膜片

机械领域的圆形膜状元件

膜片按行业分：有电声行业膜片；机械行业橡胶膜片；过滤隔离行业微孔膜片；光学行业膜片。

机械行业膜片

对于机械行业膜片而言：圆形膜状的弹性敏感元件。当膜片的两面受到不同的压力（或力）的作用时，膜片向压力低的一面应变移动，使其中心产生与压力差成一定关系的位移。膜片的形式主要有平膜片、垂链式膜片和波纹膜片三种。平膜片又可按周边是否固定支撑、中心是否开孔以及膜片区域受力分布状况的不同等分为多种形式，其中最常用的是由周边固定的等截面圆形薄板构成的平膜片。垂链式膜片由靠近边缘处开槽的圆板构成，其弹性应变主要发生在边缘环形槽处，常用这种膜片压缩应变管或柱来达到测压目的。垂链式膜片的硬中心部分在受压移动时接近平移，因此用于电容式传感器或压电式传感器效果较好。波纹膜片压有环状同心波纹。为了增加膜片中心的位移可把两个膜片焊在一起制成膜盒或进一步把数个膜盒串接成膜盒组。

用途

分类广泛：如夹布型膜片、纯橡胶型膜片、金属/橡胶复合型膜片、金属/橡胶/塑料三者复合型膜片等等；

电声行业膜片而言：它的主要作用就是将电流转化为声音信号，如我们常见的“扬声器”等；

过滤隔离行业膜片而言：它实际是由很多微小的纳米微孔组成，起到分离相关介质的作用，如空气净化、水处理净化等行业；

光学行业膜片：它起到光学折射、光学处理等作用；如常见的“太阳能电池板”、“太阳镜膜”、”汽车防爆膜“等等。

压力传感器

光纤压力传感器具有抗辐射、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、灵敏度高等优点，适合用于工程建设、石油钻井、大型变电设备等高辐射、高电磁干扰、高温高压等极端环境。为了更安全、准确、便捷地获取传感器的压力信息，提高测量精度，需要开发新的材料或进行新的结构设计。微型法布里-珀罗(F-P)压力传感器通常有毛细管结构和膜片结构2种。毛细管结构的压力传感器对压力感知敏感度低，可用于大压强范围的测量，但不适于对精度要求高的微压测量。膜片式法布里-珀罗腔结构理论上可以获得较高的灵敏度，成为最常用的干涉型光纤压力传感器，它具有损耗低、抗干扰、灵敏度高、线性度好、测量精度高、动态范围大等优良特性。为了进一步提高膜片式F-P压力传感器的灵敏度，设计并研制了波纹膜片式光纤 F-P 压力传感器，该传感器灵敏度提高了2个数量级。

传感器的结构分析

压力传感器由波纹膜片、玻璃圆环、光纤法兰盘和光纤插头等构成，其中d波纹膜片即为压力敏感膜。1）将波纹膜片与玻璃圆环的一个端面粘合，使波纹膜片的同心圆圆心与玻璃圆环的圆心重合；2）将玻璃圆环另一端的外壁与光纤法兰盘的凹槽粘结并将外部封装固化；3）将光纤插头旋接于光纤法兰盘，即构成一个压力传感器。光纤插头的端面与波纹膜片的下表面形成法布里-珀罗(F-P)腔。光经光纤垂直入射，一部分被光纤端面反射，另一部分光经过空气腔，被波纹膜片下表面反射，2束光在光纤内部发生干涉。当外界压力发生变化，波纹膜片将发生形变，从而改变 F-P腔的腔长，引起反射谱的相位移动。对反射光谱进行解调，可以得到腔长的大小，从而计算得出作用于波纹膜片上的压力。

传感器在不同压力下的模态分析

设置波纹膜片的参数：工作半径为4600μm，厚度为30μm，波高为60μm，波纹宽度为750μm，杨氏模量为200GPa，泊松比为0.3，材料为316L不锈钢。

仿真计算波纹宽度为500、600、750、1000μm时挠度随压力的变化曲线。在同等压力下，波纹宽度越大，挠度越大。当波纹宽度高于750μm时，压力-挠度曲线的线性度变差。为了得到挠度变化较大且线性度较好的值，选择波纹宽度为750μm的波纹膜片。

仿真计算波高为10~90μm时挠度的变化情况。当波高为30~80μm时，挠度有较高的变化量，在挠度相同、线性度近似的情况下，综合考虑波纹膜片的加工成本，选择波纹高度为60μm的波纹膜片。

利用 CoventorWare 软件进行仿真，设置敏感膜的厚度为30μm，波高为60μm，波纹宽度为750μm。在敏感膜上施加0.1MPa的压力，波纹膜挠度为55μm。

传感器压力测试系统

光纤传感分析仪采用光纤传感分析仪Si720。Si720的光源与探测系统是各自独立的，且具有2个通道，每个通道可以检测100个传感器，全部传感器以5Hz同步扫描，波长分辨率为0.25pm，精度为±1pm。2个通道采用高功率扫描激光器作为光源，输出波长为1510~1590nm，光源输出的光通过一个2×2光纤耦合器被分成强度相等的2束光。一束光被接回到CH2检测通道，作为入射参考光；另一束光传输经过F-P微腔形成干涉信号，再通过光纤耦合器接回到CH1检测通道，作为反射测量光；2束光同时进行扫描并传入计算机。由于波纹膜挠度和压力呈线性关系，因此压力的大小可由对应腔长的变化量来确定。

用YS-2.5型活塞压力计对传感器从0~0.1MPa进行均匀升压，每隔0.01MPa标定一次，25 ℃时，微压传感器的初始腔长为137.11μm，腔长总变化量为51.8μm，并用LabView软件仿真得到传感器的腔长随压力变化曲线，Matlab计算得到的腔长拟合方程为L=518.0188P+137.1081，均方根误差为0.9991，传感器精度为1.05%F、S、(F、S、表示全量程范围)，灵敏度为51802μm/MPa，与仿真结果一致。

迟滞性是反映传感器在正反行程过程中输出-输入曲线的不重合程度的指标。先对压力传感器从0均匀升压至 0.1MPa，再均匀降压至0，可以看出传感器升降压曲线几乎重合，计算得到相对迟滞误差为0.4%，迟滞效应很弱。

设计与实验

导弹飞行优化控制和推进剂能量最优管理需要，发展了一种采用隔层式 ( 软隔离) 或隔舱式 ( 硬隔离) 隔离装置进行固体发动机燃烧室分隔的技术，可实现固体火箭发动机的多次关机、启动。在现有两种形式隔离装置中，隔舱式具有结构简单、下一级脉冲装药形式限制小、打开压强统一性高等一系列优点，已逐渐发展形成喷射棒、非金属易碎、金属膜片等形式隔离装置的双脉冲发动机。

金属膜片式隔舱脉冲发动机常选用金属或非金属支撑件、一侧经绝热处理的金属膜片组合进行燃烧室分隔，经验证，该方案采用隔热层、沉淀硬化不锈钢隔板本体、绝热层和金属膜片结构可以实现燃烧室分隔，但仍存在质量大、绝热特性差等缺点。提出了8通气孔金属隔板设计，提高了绝热和抗烧蚀性能，但结构型面仍有不足。

轮辐式支撑件可减小隔舱重量，并且可与密封膜片紧密贴实，因此被广泛应用于各类脉冲发动机。此外，在膜片上还能实施刻痕、绝热处理、材料改进等措施，可进一步改善打开压强、材料敏感性等特性。

金属膜片设计

采用金属膜片和轮辐式支撑构成隔舱结构完成双脉冲发动机燃烧室级间隔离。其工作原理为： I 脉冲点火工作时，在金属膜片分隔作用下两脉冲燃烧室保持独立；当 II 脉冲工作内压达到打开压强后，膜片按预先设计形式破裂，两级燃烧室贯通，燃气依次通过隔舱结构、I 脉冲燃烧室和尾喷管后排出，产生第二次推力。

为实现以上工作过程，金属膜片在隔舱结构设计过程中占重要地位。根据液体发动机阀门破裂膜片研究方法，确定采用强度高、易变形的LY12铝合金材料、薄板形式金属膜片。另外，为可靠、方便地控制打开压强、隔舱消融形状，还需在其一侧进行预先刻痕处理。

应力强度因子公式推导

在不影响结论正确性基础上，做以下假设以便合理确定预制缺陷结构参数，完成膜片设计：

( 1) 选取垂直于缺陷槽的任一截面作为研究对象，将该截面简化为二维板条结构。

( 2) 膜片实际破坏过程为瞬间动态过程，材料还未发生塑性屈服，近似认为膜片的动态破坏过程为线弹性断裂问题。

( 3) 圆弧长度与预制缺陷V型槽斜面长比值小于0.05倍时，膜片打开压强对预制缺陷尖端圆角并不敏感，因此，预制缺陷需确定的结构参数仅为V型槽开口角度α，缺陷深度a和膜片厚度h。

此外，由于所确定的金属膜片预制缺陷槽为均匀放射状，各缺陷槽尺寸、受力状态完全相同，忽略各缺陷槽之间的影响，任取其中任一条缺陷作为研究对象；所设计的金属膜片破坏形式均为 I 型裂纹扩展破坏，因此只需求解预制缺陷处的 I 型应力强度因子 KI 即可表征金属膜片设计合理性。

金属膜片结构设计

根据II脉冲药柱稳定点燃初始压强控制要求，确定金属膜片设计打开压强为2.2MPa。在某实际隔舱式双脉冲发动机直径限制膜片半径R =142mm时，确定动态断裂韧性约为21MPa /m2的膜片结构尺寸分别为：开口角度α =90°，缺陷深度a=1mm，膜片厚度h=3mm。

经计算，在该参数条件时预制缺陷上应力强度因子随径向距离变化关系。可以看出：由于圆板中心处应力最大，应力强度因子在该处也达到极大值，其后随径向距离增大逐渐减小。此外，圆心处应力强度因子达到21.4 MPa/m2 ，大于对应材料断裂韧性，因此在该燃烧室内压作用下，膜片将从中心位置开始破坏并逐步扩展致整个预制缺陷，符合预先设计。

金属膜片打开验证实验

为考核结构参数设计合理性，采用装置开展隔舱金属膜片打开单项实验。该实验装置由 I、II 脉冲集压室、隔舱结构、进压口、测试装置等部件构成。实验中在 II 脉冲集气室内装填假药柱以真实模拟脉冲发动机自由空间，通过设置在两个集压室的进压口与利用适量点火药产生的压强相互联通模拟脉冲发动机燃烧室初始压强。

针对设计膜片结构开展6次实验研究，实验后进行的膜片完整性检查结果显示：除第一次实验中膜片结构较为完整外，其余均从预制缺陷位置产生3～ 5条数量不等的 I 型贯穿性裂纹，与预先“米”字形设计一致。同时，实验中也发现后五次实验中各条缺陷均未同时贯穿，主要原因在于：应力强度因子一致性受缺陷深度加工误差影响较大，必然导致破坏程度存在一定差异。

第一次实验中点火药产生的最大压强仅为1.68MPa，小于打开压强设计值，因此膜片打开失败；其余5次实验因建压加载速率差异等因素影响，各次实验曲线间存在一定差异，但总体变化趋势趋于一致，五次实验中打开压强平均值为2.10MPa，与设计值误差约为4.545% ，说明采用所建立方法获得的金属膜片结构参数满足设计要求。

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