高溫結(jié)構(gòu)件狀態(tài)檢測用無線無源傳感器研究結(jié)題摘要

通過本項目研究，已掌握了航空發(fā)動機壓氣機測試所需要的無線應(yīng)變傳感器研制關(guān)鍵技術(shù)，在與葉片一體化集成薄膜制備技術(shù)方面，通過NiCrAlY合金薄膜及其熱氧化層的引入，改善了薄膜傳感器材料的附著力；通過傾斜沉積Al2O3絕緣層薄膜，有效釋放了Al2O3絕緣層薄膜的內(nèi)應(yīng)力，從而為本項目傳感器研制奠定了關(guān)鍵的材料科學(xué)基礎(chǔ)。在表面聲波諧振器設(shè)計及研制方面，通過對器件結(jié)構(gòu)的仿真，揭示了壓電薄膜厚度對其諧振模式的影響規(guī)律，并優(yōu)化了表面聲波諧振器研制工藝，為本項目傳感器研制奠定了器件設(shè)計及工藝基礎(chǔ)。項目采用開槽的平面倒F微帶天線，成功將天線尺寸降低到與葉片一體化集成所要求的水平。項目還建立了高溫?zé)o線應(yīng)變測試平臺，并對所研制無線應(yīng)變傳感器在高溫下的靜態(tài)應(yīng)變響應(yīng)特性進行了測試，測試結(jié)果顯示：所研制無線應(yīng)變傳感器性能良好，可在823 K下正常工作，測試精度小于2%，頻率偏移對應(yīng)變響應(yīng)的線性度達到99.98%。為了改善所研制無線傳感器在高溫下長時間工作的性能穩(wěn)定性，項目通過在傳感器表面引入AlN壓電薄膜防護層，在不降低傳感器性能的前提下，有效改善了傳感器在高溫下的性能穩(wěn)定性。本項目傳感器性能通過了由航空發(fā)動機測試領(lǐng)域?qū)＜宜M成測試小組的現(xiàn)場測試確認(rèn)，在此基礎(chǔ)上，中航工業(yè)集團中國燃?xì)鉁u輪研究院進一步對項目所研制無線應(yīng)變傳感器進行了部件試驗考核，考核結(jié)果顯示：本項目所研制無線應(yīng)變傳感器可以應(yīng)用于高溫下金屬結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變測試。目前，正與中國燃?xì)鉁u輪研究院合作，開展本項目傳感器在某型航空發(fā)動機中的試用考核，因此，本項目研究成果為我航空發(fā)動機測試提供了重要技術(shù)支持。 在基礎(chǔ)研究成果方面，共發(fā)表刊物論文28篇，其中，國外刊物論文23篇，國內(nèi)刊物論文5篇；獲授權(quán)中國發(fā)明專利2項，4項中國發(fā)明專利申請待審。培養(yǎng)博士研究生4名，培養(yǎng)碩士研究生5名；獲2016年度國防科技二等獎。 2100433B

. 本項目擬將高溫壓電材料（LGS和AlN）以薄膜的形式沉積在航空發(fā)動機壓氣機葉片表面，并研制與葉片一體化集成的高溫?zé)o線無源傳感器。通過對集成敏感薄膜材料界面特性、表聲波諧振器諧振模式、多參量作用下的傳感器信號分析等關(guān)鍵科學(xué)問題研究，解決諧振器品質(zhì)因子的改善、傳感器表面質(zhì)量敏感特性的消除、傳感信號的有效提取等關(guān)鍵技術(shù)，探索出高溫工作的無線無源傳感器技術(shù)方案，不僅為航空發(fā)動機葉片狀態(tài)檢測提供先進傳感手段，還為發(fā)動機葉片結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的實時監(jiān)控提供技術(shù)基礎(chǔ)。

對于人體內(nèi)部等密封環(huán)境或機械旋轉(zhuǎn)等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用，要求無線讀取傳感器信號，這類應(yīng)用需要低功耗、微型化、低成本以及多功能的傳感器。本項目創(chuàng)新性地提出一種基于全無源元件的無線、集成化無源傳感器結(jié)構(gòu)，能夠同時測量多個環(huán)境參數(shù)。1.提出了一種纏繞方向特定的疊層電感，能夠抑制電感之間互感耦合帶來的影響。實現(xiàn)了同時、獨立地進行濕度、溫度、壓力等三個參數(shù)的測量；提出了一種將開關(guān)集成到LC傳感器中的多功能無源無線LC傳感器，實現(xiàn)了濕度、壓力的獨立測量；提出了從LC無源無線傳感器諧振頻率和實部最大值提取雙參數(shù)的方法，實現(xiàn)了溫度和濕度的同時測量。2. 研制了一款用于測量無線無源LC諧振式傳感器的便攜式讀出電路，測量結(jié)果可連接到上位機顯示。3. 提出了一種無源無線的自適應(yīng)中繼線圈，讀出距離提高了3.2倍；提出了一種工作頻率可調(diào)的左手材料（LHM），通過這種左手材料增強了LC傳感器讀出空間的磁場強度，提高了讀出距離。4. 研制了高靈敏的無源無線濕度傳感器，其敏感電容采用CMOS MEMS工藝，感濕膜采用了氧化石墨烯。測試結(jié)果表明，其靈敏度比基于聚酰亞胺的濕度傳感器提高23倍；提出利用雙層電感之間的交疊電容作為敏感電容，實現(xiàn)了LC 集成濕度傳感器，縮小了芯片面積。5. 課題研制的無線、無源、多參數(shù)微納傳感器與系統(tǒng)在上海三一重機股份有限公司部件涂裝車間兩個噴涂房成功進行了應(yīng)用演示。本項目實施過程中，項目組在本領(lǐng)域重要的國際會議和期刊上發(fā)表論文27篇，其中在國際期刊（IEEE JMEMS、IEEE SENSOR J、IEEE TCAS-I等）上發(fā)表論文13篇，在國際頂級期刊JMEMS發(fā)表LC無源無線傳感器綜述論文，在國際主流會議 (IEEE MEMS、IEEE Transducers、IEEE Sensors等)上發(fā)表論文14篇。培養(yǎng)研究生19名，項目負(fù)責(zé)人被選為IEEE FELLOW。申請國家發(fā)明專利23項，授權(quán)專利10項。項目組成功組織并承辦了APCOT 2012會議，與國外同行進行了深入的學(xué)術(shù)交流與合作。 2100433B

物聯(lián)網(wǎng)在智能交通、生態(tài)監(jiān)視、智能醫(yī)療、公共安全、國防軍事等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，我國已經(jīng)把物聯(lián)網(wǎng)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)大力推動。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，而對于人體內(nèi)部、密封的藥品等密封環(huán)境或機械旋轉(zhuǎn)以及惡劣環(huán)境中的應(yīng)用，要求無線讀取傳感器信號，這類應(yīng)用需要低功耗、微型化、低成本以及多功能的傳感器。本項目創(chuàng)新性地提出一種基于全無源元件的無線、集成化無源傳感器結(jié)構(gòu)，能夠同時測量多個環(huán)境參數(shù)。項目將解決這種多參數(shù)測量中無源元件設(shè)計基礎(chǔ)問題；探明不同敏感電容及電感之間的耦合問題；提出傳感器子系統(tǒng)的有效遙測方法；提出從系統(tǒng)的輸入阻抗提取多個待測參數(shù)的方法。在工藝上，解決多層電感制備的兼容工藝問題，實現(xiàn)同時制備多種敏感結(jié)構(gòu)的工藝方法及其傳感器的封裝方法。通過這些技術(shù)基礎(chǔ)問題的解決，研制出基于全無源元件的無線、集成化無源傳感器系統(tǒng)原型，為本領(lǐng)域的發(fā)展提供一種有較高參考價值的方法。

無源無線開關(guān)的兩個重要特點是：無源性和無線性，除此之外還有其他一些智能特點。

無源無線開關(guān)無源性

無源無線開關(guān)，無需提供能量來源。不用像傳統(tǒng)電源開關(guān)，需要連接電源線，也不需要像電視機的遙控器或手機，安裝充電電池或干電池，也無需像光能計算器一樣，需要內(nèi)置太陽能電池采集供電。無源無線開關(guān)，內(nèi)置有能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，您僅需手指按下按鍵的能量，立即被轉(zhuǎn)換為電能，可滿足開關(guān)所需的電能。

無源無線開關(guān)無線性

無源無線開關(guān)，不必進行接線操作。它發(fā)射無線的控制信號來控制燈具等電器設(shè)備電源的通斷。

無源無線開關(guān)按鍵方式多樣

無源無線開關(guān)的每個按鍵，都可以隨意配置或更換控制方式。而不同于傳統(tǒng)電源開關(guān)，在安裝后，其開啟和關(guān)閉方式即被固定，不可更改。例如：在無源無線開關(guān)上，您可設(shè)置按第一次按“上”按鍵，開燈；第二次按“上”按鍵，關(guān)燈；第三次按“上”按鍵，開燈；第四次按“上”按鍵關(guān)燈。這種循環(huán)開關(guān)燈模式。也可設(shè)置按“上”按鍵開燈；按“下”按鍵關(guān)燈。這種傳統(tǒng)的開關(guān)燈模式。還可設(shè)置按住某一個按鍵不放開燈，一旦松開，立即關(guān)燈。

無源無線開關(guān)被控設(shè)備易調(diào)整

由于無源無線開關(guān)不接電源線。它控制的電器設(shè)備可以隨時調(diào)整。您可以今天用它來控制客廳的燈，明天更改設(shè)置控制餐廳的燈，后天再次更改設(shè)置，控制電視機的電源插座。