计、环境参量等对其测量精度、范围、灵敏度、频响等输出性能的影响，为传感器的多功能融合设计提供了思路。
基于PVDF薄膜的冲击波压电传感器基底构型优化
常瀚林, 谢林, 杨晓鹏, 范志强
摘要：根据柔性压电薄膜的压电原理，设计了复合压电效应传感器来用于冲击波信号测量。为研究传感器基底构型对其测量性能的影响规律，分别制备了不同孔径变形区的基底，调整压电薄膜的变形模态以调控其冲击波测量性能。实验结果表明：通过增大聚氯乙烯（PVC）基底的孔径，可以大幅度增加聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜传感器的灵敏度系数，并且随着变形区直径的增加，信号的脉宽也随之增大。最后通过爆炸实验，研究了PVC基底对PVDF薄膜传感器信号的影响，验证了变形区直径8 mm基底的PVDF传感器在爆炸冲击波测量中的准确性。这为今后PVDF薄膜传感器PVC基底变形区的选择提供了参考。
关键词：PVC基底; PVDF传感器; 灵敏度系数; 复合压电效应
引用格式：
常瀚林，谢林，杨晓鹏，等. 基于PVDF薄膜的冲击波压电传感器基底构型优化[J]. 中北大学学报(自然科学版), 2024, 45(5): 557-564.
CHANG Hanlin，XIE Lin，YANG Xiaopeng，et al. Substrate configuration optimization of PVDF thin film sensor based on shock waves composite piezoelectric effect[J]. Journal of North University of China (Natural Science Edition), 2024, 45(5): 557-564.
doi: 10.3969/j.issn.1673-3193.2024.05.001
传感器工作示意图
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基于石墨烯的充油高压压力传感器仿真设计
王吕昊, 曹咏弘
摘要：压力传感器在较大压力范围内的输出结果难以稳定，传统压力传感器采用膜结构，在大压力作用下会产生强非线性，需要进行复杂的转化才能将测量数据转化为线性结果。本文基于石墨烯的压阻效应，通过圆筒状敏感结构，设计了一种高压压力传感器，能够在400
MPa范围内实现压力值的线性输出。该传感器结构主要由弹性金属膜片、可压缩硅油、圆筒结构以及石墨烯敏感膜组成。采用理论与仿真分析对传感器结构进行了优化设计，通过分析膜片厚度设计了在400
MPa压力范围内只产生弹性应变的金属膜片尺寸结构；运用流固耦合方法对传感器整体结构进行了仿真分析，明确了圆筒结构尺寸与外壁面应变大小的关系以及与整体结构固有频率的关系，通过寻找最大应变部位得出石墨烯敏感膜安装的合理位置；最后探究了圆筒结构外壁面的应变与传感器测量压力的线性关系。结果表明，设计的传感器结构可在400
MPa压力内工作，传感器圆筒结构的合适尺寸为长1.2 mm，厚度0.08 mm。在此尺寸下传感器的固有频率为127
kHz，圆筒结构外壁面应变最高可以达到2 082 με，在应变最高处安装石墨烯敏感膜，传感器结构的灵敏度可以达到5.205
με/MPa；在0~400 MPa范围内传感器线性度结构线性度良好，结构线性相对误差仅有0.37%。
关键词：高压传感器; 弹性元件; 结构强度; 流固耦合; 固有频率
引用格式：
王吕昊，曹咏弘. 基于石墨烯的充油高压压力传感器仿真设计[J]. 中北大学学报(自然科学版), 2024, 45(5): 565-572.
WANG Lühao，CAO Yonghong. Simulation design of oil⁃filled high⁃pressure sensor based on graphene[J]. Journal of North University of China (Natural Science Edition), 2024, 45(5): 565-572.
doi: 10.3969/j.issn.1673-3193.2024.05.002
金属膜片的结构示意图及应力云图
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热式风传感器的仿真优化设计
宋高莹, 高经武, 杨哲懿, 邱永锋
摘要：本文基于热温差原理，利用有限元分析软件ANSYS对热式风传感器在恒功率和温度平衡两种控制模式下的工况进行了模拟，分析了芯片结构的不同特征尺寸参数对传感器输出性能的影响规律。研究结果表明：传感器的输出分别随着芯片边长和厚度、加热元件长度的增加而增大，而当加热元件和测温元件之间距离增加时，输出减小。优化结构尺寸后的传感器在恒功率模式下，风向误差小于±2°，风速在0~15 m/s时，误差小于10%；温度平衡模式下，风向误差为±3°，风速有效测量范围可达0~20 m/s，误差小于5%，测量精度有所提高。
关键词：风速; 风向; 热温差; 恒功率模式; 温度平衡模式
引用格式：
宋高莹，高经武，杨哲懿，等. 热式风传感器的仿真优化设计[J]. 中北大学学报(自然科学版), 2024, 45(5): 573-582.
SONG Gaoying，GAO Jingwu，YANG Zheyi， et al. Simulation and optimization design of thermal wind sensor[J]. Journal of North University of China (Natural Science Edition), 2024, 45(5): 573-582.
doi: 10.3969/j.issn.1673-3193.2024.05.003
热分布云图
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《中北大学学报（自然科学版）》
恶劣环境力学参量传感器优化设计专栏
客座编辑
郑永秋，中北大学教授，国家优秀青年基金获得者，山西省“三晋英才”青年优秀人才，山西省光学学会理事，中北大学“太行学者”、青年学术带头人，主要从事航天动力燃烧场测试技术研究，具体为MEMS光学传感器件与测试仪器。主持有国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题、173计划重点基金、装备发展部领域基金、基础科研重点项目专题等国家级项目。授权国内发明专利22项，授权美国专利1项，登记软件著作权1项。发表SCI/EI论文40余篇，多次受邀在国内国际会议作报告，出版专著《MEMS法珀腔光学声传感器》1部。获山西省技术发明二等奖1项（排名第1）。
专题导语
力学参量是装备试验过程对性能指标表征的重要参量，受限于高温高压等恶劣环境，常规力学传感器件面临着“测不了”、“测不准”、“测不好”的技术挑战，因此，恶劣环境下力学参量的获取一直是装备试验的难题。随着材料、半导体、微纳加工技术等多学科交叉融合的快速发展，基于新原理、新方法、新材料的传感器技术也得到了长足的发展，尤其是面向恶劣环境的力学参量传感器，正朝着集成化、智能化、低成本、绿色低碳等方向发展。
本专栏共3篇文章，分别探究了面向爆炸冲击波测量的PVDF薄膜压电传感器优化设计、基于石墨烯的高压压力传感器仿真设计、热式风传感器的仿真优化设计等方面的内容，通过对不同应用场景的传感器需求分析，讨论了传感器的材料特性、结构设计、环境参量等对其测量精度、范围、灵敏度、频响等输出性能的影响，为传感器的多功能融合设计提供了思路。
基于PVDF薄膜的冲击波压电传感器基底构型优化
常瀚林, 谢林, 杨晓鹏, 范志强
摘要：根据柔性压电薄膜的压电原理，设计了复合压电效应传感器来用于冲击波信号测量。为研究传感器基底构型对其测量性能的影响规律，分别制备了不同孔径变形区的基底，调整压电薄膜的变形模态以调控其冲击波测量性能。实验结果表明：通过增大聚氯乙烯（PVC）基底的孔径，可以大幅度增加聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜传感器的灵敏度系数，并且随着变形区直径的增加，信号的脉宽也随之增大。最后通过爆炸实验，研究了PVC基底对PVDF薄膜传感器信号的影响，验证了变形区直径8 mm基底的PVDF传感器在爆炸冲击波测量中的准确性。这为今后PVDF薄膜传感器PVC基底变形区的选择提供了参考。
关键词：PVC基底; PVDF传感器; 灵敏度系数; 复合压电效应
引用格式：
常瀚林，谢林，杨晓鹏，等. 基于PVDF薄膜的冲击波压电传感器基底构型优化[J]. 中北大学学报(自然科学版), 2024, 45(5): 557-564.
CHANG Hanlin，XIE Lin，YANG Xiaopeng，et al. Substrate configuration optimization of PVDF thin film sensor based on shock waves composite piezoelectric effect[J]. Journal of North University of China (Natural Science Edition), 2024, 45(5): 557-564.
doi: 10.3969/j.issn.1673-3193.2024.05.001
传感器工作示意图
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基于石墨烯的充油高压压力传感器仿真设计
王吕昊, 曹咏弘
摘要：压力传感器在较大压力范围内的输出结果难以稳定，传统压力传感器采用膜结构，在大压力作用下会产生强非线性，需要进行复杂的转化才能将测量数据转化为线性结果。本文基于石墨烯的压阻效应，通过圆筒状敏感结构，设计了一种高压压力传感器，能够在400
MPa范围内实现压力值的线性输出。该传感器结构主要由弹性金属膜片、可压缩硅油、圆筒结构以及石墨烯敏感膜组成。采用理论与仿真分析对传感器结构进行了优化设计，通过分析膜片厚度设计了在400
MPa压力范围内只产生弹性应变的金属膜片尺寸结构；运用流固耦合方法对传感器整体结构进行了仿真分析，明确了圆筒结构尺寸与外壁面应变大小的关系以及与整体结构固有频率的关系，通过寻找最大应变部位得出石墨烯敏感膜安装的合理位置；最后探究了圆筒结构外壁面的应变与传感器测量压力的线性关系。结果表明，设计的传感器结构可在400
MPa压力内工作，传感器圆筒结构的合适尺寸为长1.2 mm，厚度0.08 mm。在此尺寸下传感器的固有频率为127
kHz，圆筒结构外壁面应变最高可以达到2 082 με，在应变最高处安装石墨烯敏感膜，传感器结构的灵敏度可以达到5.205
με/MPa；在0~400 MPa范围内传感器线性度结构线性度良好，结构线性相对误差仅有0.37%。
关键词：高压传感器; 弹性元件; 结构强度; 流固耦合; 固有频率
引用格式：
王吕昊，曹咏弘. 基于石墨烯的充油高压压力传感器仿真设计[J]. 中北大学学报(自然科学版), 2024, 45(5): 565-572.
WANG Lühao，CAO Yonghong. Simulation design of oil⁃filled high⁃pressure sensor based on graphene[J]. Journal of North University of China (Natural Science Edition), 2024, 45(5): 565-572.
doi: 10.3969/j.issn.1673-3193.2024.05.002
金属膜片的结构示意图及应力云图
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热式风传感器的仿真优化设计
宋高莹, 高经武, 杨哲懿, 邱永锋
摘要：本文基于热温差原理，利用有限元分析软件ANSYS对热式风传感器在恒功率和温度平衡两种控制模式下的工况进行了模拟，分析了芯片结构的不同特征尺寸参数对传感器输出性能的影响规律。研究结果表明：传感器的输出分别随着芯片边长和厚度、加热元件长度的增加而增大，而当加热元件和测温元件之间距离增加时，输出减小。优化结构尺寸后的传感器在恒功率模式下，风向误差小于±2°，风速在0~15 m/s时，误差小于10%；温度平衡模式下，风向误差为±3°，风速有效测量范围可达0~20 m/s，误差小于5%，测量精度有所提高。
关键词：风速; 风向; 热温差; 恒功率模式; 温度平衡模式
引用格式：
宋高莹，高经武，杨哲懿，等. 热式风传感器的仿真优化设计[J]. 中北大学学报(自然科学版), 2024, 45(5): 573-582.
SONG Gaoying，GAO Jingwu，YANG Zheyi， et al. Simulation and optimization design of thermal wind sensor[J]. Journal of North University of China (Natural Science Edition), 2024, 45(5): 573-582.
doi: 10.3969/j.issn.1673-3193.2024.05.003
热分布云图
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