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聚合物基柔性电容传感器动态测试性能的研究

白晓峰  
【摘要】:聚合物基柔性电容传感器因其柔韧性、延展性、响应快、与被测物体柔性接触等优点,适用于刚性传感器不能使用的特殊工况,经常被用于微振动或复杂测试工况,本文在研究聚合物基柔性电容式传感器测量机理及信号转换的基础上,将其应用于高铁站台减震弹簧寿命动态监测系统,并以此来分析监测高铁弹簧的老化程度及有效寿命,以此拓展聚合物基柔性传感器的应用领域,具体研究内容如下:1、在对聚合物基柔性电容式传感器的结构及封装进行分析的基础上,对聚合物基柔性电容传感器的测量机理进行研究。在此基础上对测量弱电容信号进行分析,设计出C/U信号放大变送器,并进行信号转换的理论分析。2、根据输出信号特点设计,针对高铁站台一个减震单元的减震弹簧的分布,基于西门子PLC设计高铁减震弹簧数据采集处理系统,基于FAMEVIEW设计了良好的人机交互界面,完成了软件及硬件的功能性设计,可以实现高铁站台一个减震单元上橡胶弹簧的压力及老化强度、有效寿命的监测。当其中某个衡量老化程度的参数超过阈值,监测系统实时预警。3、构建了聚合物基柔性电容式传感器静态性能及交变载荷动态性能测试平台。完成聚合物基柔性电容传感器静态性能:压力-电容映射关系、线性度、迟滞性、重复精度以及灵敏度的标定;在完成不同频率交变载荷的动态性能测试的基础上进行性能分析,确定了其应用于高铁站台减震弹弹簧寿命测试的可行性。4、设计橡胶弹簧老化实验,并进行相关的力学性能测试,确定硬度和断裂伸长率作为监测系统判断橡胶老化及寿命的性能指标。确定与之对应电容变化量及与刚性弹簧相位差作为监测系统的老化寿命监测预警指标。5、构建基于5G通信技术的高铁站台橡胶弹簧减震监测系统。通过PLC底层加装5G网关,将底层安装聚合物柔性传感器的橡胶减震弹簧的受力状态由5G智能模块传云端终端服务器处理,输出结果由5G网关返回到底层的上位机,证明了高铁减震弹簧老化监测与5G技术结合的可能性。


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