近幾年來，隨著紡織業(yè)技術(shù)改革的不斷深入，基于傳感器技術(shù)的紡織機(jī)電一體化設(shè)備受到了廣泛的關(guān)注和深入研究。在此基礎(chǔ)上提出了一種以紗線張力傳感器為核心的紡織機(jī)械裝置。而紗線張力是紡紗、織造工藝中的一項(xiàng)重要參數(shù)，它直接影響到紗線、織物的產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量，因此，如何準(zhǔn)確地測(cè)量紗線張力就成為一項(xiàng)亟待解決的問題。為盡量真實(shí)地反映紗線張力的大小，從而有效地控制對(duì)紗線張力的大小，力準(zhǔn)設(shè)計(jì)了一種新型的張力傳感器，并對(duì)聲表紗線張力傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。下面講一下我們的張力傳感器及創(chuàng)新點(diǎn)：
(1)設(shè)計(jì)了一種聲表面波紗張力傳感器。采用聲表面波延遲線型振蕩器制作的傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。對(duì)基板的零溫度系數(shù)為42.75°Y切X向傳播石英單晶進(jìn)行選擇，使器件不需要溫度補(bǔ)償。針對(duì)聲表面波延遲型振蕩器設(shè)計(jì)了一種叉指換能器，其具體設(shè)計(jì)參數(shù)有：叉指換能器周期、叉指換能器指對(duì)數(shù)、聲孔徑、金屬化比、金屬膜厚度、叉指換能器加權(quán)等。對(duì)聲表面波紗線張力傳感器的制造工藝進(jìn)行了詳細(xì)的論述，給出了聲表面波紗線張力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理。對(duì)聲表面波紗線張力傳感器輸出的紗線張力與頻率變化建立了一個(gè)線性回歸模型，用最小二乘法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。
(2)在此基礎(chǔ)上提出一種聲表面波紗線張力傳感器的最優(yōu)靈敏度設(shè)計(jì)方法。從理論上推導(dǎo)出表面波紗線張力傳感器的靈敏度和聲表面波紗線張力傳感器基板應(yīng)變率之間的函數(shù)關(guān)系，并由此提出了基板應(yīng)變率的概念。采用線性回歸分析法和有限元模擬分析方法，建立了聲表面波紗線張力傳感器靈敏度與基片應(yīng)變率之間的線性回歸模型，該數(shù)學(xué)模型的單調(diào)性表明：表面波紗線張力傳感器的基片應(yīng)變速率越大，靈敏度越高。在此基礎(chǔ)上，提出了增大基板應(yīng)變速率以提高傳感器靈敏度的理論。在此基礎(chǔ)上，提出了一種通過彈性設(shè)計(jì)基板尺寸，以獲得最佳基板應(yīng)變速率的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。針對(duì)12種不同規(guī)格的基板，建立了12種基板應(yīng)力-應(yīng)變有限元模擬分析模型。在有限元模擬分析的基礎(chǔ)上，利用多元線性回歸分析方法，建立了聲表面波紗線張力傳感器基片應(yīng)變率與基板尺寸之間的多元線性回歸模型。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出求解基板最大應(yīng)變速率與基板尺寸對(duì)應(yīng)的線性規(guī)劃模型。求出基板應(yīng)變率取最大值時(shí)的基板尺寸為：長19mm、寬3mm。對(duì)此尺寸的聲表面波紗線張力傳感器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，其靈敏度可以達(dá)到3114赫茲/g以上，證明了這種優(yōu)化方法的有效性和可行性。
(3)傳感器的安裝位置對(duì)聲表面波紗線張力傳感器靈敏度的影響。在SAW傳播方向上，聲表面波紗線張力傳感器基板的應(yīng)力-應(yīng)變特性進(jìn)行了分析，分析了傳感器的應(yīng)力-應(yīng)變分布對(duì)傳感器靈敏度的影響，并提出相應(yīng)的解決方案。測(cè)定聲表面波紗線張力傳感器的靈敏度與叉指式傳感器的放置位置參數(shù)之間有一定的關(guān)系。本文用多因素線性回歸分析法建立聲表面波紗線張力傳感器靈敏度與叉指?jìng)鞲衅鞣胖梦恢脜?shù)之間的多變量線性回歸模型。對(duì)其單調(diào)性進(jìn)行判別，并對(duì)其偏導(dǎo)數(shù)進(jìn)行正負(fù)判別，結(jié)果表明：在給定的區(qū)間內(nèi)，叉指換能器與襯底左端距離越大，聲表面波張力傳感器的靈敏度越高，叉指?jìng)鞲衅髟诰嚯x基片頂距較大時(shí)，聲表面波紗線張力傳感器的靈敏度會(huì)降低。
(4)聲表面波紗線張力傳感器基底的等應(yīng)變率結(jié)構(gòu)。在應(yīng)力-應(yīng)變有限元模擬的基礎(chǔ)上，詳細(xì)地分析了聲表面波紗線張力傳感器基板在加載張力作用下的應(yīng)變率分布特征，深入研究了聲表面波紗線張力傳感器基板的應(yīng)變率分布對(duì)其應(yīng)力-應(yīng)變特性的影響。為克服以上影響，聲表面波紗線張力傳感器的等應(yīng)變率結(jié)構(gòu)被提出。從基板尺寸和分叉?zhèn)鞲衅靼惭b位置出發(fā)，給出了經(jīng)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的等應(yīng)變率結(jié)構(gòu)，并給出了求解該基板等應(yīng)變率結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并給出了對(duì)此數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)二分法解。用等應(yīng)變速率襯底結(jié)構(gòu)制作聲表面波線張力傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器靈敏度為585赫茲/g，最大參考誤差3.16%，線性度±64%。與采用常規(guī)襯底結(jié)構(gòu)的聲表面波張力傳感器相比，等應(yīng)變率基片結(jié)構(gòu)聲表面波紗線張力傳感器的精度等級(jí)得到了顯著的提高，而且顯示出較好的線性度，但其靈敏度將有很大的下降。
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