1, 1, 1, 3, 4, 4, 4-7氟-3-(3氟甲基)-2-丁酮（C5-PFK）气体因其优良的电气绝缘性能和良好的环保特性受到国内外广泛关注。 制备高精度的C5-PFK混气并实现对其混合比的精准检测, 有利于对C5-PFK混气的科学论证, 最大限度的减少电力隐患。 采用FTIR实验, 结合B3LYP方法进行光谱理论计算, 对C5-PFK气体的红外光谱吸收特性进行了研究; 针对测试环境中可能存在的CO2及微水气体, 在相同的温压及光程条件下进行了谱线交叉干扰分析; 基于非分散性红外线(NDIR)技术对C5-PFK混气混合比传感器进行了仿真测试, 开展了传感器硬件系统的整体设计。 根据传感器的输出特性, 建立了BP神经网络温度补偿模型, 并对传感器的重复性及示值误差进行了测试。 结果表明: C5-PFK气体的强吸收峰位置分别为1 200、 1 262及1 796 cm-1, 分子理论计算与气体实测的红外光谱吻合较好; 合成空气背景下1 262 cm-1位置CO2气体的吸光度为6.04×10-7, 150 nm滤波带宽内微水峰面积影响因子约为3.15×10-3, 谱线交叉干扰可忽略不计, 采用NDIR技术选择1 262 cm-1位置实现混合比检测切实可行; 以量程追踪光程, 传感器仿真测试结果显示6.5 mm光程可实现0~15%的C5-PFK混气混合比的检测。 传感器输出特性显示: 吸收变量SA/SB值随温度的升高而减小, 呈现非线性关系; 10%的C5-PFK/Air混气在BP神经网络算法温度补偿前后最大示值误差分别为29.23%及1.29%, 补偿后输出吸收变量SA/SB值基本保持不变; 传感器重复性测试显示RSD为0.27%, 小于3%; 不同浓度对应的传感器示值的线性拟合系数R2为0.999, 最大示值误差为2.47%。 综上, 验证了该检测方法及其传感器在C5-PFK气体混合比检测范围、 抗干扰能力及可靠性等方面优势, 为C5-PFK混气电气设备混合比检测提供一种可行的解决方案。

该文提出了一种新型的方孔定子行波超声电机, 并进行了参数设计、仿真分析和实验研究。定子由1个方孔金属体和4块压电陶瓷片组成, 通过与直径大于定子内边长的转子配合发生弹性变形, 从而对转子产生预压力,便于驱动。利用有限元软件对定子进行模态分析, 选择第三阶模态作为工作模态, 得到定子最大振幅与激励频率、电压、壁厚、边长及圆角半径的关系, 并研究了频率、电压及预压力对转子输出特性的影响。制作了实体样机并测试了其输出特性, 测试表明, 当电压为100 V、激励频率为31.5 kHz时, 其空载转速为215 r/min, 堵转力矩达到1.58 mN·m。

该文通过两步水热法制备了钛酸钡纳米线(BTO NWs), 采用旋涂法与聚偏氟乙烯(PVDF)复合制备BTO NWs/PVDF复合薄膜。系统地研究了水热反应中不同NaOH浓度、不同反应时间及不同BTO NWs掺杂量对BTO NWs/PVDF复合薄膜压电输出性能的影响, 并与商用钛酸钡纳米球(BTO NPs)制备的BTO NPs/PVDF复合薄膜进行了压电性能对比。结果表明, 当NaOH浓度为10 mol/L, 反应时间为10 h时, BTO NWs/PVDF复合薄膜开路电压和短路电流分别可达5.42 V和1.81 μA。当BTO NWs掺杂量(质量分数)为20%时, 复合压电薄膜的开路电压可达9.34 V, 短路电流可达2.15 μA, 分别是BTO NPs/PVDF复合薄膜输出电压和电流的1.92倍和1.49倍。当负载电阻值为5 MΩ时, BTO NWs/PVDF复合薄膜输出功率可达1.44 μW。经过4 000次循环敲击测试, BTO NWs/PVDF复合薄膜表现出良好的机械稳定性, 其有望在自供电器件、柔性可穿戴电子设备等领域得到广泛应用。

该文将聚二甲基硅氧烷(PDMS)、炭黑(C)和水热法制备的钛酸钡(BaTiO3,BTO)纳米颗粒复合, 旋涂得到BTO/PDMS/C柔性压电复合薄膜。研究结果表明, 制备的BTO纳米颗粒尺寸均匀, 粒径约(58±10) nm; 当C的质量分数为12%时, BTO/PDMS/C柔性复合薄膜输出性能最优, 输出电压可达11.14 V, 输出电流为6.23 μA; 当负载电阻为5 MΩ时, BTO/PDMS/C柔性复合薄膜输出功率可达8.45 μW。经4 000次循环测试表明, 该文制备的BTO/PDMS/C柔性压电复合薄膜具备稳定的压电输出, 是制备可穿戴电子器件及其监测元件的良好选择。

不同切割方向的Ho∶YAP晶体的激光输出特性存在差别。针对掺杂浓度为0.5%(原子数分数)的Ho∶YAP晶体开展a、b、c三种切割方向的激光输出特性实验研究。采用最大输出功率为44.3 W的1915 nm掺铥光纤激光器端面泵浦Ho∶YAP晶体,在三种切割方向上均获得了大于20 W的连续激光输出,其中b向切割晶体输出激光的中心波长近2118 nm,最大功率为23.6 W,斜率效率为61.98%,a向切割晶体与b向切割晶体的输出结果相近,c向切割晶体在达到最大输出功率时的中心波长为2129 nm;当采用腔内声光调Q获得脉冲输出时,a、c向切割晶体出现了中心波长偏移和多波长起振现象,而b向切割晶体则获得了中心波长近2118 nm的稳定脉冲输出,且其在重复频率为20 kHz时的最大平均输出功率为22.3 W,脉宽为20 ns,斜率效率为55.22%,光束质量因子分别为 Mx2=1.81和 My2=1.50。选用b向切割的Ho∶YAP晶体更有利于实现稳定且高效的2118 nm连续激光及纳秒级脉冲激光输出。

为选择合适的激光参量与光伏电池参量, 以提高激光无线能量传输(LWPT)系统的能量转换效率, 通过实验研究了LWPT系统中能量接收单元, 也即光伏电池在半导体激光照射下的输出特性。通过波长为808 nm和915 nm的激光辐照GaAs和Si光伏电池, 研究了不同激光功率密度、光伏电池温度、电池类型以及激光入射角度对光伏电池输出特性与能量转换效率的影响。实验中, 在波长为808 nm的激光功率密度从0.06 W/cm2上升至0.37 W/cm2的过程中, Si电池的最大输出功率从0.12 W上升至0.32 W, 能量转换效率从50.9%下降至21.2%; GaAs电池的最大输出功率从0.40 W上升到1.07 W, 能量转换效率从57.9%下降至23.8%。随着激光功率密度的增加, 光伏电池的输出功率先增加而后趋于饱和, 但是高功率密度激光引起的电池温升会导致其光电转换效率的下降, 所以激光功率密度的选择与光伏电池温度的控制是提高LWPT系统能量转换效率的关键因素。

利用描述CO₂激光器动力学过程的六温度模型理论,建立了计算调Q CO₂激光功率放大器输出特性的数学模型,进行了理论分析和数值计算,并讨论了分光比等参数对输出脉冲特性、输出光谱的影响。结果表明:该调Q CO₂激光功率放大器存在临界增益长度和临界光强分束比,低于临界值时无法获得激光输出;该调Q CO₂激光功率放大器的输出激光脉冲波形、峰值功率、脉冲宽度、输出光谱与光强分束比、抽运电子数密度等参数有关,光强分束比越小,输出的调Q激光脉冲宽度越大,峰值功率越低;该调Q CO₂激光功率放大器利用Q调制的高增益特性,通过控制调Q元件所在的低功率支路可以实现高平均功率的调Q脉冲CO₂激光输出,很好地解决了调Q CO₂激光功率放大器难以高功率运转的问题。

激光无线能量传输技术具有广阔的应用前景,而光伏电池的激光辐照特性是设计激光无线能量传输系统的重要依据。针对该问题,研究了激光功率与温度对光伏电池的影响,搭建了光伏电池激光辐照特性的实验测试平台,测量并分析了光伏电池输出特性随激光强度和电池温度的变化规律。结果表明,激光辐照条件下,激光强度一定时,短路电流随温度升高而降低;温度一定时,转换效率与填充因子随激光强度的增大呈现先增大后减小的趋势。该研究可为激光无线能量传输条件下的系统设计仿真以及激光辐照下光电电池的输出特性研究提供参考。