機械行業(yè)膜片

 德國進(jìn)口elcom插頭EMO-11-BT5-S-W-9 

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對于機械行業(yè)膜片而言：圓形膜狀的彈性敏感元件。當膜片的兩面受到不同的壓力（或力）的作用時(shí)，膜片向壓力低的一面應變移動(dòng)，使其中心產(chǎn)生與壓力差成一定關(guān)系的位移。膜片的形式主要有平膜片、垂鏈式膜片和波紋膜片三種。平膜片又可按周邊是否固定支撐、中心是否開(kāi)孔以及膜片區域受力分布狀況的不同等分為多種形式，其是由周邊固定的等截面圓形薄板構成的平膜片。垂鏈式膜片由靠近邊緣處開(kāi)槽的圓板構成，其彈性應變主要發(fā)生在邊緣環(huán)形槽處，常用這種膜片壓縮應變管或柱來(lái)達到測壓目的。垂鏈式膜片的硬中心部分在受壓移動(dòng)時(shí)接近平移，因此用于電容式傳感器或壓電式傳感器效果較好。波紋膜片壓有環(huán)狀同心波紋。為了增加膜片中心的位移可把兩個(gè)膜片焊在一起制成膜盒或進(jìn)一步把數個(gè)膜盒串接成膜盒組。

用途

編輯

分類(lèi)廣泛：如夾布型膜片、純橡膠型膜片、金屬/橡膠復合型膜片、金屬/橡膠/塑料三者復合型膜片等等；

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

波紋膜片式光纖法布里-珀羅壓力傳感器

編輯

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、石油鉆井、大型變電設備等高輻射、高電磁干擾、高溫高壓等環(huán)境。為了更安全、準確、便捷地獲取傳感器的壓力信息，提高測量精度，需要開(kāi)發(fā)新的材料或進(jìn)行新的結構設計。微型法布里-珀羅(F-P)壓力傳感器通常有毛細管結構和膜片結構2種。毛細管結構的壓力傳感器對壓力感知敏感度低，可用于大壓強范圍的測量，但不適于對精度要求高的微壓測量。膜片式法布里-珀羅腔結構理論上可以獲得較高的靈敏度，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，設計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)數量級。 [1]

傳感器的結構分析

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)端面粘合，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)另一端的外壁與光纖法蘭盤(pán)的凹槽粘結并將外部封裝固化；3）將光纖插頭旋接于光纖法蘭盤(pán)，即構成一個(gè)壓力傳感器。光纖插頭的端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，一部分被光纖端面反射，另一部分光經(jīng)過(guò)空氣腔，被波紋膜片下表面反射，2束光在光纖內部發(fā)生干涉。當外界壓力發(fā)生變化，波紋膜片將發(fā)生形變，從而改變 F-P腔的腔長(cháng)，引起反射譜的相位移動(dòng)。對反射光譜進(jìn)行解調，可以得到腔長(cháng)的大小，從而計算得出作用于波紋膜片上的壓力。 [1]

傳感器在不同壓力下的模態(tài)分析

設置波紋膜片的參數：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。

仿真計算波高為10~90μm時(shí)撓度的變化情況。當波高為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。 [1]

傳感器壓力測試系統

光纖傳感分析儀采用光纖傳感分析儀Si720。Si720的光源與探測系統是各自獨立的，且具有2個(gè)通道，每個(gè)通道可以檢測100個(gè)傳感器，全部傳感器以5Hz同步掃描，波長(cháng)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(cháng)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度相等的2束光。一束光被接回到CH2檢測通道，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，再通過(guò)光纖耦合器接回到CH1檢測通道，作為反射測量光；2束光同時(shí)進(jìn)行掃描并傳入計算機。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應腔長(cháng)的變化量來(lái)確定。 [1]

用YS-2.5型活塞壓力計對傳感器從0~0.1MPa進(jìn)行均勻升壓，每隔0.01MPa標定一次，25 ℃時(shí)，微壓傳感器的初始腔長(cháng)為137.11μm，腔長(cháng)總變化量為51.8μm，并用LabView軟件仿真得到傳感器的腔長(cháng)隨壓力變化曲線(xiàn) ，Matlab計算得到的腔長(cháng)擬合方程為L(cháng)=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。先對壓力傳感器從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，計算得到相對遲滯誤差為0.4%，遲滯效應很弱。 [1]

隔艙式雙脈沖發(fā)動(dòng)機金屬膜片設計與實(shí)驗

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，發(fā)展了一種采用隔層式 ( 軟隔離) 或隔艙式 ( 硬隔離) 隔離裝置進(jìn)行固體發(fā)動(dòng)機燃燒室分隔的技術(shù)，可實(shí)現固體火箭發(fā)動(dòng)機的多次關(guān)機、啟動(dòng)。在現有兩種形式隔離裝置中，隔艙式具有結構簡(jiǎn)單、下一級脈沖裝藥形式限制小、打開(kāi)壓強統一性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，已逐漸發(fā)展形成噴射棒、非金屬易碎、金屬膜片等形式隔離裝置的雙脈沖發(fā)動(dòng)機。

金屬膜片式隔艙脈沖發(fā)動(dòng)機常選用金屬或非金屬支撐件、一側經(jīng)絕熱處理的金屬膜片組合進(jìn)行燃燒室分隔，經(jīng)驗證，該方案采用隔熱層、沉淀硬化不銹鋼隔板本體、絕熱層和金屬膜片結構可以實(shí)現燃燒室分隔，但仍存在質(zhì)量大、絕熱特性差等缺點(diǎn)。提出了8通氣孔金屬隔板設計，提高了絕熱和抗燒蝕性能，但結構型面仍有不足。

輪輻式支撐件可減小隔艙重量，并且可與密封膜片緊密貼實(shí)，因此被廣泛應用于各類(lèi)脈沖發(fā)動(dòng)機。此外，在膜片上還能實(shí)施刻痕、絕熱處理、材料改進(jìn)等措施，可進(jìn)一步改善打開(kāi)壓強、材料敏感性等特性。 [2]

金屬膜片設計

采用金屬膜片和輪輻式支撐構成隔艙結構完成雙脈沖發(fā)動(dòng)機燃燒室級間隔離。其工作原理為： I 脈沖點(diǎn)火工作時(shí)，在金屬膜片分隔作用下兩脈沖燃燒室保持獨立； 當 II 脈沖工作內壓達到打開(kāi)壓強后，膜片按預先設計形式破裂，兩級燃燒室貫通，燃氣依次通過(guò)隔艙結構、I 脈沖燃燒室和尾噴管后排出，產(chǎn)生第二次推力。

為實(shí)現以上工作過(guò)程，金屬膜片在隔艙結構設計過(guò)程中占重要地位。根據液體發(fā)動(dòng)機閥門(mén)破裂膜片研究方法，確定采用強度高、易變形的LY12鋁合金材料、薄板形式金屬膜片。另外，為可靠、方便地控制打開(kāi)壓強、隔艙消融形狀，還需在其一側進(jìn)行預先刻痕處理。 [2]

應力強度因子公式推導

在不影響結論正確性基礎上，做以下假設以便合理確定預制缺陷結構參數，完成膜片設計：

( 1) 選取垂直于缺陷槽的任一截面作為研究對象，將該截面簡(jiǎn)化為二維板條結構。

( 2) 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，近似認為膜片的動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程為線(xiàn)彈性斷裂問(wèn)題。

( 3) 圓弧長(cháng)度與預制缺陷V型槽斜面長(cháng)比值小于0.05倍時(shí)，膜片打開(kāi)壓強對預制缺陷圓角并不敏感，因此，預制缺陷需確定的結構參數僅為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象；所設計的金屬膜片破壞形式均為 I 型裂紋擴展破壞，因此只需求解預制缺陷處的 I 型應力強度因子 KI 即可表征金屬膜片設計合理性。 [2]

金屬膜片結構設計

根據II脈沖藥柱穩定點(diǎn)燃初始壓強控制要求，確定金屬膜片設計打開(kāi)壓強為2.2MPa。在某實(shí)際隔艙式雙脈沖發(fā)動(dòng)機直徑限制膜片半徑R =142mm時(shí)，確定動(dòng)態(tài)斷裂韌性約為21MPa /m2的膜片結構尺寸分別為： 開(kāi)口角度α =90°，缺陷深度a=1mm，膜片厚度h=3mm。

經(jīng)計算，在該參數條件時(shí)預制缺陷上應力強度因子隨徑向距離變化關(guān)系?？梢钥闯觯?由于圓板中心處應力大，應力強度因子在該處也達到極大值，其后隨徑向距離增大逐漸減小。此外，圓心處應力強度因子達到21.4 MPa/m2 ，大于對應材料斷裂韌性，因此在該燃燒室內壓作用下，膜片將從中心位置開(kāi)始破壞并逐步擴展致整個(gè)預制缺陷，符合預先設計。 [2]

金屬膜片打開(kāi)驗證實(shí)驗

為考核結構參數設計合理性，采用裝置開(kāi)展隔艙金屬膜片打開(kāi)單項實(shí)驗。該實(shí)驗裝置由 I、II 脈沖集壓室、隔艙結構、進(jìn)壓口、測試裝置等部件構成。實(shí)驗中在 II 脈沖集氣室內裝填假藥柱以真實(shí)模擬脈沖發(fā)動(dòng)機自由空間，通過(guò)設置在兩個(gè)集壓室的進(jìn)壓口與利用適量點(diǎn)相互聯(lián)通模擬脈沖發(fā)動(dòng)機燃燒室初始壓強。 [2]

針對設計膜片結構開(kāi)展6次實(shí)驗研究，實(shí)驗后進(jìn)行的膜片完整性檢查結果顯示： 除次實(shí)驗中膜片結構較為完整外，其余均從預制缺陷位置產(chǎn)生3～ 5條數量不等的 I 型貫穿性裂紋，與預先“米"字形設計一致。同時(shí)，實(shí)驗中也發(fā)現后五次實(shí)驗中各條缺陷均未同時(shí)貫穿，主要原因在于：應力強度因子一致性受缺陷深度加工誤差影響較大，必然導致破壞程度存在一定差異。

次實(shí)驗中點(diǎn)，小于打開(kāi)壓強設計值，因此膜片打開(kāi)失??； 其余5次實(shí)驗因建壓加載速率差異等因素影響，各次實(shí)驗曲線(xiàn)間存在一定差異，但總體變化趨勢趨于一致，五次實(shí)驗中打開(kāi)壓 強平均值為2.10MPa，與設計值誤差約為4.545% ，說(shuō)明采用所建立方法獲得的金屬膜片結構參數滿(mǎn)足設計要求