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





  諧振式傳感器具有直接數字式輸出、遲滯小、重復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、氣象等領域具有重要應用價值,其核心技術被國外長期封鎖,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高性能的三個共性核心問題:諧振敏感機理、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鍵技術,并成功應用于諧振筒壓力傳感器和諧振式科氏質量流量傳感器的研制與批量生產中。技術發(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副振動的彎管型與類直管型質量流量傳感器,實現了高精度同步測量流體密度和質量流量的技術。突破了制約傳感器穩(wěn)定可靠工作的技術瓶頸,產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了諧振式傳感器非線性數字主動閉環(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節(jié)的數字閉環(huán)系統(tǒng),突破了制約傳感器快速準確跟蹤固有頻率的技術瓶頸,實現了傳感器在全測量范圍的最佳諧振,提高了動態(tài)響應,擴展了量程比。
  3.針對環(huán)境因素影響傳感器性能,甚至導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構力耦合與結構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構。使諧振筒壓力傳感器滿足了機載與彈載應用環(huán)境要求,質量流量傳感器滿足了工業(yè)現場環(huán)境要求。
  4.自主研發(fā)了低應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、形位參數精確控制技術和測量管真空釬焊、動平衡技術。研制了一批關鍵非標設備,成功用于諧振筒、測量管精密加工和傳感器批量生產中。
  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,成功裝備我國現役軍機,保障了我國在8850~12500m空域實現300m分層、由7個高度層擴展到13個高度層的國際標準,增加空域資源86%。研制的質量流量傳感器,測量范圍覆蓋1kg/h~1080t/h,精度0.1%,解決了含氣量12%以下液體質量流量測量難題,用于能源結算、配料控制等。本成果達到國際先進水平,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先水平,為國民經濟和國防建設做出了重大貢獻。
  授權發(fā)明專利24項,軟件著作權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。