膜片

膜片按行業分：有電聲行業膜片；機械行業橡膠膜片；過濾隔離行業微孔膜片；光學行業膜片。

基本介紹

• 中文名：膜片
• 外文名：diaphragm
• 套用領域：機械行業
• 基本釋義：圓形膜狀的彈性敏感元件

機械行業膜片

對於機械行業膜片而言：圓形膜狀的彈性敏感元件。當膜片的兩面受到不同的壓力（或力）的作用時，膜片向壓力低的一面應變移動，使其中心產生與壓力差成一定關係的位移。膜片的形式主要有平膜片、垂鏈式膜片和波紋膜片三種。平膜片又可按周邊是否固定支撐、中心是否開孔以及膜片區域受力分布狀況的不同等分為多種形式，其中最常用的是由周邊固定的等截面圓形薄板構成的平膜片。垂鏈式膜片由靠近邊緣處開槽的圓板構成，其彈性應變主要發生在邊緣環形槽處，常用這種膜片壓縮應變管或柱來達到測壓目的。垂鏈式膜片的硬中心部分在受壓移動時接近平移，因此用於電容式感測器或壓電式感測器效果較好。波紋膜片壓有環狀同心波紋。為了增加膜片中心的位移可把兩個膜片焊在一起製成膜盒或進一步把數個膜盒串接成膜盒組。

用途

分類廣泛：如夾布型膜片、純橡膠型膜片、金屬/橡膠複合型膜片、金屬/橡膠/塑膠三者複合型膜片等等；

電聲行業膜片而言：它的主要作用就是將電流轉化為聲音信號，如我們常見的“揚聲器”等；

過濾隔離行業膜片而言：它實際是由很多微小的納米微孔組成，起到分離相關介質的作用，如空氣淨化、水處理淨化等行業；

光學行業膜片：它起到光學折射、光學處理等作用；如常見的“太陽能電池板”、“太陽鏡膜”、”汽車防爆膜“等等。

波紋膜片式光纖法布里-珀羅壓力感測器

光纖壓力感測器具有抗輻射、抗電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕、靈敏度高等優點，適合用於工程建設、石油鑽井、大型變電設備等高輻射、高電磁干擾、高溫高壓等極端環境。為了更安全、準確、便捷地獲取感測器的壓力信息，提高測量精度，需要開發新的材料或進行新的結構設計。微型法布里-珀羅(F-P)壓力感測器通常有毛細管結構和膜片結構2種。毛細管結構的壓力感測器對壓力感知敏感度低，可用於大壓強範圍的測量，但不適於對精度要求高的微壓測量。膜片式法布里-珀羅腔結構理論上可以獲得較高的靈敏度，成為最常用的干涉型光纖壓力感測器，它具有損耗低、抗干擾、靈敏度高、線性度好、測量精度高、動態範圍大等優良特性。為了進一步提高膜片式F-P壓力感測器的靈敏度，設計並研製了波紋膜片式光纖 F-P 壓力感測器，該感測器靈敏度提高了2個數量級。

感測器的結構分析

壓力感測器由波紋膜片、玻璃圓環、光纖法蘭盤和光纖插頭等構成，其中d波紋膜片即為壓力敏感膜。1）將波紋膜片與玻璃圓環的一個端面粘合，使波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環的圓心重合；2）將玻璃圓環另一端的外壁與光纖法蘭盤的凹槽粘結並將外部封裝固化；3）將光纖插頭旋接於光纖法蘭盤，即構成一個壓力感測器。光纖插頭的端面與波紋膜片的下表面形成法布里-珀羅(F-P)腔。光經光纖垂直入射，一部分被光纖端面反射，另一部分光經過空氣腔，被波紋膜片下表面反射，2束光在光纖內部發生干涉。當外界壓力發生變化，波紋膜片將發生形變，從而改變 F-P腔的腔長，引起反射譜的相位移動。對反射光譜進行解調，可以得到腔長的大小，從而計算得出作用於波紋膜片上的壓力。

感測器在不同壓力下的模態分析

設定波紋膜片的參數：工作半徑為4600μm，厚度為30μm，波高為60μm，波紋寬度為750μm，楊氏模量為200GPa，泊松比為0.3，材料為316L不鏽鋼。

仿真計算波紋寬度為500、600、750、1000μm時撓度隨壓力的變化曲線。在同等壓力下，波紋寬度越大，撓度越大。當波紋寬度高於750μm時，壓力-撓度曲線的線性度變差。為了得到撓度變化較大且線性度較好的值，選擇波紋寬度為750μm的波紋膜片。

仿真計算波高為10~90μm時撓度的變化情況。當波高為30~80μm時，撓度有較高的變化量，在撓度相同、線性度近似的情況下，綜合考慮波紋膜片的加工成本，選擇波紋高度為60μm的波紋膜片。

利用 CoventorWare 軟體進行仿真，設定敏感膜的厚度為30μm，波高為60μm，波紋寬度為750μm。在敏感膜上施加0.1MPa的壓力，波紋膜撓度為55μm。

感測器壓力測試系統

光纖感測分析儀採用光纖感測分析儀Si720。Si720的光源與探測系統是各自獨立的，且具有2個通道，每個通道可以檢測100個感測器，全部感測器以5Hz同步掃描，波長解析度為0.25pm，精度為±1pm。2個通道採用高功率掃描雷射器作為光源，輸出波長為1510~1590nm，光源輸出的光通過一個2×2光纖耦合器被分成強度相等的2束光。一束光被接回到CH2檢測通道，作為入射參考光；另一束光傳輸經過F-P微腔形成干涉信號，再通過光纖耦合器接回到CH1檢測通道，作為反射測量光；2束光同時進行掃描並傳入計算機。由於波紋膜撓度和壓力呈線性關係，因此壓力的大小可由對應腔長的變化量來確定。

用YS-2.5型活塞壓力計對感測器從0~0.1MPa進行均勻升壓，每隔0.01MPa標定一次，25 ℃時，微壓感測器的初始腔長為137.11μm，腔長總變化量為51.8μm，並用LabView軟體仿真得到感測器的腔長隨壓力變化曲線 ，Matlab計算得到的腔長擬合方程為L=518.0188P+137.1081，均方根誤差為0.9991，感測器精度為1.05%F、S、(F、S、 表示全量程範圍)，靈敏度為51802μm/MPa，與仿真結果一致。

遲滯性是反映感測器在正反行程過程中輸出-輸入曲線的不重合程度的指標。先對壓力感測器從0均勻升壓至 0.1MPa，再均勻降壓至0，可以看出感測器升降壓曲線幾乎重合，計算得到相對遲滯誤差為0.4%，遲滯效應很弱。

隔艙式雙脈衝發動機金屬膜片設計與實驗

飛彈飛行最佳化控制和推進劑能量最優管理需要，發展了一種採用隔層式 ( 軟隔離) 或隔艙式 ( 硬隔離) 隔離裝置進行固體發動機燃燒室分隔的技術，可實現固體火箭發動機的多次關機、啟動。在現有兩種形式隔離裝置中，隔艙式具有結構簡單、下一級脈衝裝藥形式限制小、打開壓強統一性高等一系列優點，已逐漸發展形成噴射棒、非金屬易碎、金屬膜片等形式隔離裝置的雙脈衝發動機。

金屬膜片式隔艙脈衝發動機常選用金屬或非金屬支撐件、一側經絕熱處理的金屬膜片組合進行燃燒室分隔，經驗證，該方案採用隔熱層、沉澱硬化不鏽鋼隔板本體、絕熱層和金屬膜片結構可以實現燃燒室分隔，但仍存在質量大、絕熱特性差等缺點。提出了8通氣孔金屬隔板設計，提高了絕熱和抗燒蝕性能，但結構型面仍有不足。

輪輻式支撐件可減小隔艙重量，並且可與密封膜片緊密貼實，因此被廣泛套用於各類脈衝發動機。此外，在膜片上還能實施刻痕、絕熱處理、材料改進等措施，可進一步改善打開壓強、材料敏感性等特性。

金屬膜片設計

採用金屬膜片和輪輻式支撐構成隔艙結構完成雙脈衝發動機燃燒室級間隔離。其工作原理為： I 脈衝點火工作時，在金屬膜片分隔作用下兩脈衝燃燒室保持獨立； 當 II 脈衝工作內壓達到打開壓強後，膜片按預先設計形式破裂，兩級燃燒室貫通，燃氣依次通過隔艙結構、I 脈衝燃燒室和尾噴管後排出，產生第二次推力。

為實現以上工作過程，金屬膜片在隔艙結構設計過程中占重要地位。根據液體發動機閥門破裂膜片研究方法，確定採用強度高、易變形的LY12鋁合金材料、薄板形式金屬膜片。另外，為可靠、方便地控制打開壓強、隔艙消融形狀，還需在其一側進行預先刻痕處理。

應力強度因子公式推導

在不影響結論正確性基礎上，做以下假設以便合理確定預製缺陷結構參數，完成膜片設計：

( 1) 選取垂直於缺陷槽的任一截面作為研究對象，將該截面簡化為二維板條結構。

( 2) 膜片實際破壞過程為瞬間動態過程，材料還未發生塑性屈服，近似認為膜片的動態破壞過程為線彈性斷裂問題。

( 3) 圓弧長度與預製缺陷V型槽斜面長比值小於0.05倍時，膜片打開壓強對預製缺陷尖端圓角並不敏感，因此，預製缺陷需確定的結構參數僅為V型槽開口角度α，缺陷深度a和膜片厚度h。

此外，由於所確定的金屬膜片預製缺陷槽為均勻放射狀，各缺陷槽尺寸、受力狀態完全相同，忽略各缺陷槽之間的影響，任取其中任一條缺陷作為研究對象；所設計的金屬膜片破壞形式均為 I 型裂紋擴展破壞，因此只需求解預製缺陷處的 I 型應力強度因子 KI 即可表征金屬膜片設計合理性。

金屬膜片結構設計

根據II脈衝藥柱穩定點燃初始壓強控制要求，確定金屬膜片設計打開壓強為2.2MPa。在某實際隔艙式雙脈衝發動機直徑限制膜片半徑R =142mm時，確定動態斷裂韌性約為21MPa /m²的膜片結構尺寸分別為： 開口角度α =90°，缺陷深度a=1mm，膜片厚度h=3mm。

經計算，在該參數條件時預製缺陷上應力強度因子隨徑向距離變化關係。可以看出： 由於圓板中心處應力最大，應力強度因子在該處也達到極大值，其後隨徑向距離增大逐漸減小。此外，圓心處應力強度因子達到21.4 MPa/m² ，大於對應材料斷裂韌性，因此在該燃燒室內壓作用下，膜片將從中心位置開始破壞並逐步擴展致整個預製缺陷，符合預先設計。

金屬膜片打開驗證實驗

為考核結構參數設計合理性，採用裝置開展隔艙金屬膜片打開單項實驗。該實驗裝置由 I、II 脈衝集壓室、隔艙結構、進壓口、測試裝置等部件構成。實驗中在 II 脈衝集氣室內裝填假藥柱以真實模擬脈衝發動機自由空間，通過設定在兩個集壓室的進壓口與利用適量點火藥產生的壓強相互聯通模擬脈衝發動機燃燒室初始壓強。

針對設計膜片結構開展6次實驗研究，實驗後進行的膜片完整性檢查結果顯示： 除第一次實驗中膜片結構較為完整外，其餘均從預製缺陷位置產生3～ 5條數量不等的 I 型貫穿性裂紋，與預先“米”字形設計一致。同時，實驗中也發現後五次實驗中各條缺陷均未同時貫穿，主要原因在於：應力強度因子一致性受缺陷深度加工誤差影響較大，必然導致破壞程度存在一定差異。

第一次實驗中點火藥產生的最大壓強僅為1.68MPa，小於打開壓強設計值，因此膜片打開失敗； 其餘5次實驗因建壓載入速率差異等因素影響，各次實驗曲線間存在一定差異，但總體變化趨勢趨於一致，五次實驗中打開壓 強平均值為2.10MPa，與設計值誤差約為4.545% ，說明採用所建立方法獲得的金屬膜片結構參數滿足設計要求。