用于航天飞行器的柔性微压力传感器

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航天飞行器作为航天系统的关键核心部分,集航天器、航天飞机、运输运载器等多重功能于一身,是21世纪控制空间的关键飞行设备之一。航天飞行器在临近空间和地球低轨道飞行时,其表面会受到来自高空稀薄空气产生的微小压力,这种微压力长时间作用会导致航天飞行器的微小器件及设备的表面变形和相关零件的松动,甚至引起相关零件的脱落而造成严重的后果,因此对航天飞行器所在空间环境的微小压力进行检测具有重要的理论价值与实际研究意义。  本文针对上述问题,提出了一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性材料和平板电容原理的柔性微压力传感器。研究了航天飞行器的空间环境并确定了所在环境的压强分布和温度变化;分析了传感器的检测原理,确定并选择了传感器的理想材料,完成了传感器的结构设计和尺寸确定,研究了整体柔性微压力传感器器件的制作工艺并最终制作了尺寸为15×15×0.91(mm)的柔性微压力传感器器件;设计并搭建了传感器实验测量环境与装置,确定了柔性微压力传感器电容输出与微压力输入的函数关系,测量并分析了传感器的动静态特性。结果表明该传感器能够在-55°C-80°C的温度范围内准确测量0-6KPa的稀薄大气产生的微小压力;传感器的灵敏度在0-2KPa时为0.15%/mN,在2-6KPa时为0.0087%/mN;线性度在0-2KPa时为3.54%,在2-6KPa时为4.07%,迟滞性及重复性分别为2.52%和2.19%;其动态响应时间为微压力加载过程50ms,微压力卸载过程为70ms。  在上述单电容柔性微压力传感器的基础上,针对其灵敏度不足的问题,通过研究差动平板电容的原理,提出了一种差动电容式结构对柔性微压力传感器进行灵敏度补偿的方法。分析了灵敏度补偿后传感器的检测原理;设计并制作了尺寸为15×15×1.43(mm)的用于灵敏度补偿的差动电容式柔性微压力传感器的器件;分析并对比了灵敏度补偿前后微压力传感器的静态特性,差动电容式柔性微压力传感器的灵敏度在0-2KPa时为0.27%/mN,在2-6KPa时为0.021%/mN,比补偿前的传感器分别提高80%和141.38%;线性度在0-2KPa时为1.39%,在2-6KPa时为2.88%,比补偿前的传感器分别提高51.7%和13.1%;迟滞性及重复性分别为4.95%和2.38%。  本文研究的用于航天飞行器的柔性微压力传感器,相比于航天领域的其他压力传感器,具有小型化、柔性化、高灵敏度的特点。通过柔性微压力传感器的灵敏度补偿,进一步提高了传感器测量的精确度和灵敏度。研究的柔性微压力传感器可以用于航天飞行器的空间环境检测稀薄大气产生的微小压力,具有一定的理论价值和实际意义。
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