膜片用途

分類廣泛：如夾布型膜片、純橡膠型膜片、金屬/橡膠復合型膜片、金屬/橡膠/塑料三者復合型膜片等等；

電聲行業(yè)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(yè)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，如空氣凈化、水處理凈化等行業(yè)；

光學行業(yè)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。

對于機械行業(yè)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系的位移。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(qū)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(fā)生在邊緣環(huán)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，因此用于電容式傳感器或壓電式傳感器效果較好。波紋膜片壓有環(huán)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制成膜盒或進一步把數(shù)個膜盒串接成膜盒組。

光纖壓力傳感器具有抗輻射、抗電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕、靈敏度高等優(yōu)點，適合用于工程建設、石油鉆井、大型變電設備等高輻射、高電磁干擾、高溫高壓等極端環(huán)境。為了更安全、準確、便捷地獲取傳感器的壓力信息，提高測量精度，需要開發(fā)新的材料或進行新的結構設計。微型法布里-珀羅(F-P)壓力傳感器通常有毛細管結構和膜片結構2種。毛細管結構的壓力傳感器對壓力感知敏感度低，可用于大壓強范圍的測量，但不適于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傳感器，它具有損耗低、抗干擾、靈敏度高、線性度好、測量精度高、動態(tài)范圍大等優(yōu)良特性。為了進一步提高膜片式F-P壓力傳感器的靈敏度，設計并研制了波紋膜片式光纖 F-P 壓力傳感器，該傳感器靈敏度提高了2個數(shù)量級。

膜片傳感器的結構分析

壓力傳感器由波紋膜片、玻璃圓環(huán)、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(huán)的一個端面粘合，使波紋膜片的同心圓圓心與玻璃圓環(huán)的圓心重合；2）將玻璃圓環(huán)另一端的外壁與光纖法蘭盤的凹槽粘結并將外部封裝固化；3）將光纖插頭旋接于光纖法蘭盤，即構成一個壓力傳感器。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(fā)生干涉。當外界壓力發(fā)生變化，波紋膜片將發(fā)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，從而計算得出作用于波紋膜片上的壓力。

膜片傳感器在不同壓力下的模態(tài)分析

設置波紋膜片的參數(shù)：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不銹鋼。

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。當波紋寬度高于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 軟件進行仿真，設置敏感膜的厚度為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。

膜片傳感器壓力測試系統(tǒng)

光纖傳感分析儀采用光纖傳感分析儀Si720。Si720的光源與探測系統(tǒng)是各自獨立的，且具有2個通道，每個通道可以檢測100個傳感器，全部傳感器以5Hz同步掃描，波長分辨率為0.25pm，精度為±1pm。2個通道采用高功率掃描激光器作為光源，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束光同時進行掃描并傳入計算機。由于波紋膜撓度和壓力呈線性關系，因此壓力的大小可由對應腔長的變化量來確定。

用YS-2.5型活塞壓力計對傳感器從0~0.1MPa進行均勻升壓，每隔0.01MPa標定一次，25 ℃時，微壓傳感器的初始腔長為137.11μm，腔長總變化量為51.8μm，并用LabView軟件仿真得到傳感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，傳感器精度為1.05%F、S、(F、S、 表示全量程范圍)，靈敏度為51802μm/MPa，與仿真結果一致。

遲滯性是反映傳感器在正反行程過程中輸出-輸入曲線的不重合程度的指標。先對壓力傳感器從0均勻升壓至 0.1MPa，再均勻降壓至0，可以看出傳感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。

導彈飛行優(yōu)化控制和推進劑能量最優(yōu)管理需要，發(fā)展了一種采用隔層式 ( 軟隔離) 或隔艙式 ( 硬隔離) 隔離裝置進行固體發(fā)動機燃燒室分隔的技術，可實現(xiàn)固體火箭發(fā)動機的多次關機、啟動。在現(xiàn)有兩種形式隔離裝置中，隔艙式具有結構簡單、下一級脈沖裝藥形式限制小、打開壓強統(tǒng)一性高等一系列優(yōu)點，已逐漸發(fā)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沖發(fā)動機。

金屬膜片式隔艙脈沖發(fā)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，該方案采用隔熱層、沉淀硬化不銹鋼隔板本體、絕熱層和金屬膜片結構可以實現(xiàn)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，并且可與密封膜片緊密貼實，因此被廣泛應用于各類脈沖發(fā)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。

膜片金屬膜片設計

采用金屬膜片和輪輻式支撐構成隔艙結構完成雙脈沖發(fā)動機燃燒室級間隔離。其工作原理為： I 脈沖點火工作時，在金屬膜片分隔作用下兩脈沖燃燒室保持獨立； 當 II 脈沖工作內壓達到打開壓強后，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 脈沖燃燒室和尾噴管后排出，產生第二次推力。

為實現(xiàn)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(fā)動機閥門破裂膜片研究方法，確定采用強度高、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。

膜片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制缺陷結構參數(shù)，完成膜片設計：

( 1) 選取垂直于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(tài)過程，材料還未發(fā)生塑性屈服，近似認為膜片的動態(tài)破壞過程為線彈性斷裂問題。

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

此外，由于所確定的金屬膜片預制缺陷槽為均勻放射狀，各缺陷槽尺寸、受力狀態(tài)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，因此只需求解預制缺陷處的 I 型應力強度因子 KI 即可表征金屬膜片設計合理性。

膜片金屬膜片結構設計

根據II脈沖藥柱穩(wěn)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沖發(fā)動機直徑限制膜片半徑R =142mm時，確定動態(tài)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(shù)條件時預制缺陷上應力強度因子隨徑向距離變化關系?？梢钥闯觯?由于圓板中心處應力最大，應力強度因子在該處也達到極大值，其后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 ，大于對應材料斷裂韌性，因此在該燃燒室內壓作用下，膜片將從中心位置開始破壞并逐步擴展致整個預制缺陷，符合預先設計。

膜片金屬膜片打開驗證實驗

為考核結構參數(shù)設計合理性，采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 脈沖集壓室、隔艙結構、進壓口、測試裝置等部件構成。實驗中在 II 脈沖集氣室內裝填假藥柱以真實模擬脈沖發(fā)動機自由空間，通過設置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(lián)通模擬脈沖發(fā)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，實驗后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，其余均從預制缺陷位置產生3～ 5條數(shù)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(fā)現(xiàn)后五次實驗中各條缺陷均未同時貫穿，主要原因在于：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，小于打開壓強設計值，因此膜片打開失?。?其余5次實驗因建壓加載速率差異等因素影響，各次實驗曲線間存在一定差異，但總體變化趨勢趨于一致，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% ，說明采用所建立方法獲得的金屬膜片結構參數(shù)滿足設計要求。

(1) 運動行程長，是碟形膜片、波紋膜片的3倍—7倍。

(2) 與碟形膜片、波紋膜片直徑相同、材質相同、厚度相同的情況下，承受壓力最高。

(3) 在膜片運動行程內受壓面積是恒定的，所以對閥桿、閥瓣可以獲穩(wěn)定的推、拉力。

(4) 膜片的運動過程與套筒內壁、托盤外表面之間是滾動工作，摩擦阻力極小。

(5) 允許介質中帶有微粒、雜質、煤氣中的焦油等。

(6) (6)對于套筒內壁及托盤外表面的加工精度、表面粗糙度要求比活塞裝置低。

(7) 托盤、閥桿發(fā)生微小偏斜和偏心時，在氣體的作用力下會自動找正對中。

(8) 平衡膜片只允許單向受力，承受的壓差比活塞裝置小，目前，國內用于調壓器產品的滾動膜片承壓一般不超過0．8MPa。

膜片和膜盒

相同膜片、膜盒主要用作壓力測量儀表的測量元件。膜盒用于測量微小壓力。膜片用于測量不超過數(shù)兆帕的低壓；也可用作隔離元件。在相同的條件下，平膜片位移最小，波紋膜片次之，膜盒最大。如需更大位移，可將數(shù)個膜盒串聯(lián)成膜盒組。