
谐振式传感器具有直接数字式输出、迟滞小、重复性好等模拟式传感器不可比拟的优点,在航空航天、石油化工、气象等领域具有重要应用价值,其核心技术被国外长期封锁,必须自主研发。
本项目在国家863计划、自然基金等支持下,研究了制约谐振式传感器实现高性能的三个共性核心问题:谐振敏感机理、闭环控制系统、干扰抑制方法,系统掌握了谐振式传感器的共性关键技术,并成功应用于谐振筒压力传感器和谐振式科氏质量流量传感器的研制与批量生产中。技术发明和创新点如下:
1.针对敏感元件具有多个谐振模态,各模态具有不同灵敏度且相互影响的难题,研究并揭示了谐振筒压力敏感元件和弹性测量管质量流量敏感元件的谐振特性规律。在国际上首次提出采用多点激励、多点检测实现最低能级和最高灵敏度的压电激励谐振筒压力传感器新方法,发明了环向波数为2、3、4的三种谐振筒压力传感器;发明了兼顾测量管主振动与科氏效应副振动的弯管型与类直管型质量流量传感器,实现了高精度同步测量流体密度和质量流量的技术。突破了制约传感器稳定可靠工作的技术瓶颈,产品性能与合格率大幅提高。
2.针对模拟闭环控制系统敏感元件在全测量范围只有一个最佳谐振点,测量范围小、动态误差大的难题,在国际上率先研究并实现了谐振式传感器非线性数字主动闭环控制新方法。发明了基于最小相位动态跟踪与最大幅值增益调节的数字闭环系统,突破了制约传感器快速准确跟踪固有频率的技术瓶颈,实现了传感器在全测量范围的最佳谐振,提高了动态响应,扩展了量程比。
3.针对环境因素影响传感器性能,甚至导致传感器不工作的难题,研究并掌握了敏感元件谐振特性与外界干扰振动耦合规律。在国际上率先提出同时考虑结构力耦合与结构声波耦合的谐振式传感器正交解耦新方法。发明了主动抑制干扰的波节隔振解耦方法和边界封装正交隔振结构。使谐振筒压力传感器满足了机载与弹载应用环境要求,质量流量传感器满足了工业现场环境要求。
4.自主研发了低应力旋拉工艺和弹性弯管工艺,突破了谐振筒表面处理、热处理、形位参数精确控制技术和测量管真空钎焊、动平衡技术。研制了一批关键非标设备,成功用于谐振筒、测量管精密加工和传感器批量生产中。
研制的谐振筒压力传感器,测量范围覆盖1.06kPa~4MPa,精度0.01%FS,以该传感器为核心的分层精密高度表,成功装备我国现役军机,保障了我国在8850~12500m空域实现300m分层、由7个高度层扩展到13个高度层的国际标准,增加空域资源86%。研制的质量流量传感器,测量范围覆盖1kg/h~1080t/h,精度0.1%,解决了含气量12%以下液体质量流量测量难题,用于能源结算、配料控制等。本成果达到国际先进水平,在大压力测量、气液混合流体测量、动态测量等方面处于国际领先水平,为国民经济和国防建设做出了重大贡献。
授权发明专利24项,软件著作权3项,近5年发表论文32篇,SCI检索16篇;近3年新增销售额1.03亿元,新增利润1781万元,新增税收941万元。