近幾年來，隨著紡織業(yè)技術改革的不斷深入，基于傳感器技術的紡織機電一體化設備受到了廣泛的關注和深入研究。在此基礎上提出了一種以紗線張力傳感器為核心的紡織機械裝置。而紗線張力是紡紗、織造工藝中的一項重要參數(shù)，它直接影響到紗線、織物的產量和產品質量，因此，如何準確地測量紗線張力就成為一項亟待解決的問題。為盡量真實地反映紗線張力的大小，從而有效地控制對紗線張力的大小，力準設計了一種新型的張力傳感器，并對聲表紗線張力傳感器的結構優(yōu)化設計方法進行了研究。下面講一下我們的張力傳感器及創(chuàng)新點：
(1)設計了一種聲表面波紗張力傳感器。采用聲表面波延遲線型振蕩器制作的傳感器具有結構簡單、體積小、穩(wěn)定性好的特點。對基板的零溫度系數(shù)為42.75°Y切X向傳播石英單晶進行選擇，使器件不需要溫度補償。針對聲表面波延遲型振蕩器設計了一種叉指換能器，其具體設計參數(shù)有：叉指換能器周期、叉指換能器指對數(shù)、聲孔徑、金屬化比、金屬膜厚度、叉指換能器加權等。對聲表面波紗線張力傳感器的制造工藝進行了詳細的論述，給出了聲表面波紗線張力傳感器的結構設計及工作原理。對聲表面波紗線張力傳感器輸出的紗線張力與頻率變化建立了一個線性回歸模型，用最小二乘法對數(shù)學模型進行求解。
(2)在此基礎上提出一種聲表面波紗線張力傳感器的最優(yōu)靈敏度設計方法。從理論上推導出表面波紗線張力傳感器的靈敏度和聲表面波紗線張力傳感器基板應變率之間的函數(shù)關系，并由此提出了基板應變率的概念。采用線性回歸分析法和有限元模擬分析方法，建立了聲表面波紗線張力傳感器靈敏度與基片應變率之間的線性回歸模型，該數(shù)學模型的單調性表明：表面波紗線張力傳感器的基片應變速率越大，靈敏度越高。在此基礎上，提出了增大基板應變速率以提高傳感器靈敏度的理論。在此基礎上，提出了一種通過彈性設計基板尺寸，以獲得最佳基板應變速率的優(yōu)化設計方案。針對12種不同規(guī)格的基板，建立了12種基板應力-應變有限元模擬分析模型。在有限元模擬分析的基礎上，利用多元線性回歸分析方法，建立了聲表面波紗線張力傳感器基片應變率與基板尺寸之間的多元線性回歸模型。在此基礎上，推導出求解基板最大應變速率與基板尺寸對應的線性規(guī)劃模型。求出基板應變率取最大值時的基板尺寸為：長19mm、寬3mm。對此尺寸的聲表面波紗線張力傳感器進行了測試，結果表明，其靈敏度可以達到3114赫茲/g以上，證明了這種優(yōu)化方法的有效性和可行性。
(3)傳感器的安裝位置對聲表面波紗線張力傳感器靈敏度的影響。在SAW傳播方向上，聲表面波紗線張力傳感器基板的應力-應變特性進行了分析，分析了傳感器的應力-應變分布對傳感器靈敏度的影響，并提出相應的解決方案。測定聲表面波紗線張力傳感器的靈敏度與叉指式傳感器的放置位置參數(shù)之間有一定的關系。本文用多因素線性回歸分析法建立聲表面波紗線張力傳感器靈敏度與叉指傳感器放置位置參數(shù)之間的多變量線性回歸模型。對其單調性進行判別，并對其偏導數(shù)進行正負判別，結果表明：在給定的區(qū)間內，叉指換能器與襯底左端距離越大，聲表面波張力傳感器的靈敏度越高，叉指傳感器在距離基片頂距較大時，聲表面波紗線張力傳感器的靈敏度會降低。
(4)聲表面波紗線張力傳感器基底的等應變率結構。在應力-應變有限元模擬的基礎上，詳細地分析了聲表面波紗線張力傳感器基板在加載張力作用下的應變率分布特征，深入研究了聲表面波紗線張力傳感器基板的應變率分布對其應力-應變特性的影響。為克服以上影響，聲表面波紗線張力傳感器的等應變率結構被提出。從基板尺寸和分叉?zhèn)鞲衅靼惭b位置出發(fā)，給出了經(jīng)整體結構優(yōu)化后的等應變率結構，并給出了求解該基板等應變率結構的數(shù)學模型，并給出了對此數(shù)學模型的改進二分法解。用等應變速率襯底結構制作聲表面波線張力傳感器，實驗結果表明：該傳感器靈敏度為585赫茲/g，最大參考誤差3.16%，線性度±64%。與采用常規(guī)襯底結構的聲表面波張力傳感器相比，等應變率基片結構聲表面波紗線張力傳感器的精度等級得到了顯著的提高，而且顯示出較好的線性度，但其靈敏度將有很大的下降。
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