液体产品的密度检测是审核产品品质的重要手段之一。针对当前传统密度检测装置体积大、功耗高、不易在线检测的问题, 该文设计并制作了一种基于压电微机械超声换能器(PMUT)的液体密度测量传感器。该传感器由两个PMUT(半径为500 μm, 空气中谐振频率为136 kHz)组成, 分别作为发射端与接收端。实验测试结果表明, 该传感器的谐振频率与液体密度成线性关系, 在776~1 150 kg/m3密度范围内具有良好的响应, 其灵敏度为17 Hz/kg/m3。

收发一体式压电微机械超声波换能器(PMUT)的接收信号存在较长的拖尾, 导致近场原始回波难以区分, 造成测量盲区, 对此提出了一种在拖尾段识别回波信号的方法。该方法利用解调对数放大器非线性压缩接收信号并进行包络处理, 得到拖尾段具有明显极值点特征的包络曲线, 并通过包络曲线极值点识别回波峰值。选取8组谐振频率不一的PMUT器件对该方法进行测试验证。结果表明, 在最远测距大于300 cm的情况下, 测量盲区缩减至10 cm附近, 该方法具有一定的有效性与普适性。

超声探测作为重要的感知技术, 其探测性能一直是学术界研究的热点。针对薄膜超声换能器谐振位移低, 导致输出声压较低, 从而影响探测性能的问题, 该文提出了一种高动态位移的薄膜ScAlN基超声换能器结构, 该结构直径为360 μm, 中心处膜层由4根悬梁支柱固支, 通过微机电系统(MEMS)微纳加工技术制作了换能器阵列。测试结果表明, 该器件谐振频率下, 中心处动态位移可达2.16 μm/V。此外, 该结构使膜层振动模态转变为输出声压更高的活塞型模态, 相关工作为空气介质中长距离超声测距传感器的研究奠定了基础。

为了实现二氧化碳气体温度的实时、非接触测量, 研究基于可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的温度测量方法。根据单激光器的电流调谐特性和谱线对的选择标准, 选取6241.402828 ｃｍ-1、6242.672190 cm-1处的两条对温度有不同依赖关系的二氧化碳谱线进行分析。针对二次谐波幅度法和一、二次谐波幅度比值法所存在的问题, 提出应用一次谐波信号的TDLAS温度测量方案。首先测量两吸收谱线的一次谐波峰峰值和平均值, 以峰峰值和平均值的比值作为单吸收线的输出, 再以两吸收线输出值之比来实现气体温度的测量。实验结果表明: 在200~1000 K范围内, 气体温度测量误差小于30 K。该温度测量方案可消除光强波动对温度测量产生的影响, 且仅需检测一次谐波信号, 系统结构简单, 性能稳定, 可以满足二氧化碳气体温度实时、非接触测量的需要。