基于频率步进连续波(FSCW)的声表面波频域阅读器采用类似矢量网络分析仪(VNA)测量频域响应的原理, 对声表面波标签回波信息进行解算。首先对基于FSCW的频域采样原理进行理论推导, 指导阅读器参数的设计; 再将直接数字频率合成器(DDS)与内置锁相环(PLL)的IQ调制器相结合设计了可快速变频的发射链路, 接收链路采用双向耦合器与硬件IQ解调芯片完成正交相干混频, 实现了绝对相位的稳定测量; 最后实际制作了阅读器电路板, 并结合声表面波标签对阅读器性能进行测试, 通过与网络分析仪测量结果对比, 结果表明该文设计的阅读器有效。

该文设计了一种基于低温共烧陶瓷(LTCC）技术的小型化超宽带巴伦(Balun)滤波器。该巴伦滤波器由一个五阶带通滤波器和基于Marchand巴伦改进型巴伦级联组成, 带通滤波器采用耦合谐振式的设计方法, 设计成宽带高抑制巴伦滤波器, 在二阶、三阶和四阶谐振之间创新采用电感级联的拓扑结构, 使相对带宽在48%以上。巴伦输入与输出之间的耦合采用一种并联堆叠式耦合螺旋传输线, 增强了传输线之间的耦合, 并拓宽了巴伦的带宽。结果表明, 该巴伦滤波器通带为1.71~2.76 GHz, 插损均小于2.3 dB; 在50~669 MHz, 抑制大于35 dB; 在669~1 245 MHz, 抑制大于17 dB; 在3 205~3 400 MHz, 抑制大于27 dB; 在3 400~6 000 MHz, 抑制均大于30 dB。两个输出端口信号的相位差和幅度差分别为180°±15°(1 710~2 340 MHz)、180°±10°(2 500~2 760 MHz)和±1.0 dB, 具有较高的通用性和良好的应用市场。

声表面波(SAW)谐振器作为各类SAW器件的核心元件, 其性能决定SAW器件的各项指标, 其中以谐振器品质因数(Q）值最重要。该文介绍了影响SAW谐振器Q值的因素, 指出目前高Q值SAW谐振器的衬底结构大多为异质声学层结构, 且异质声学层结构本质为一维声子晶体。结果表明, 通过在谐振器的多个位置构建声子晶体对SAW谐振器的声场能量可实现全三维约束, 以提升谐振器Q值, 最后展望了高Q值SAW谐振器的理想结构。

设计了一种基于128°YX-LiNbO3压电材料的双模耦合声表面波(DMS）滤波器。采用耦合模(COM)模型进行理论分析, 得到DMS滤波器的二维器件模型, 再采用COMSOL进行二维器件仿真分析, 得到单级DMS滤波器。为了消除该DMS滤波器在其低端近阻带附近出现的肩峰, 该文提出将DMS滤波器表面覆盖一层SiO2薄膜, 形成温度补偿结构, 从而解决低端近阻带附近的肩峰。结果表明, 设计的DMS滤波器的中心频率为891.0 MHz, 最小插入损耗为-1.29 dB, 1 dB带宽为34.0 MHz, 相对带宽为3.8%, 矩形系数为2.94, 带外抑制约为-20 dB。

声表面波(SAW）器件广泛应用于极端环境传感, 硅酸镓镧(LGS）是常用高温压电晶体, 但高温下应变胶因结合力导致应变传递效果不佳。该文研究了高温环境下应变传感的过渡层薄膜技术, 提出了一种新的过渡层薄膜解决方案及其工艺技术, 可实现高温应变胶水传递应变更稳定的效果。结果表明, 采用溅射Al再氧化可显著提升LGS与高温胶的结合力, 从而实现很好的应变传递, 使用这种过渡层实现了500 ℃下超大量程(1 000 με）测量。

针对航空复合材料的结冰探测, 该文提出了基于超声导波技术的解决方案, 采用转移矩阵法建立了层状结构波导模型, 绘制了相速度和群速度频散曲线, 分析了超声导波在碳纤维增强复合材料板中的传播特性。在此基础上, 基于现场可编程逻辑门阵列设计了由信号源和接收机组成的硬件电路, 结合恒温箱搭建了结冰探测系统及其实验环境。通过测量回波信号波包相对时延的方式, 验证了超声导波结冰探测方案的可行性, 为飞机结冰探测领域提供了新思路。

石英晶体微天平(QCM）是一种传统的质量敏感型传感器, 具有灵敏度高及响应时间短等优点。为拓展QCM技术在液相生物分子传感领域的应用, 该文通过电化学方法在QCM表面沉积生物分子功能化的导电高分子后, 成功制备了链霉亲和素敏感的QCM传感器。该传感器不仅具有对链霉亲和素的质量和电化学复合敏感效应, 而且具有优异的抗其他蛋白干扰能力, 有进一步应用于液相生化传感和疾病检测的潜力。

该文介绍了一种损伤阈值较高的2.7 μｍ声光调Q器件, 比较分析了几种常用的近红外声光材料, 优选铌酸锂晶体做调Ｑ器件的声光介质材料, 它能较好地兼顾衍射效率、光学性能及抗激光损伤能力。该文还分析了激光腔Q值与衍射效率的关系, 通过优化衍射效率的分布, 达到降低驱动功率、提高关断能力的目的。用铌酸锂晶体制作的2.7 μm声光调Ｑ器件, 其工作波长为2.7~2.8 μm, 工作频率为40.68 MHz, 光孔径为3 mm, 通光孔中心部位衍射效率可达75%。与氧化碲制作的声光调Ｑ器件相比, 铌酸锂晶体制作的2.7 μm声光调Ｑ器件的抗激光损伤能力较高。

感知器官对于许多动物必不可少, 尤其是生活在水下的生物。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)为材料, 模仿水生动物海豹的触须设计制备了一种表面四电极PVDF压电纤维仿生柔性传感器。利用激振源测试所制备的传感器性能, 包括输出不同的波形测试对不同激励的感知, 对水动力的感知及对水下运动物体方向的感知。实验结果表明, 该传感器对不同激励的感知性能很好, 速度检测极限可达0.15 mm/s, 且有良好的方向性检测能力, 对水下情况感知的应用前景广。

提出一种基于双长周期光纤光栅(LPFG）的边孔光纤微流传感器。该边孔光纤(SHF）内有2个空气孔, 是天然的微流体通道, 该微流传感器可进行温度补偿。利用CO2激光器在边孔光纤上写入双LPFG, 其共振波长分别为1 268.7 nm和1 385.8 nm。实验结果表明, 当传感器置于折射率1.335~1.395的甘油水溶液中, 2个LPFG共振峰的折射率灵敏度分别为-88.724 nm/RIU和-79.474 nm/RIU, 温度灵敏度分别为52.0 pm/℃和55.7 pm/℃, 利用折射率和温度灵敏度可推导出传感器的传感矩阵。该文所提出的带有温度补偿的微流传感器具有良好的线性响应度, 可实现折射率和温度的同时测量, 在环境监测和食品安全领域有潜在价值。

该文提出了一种基于模态局部化现象来检测外部质量扰动的可调式压电驱动谐振质量传感器, 质量传感器的检测结构由两个不同长度的悬臂梁通过机械耦合梁连接。首先利用哈密顿原理对压电驱动下的非对称谐振元件进行理论建模, 采用伽辽金方法求解, 得到前两阶模态下的振动特性;理论求解所得固有频率与COMSOL仿真分析、实验数据基本一致。实验研究表明, 无调谐质量的谐振器检测范围为2~10 mg, 添加调谐质量后的谐振器检测范围提高至1~13 mg, 质量检测的分辨率也得到优化。此外, 对传感器的结构进行非线性分析研究发现, 超谐振动下的谐振器检测灵敏度提升了80%, 这为非线性谐振传感器的设计提供了基础。

风洞实验中飞行器表面的摩擦力不足空气压力的0.1%, 对于小面域、小量程的表面摩擦力测量, 存在准确性与力天平可靠性相悖的矛盾。因此, 基于杠杆原理及石英的压电效应, 该文设计了一种对毫牛级表面摩擦力放大测量的二维力压电传感器, 并通过静态标定实验和动态脉冲激励实验分别评价其测试性能。实验表明, 该传感器量程可低至50 mN, 非线性误差和重复性误差均小于1%, 固有频率为2 428 Hz, 满足风洞试验中表面摩擦力的测量需求。

该文制备了PZT-52压电陶瓷柱, 采用丝网印刷法在压电陶瓷基体表面附着电极, 研究了管状陶瓷表面电极的印刷工艺流程。利用油浴热极化法对元件进行极化实验, 通过对元件自由位移的检测, 研究了极化时间对压电驱动器位移的影响, 分析了极化时间对电畴转向和银电极成型质量的影响原理。结果表明, 随着极化时间的增加轴向驱动位移逐渐增强, 在极化电压为500 V, 极化温度为110 ℃, 极化时间为60 min时, 叉指形电极管状压电元件最大轴向位移为0.30 μm。

为了降低压电微动平台的动态迟滞误差对平台定位精度的影响, 该文设计了基于率相关迟滞逆模型的前馈控制器对其进行迟滞补偿。首先, 在对平台受力分析和运动分析的基础上建立平台的动力学模型; 其次, 在经典Prandtl-Ishilinskii(PI）模型的基础上加以改造, 得到Modified Prandtl-Ishilinskii(MPI)模型, 并将MPI模型与平台的线性动力学模型串联, 得到分离式率相关MPI模型, 进而基于率相关MPI逆模型建立平台的前馈控制器; 最后, 对所设计的控制器进行阶跃响应和正弦轨迹跟踪实验。实验结果表明, 所设计的控制器具有较好的定位精度与跟踪性能, 可以有效地补偿压电微动平台的动态迟滞误差。

为了减少压电驱动器迟滞非线性, 提高微系统的定位精度, 该文设计了基于自适应逆控制的压电驱动电源。选用型号TMSF320F28335的数字信号处理(DSP)芯片, 对信号调节器、前级DC-DC的Boost升压电路和后级DC-AC的单相全桥逆变电路进行设计分析。在CCS6.0软件开发环境下进行编程, 实现了SPWM驱动信号的生成、对位移信号进行AD采样和Prandtl-Ishlinskii自适应逆模型的功能。为了验证所设计的压电驱动电源的自适应控制性能, 采用压电陶瓷驱动器开展了基于自适应逆的驱动控制实验。结果表明, 在不采用控制的条件下, 1 Hz时压电陶瓷驱动器的输出位移均方根误差(RMSE）为3.239 5 μm, 绝对值平均误差(MAE）为2.985 1 μm; 随着频率的增加, 20 Hz时RMSE、MAE的最大值分别为21.402 9 μm、19.306 2 μm。使用基于自适应逆控制的压电驱动电源, 1 Hz时RMSE为0.324 9 μm, MAE为0.265 6 μm; 20 Hz时压电陶瓷驱动器的输出位移RMSE为12.639 μm, MAE为11.956 1 μm。

针对压电叠堆作动器的率相关迟滞非线性特性, 该文提出了一种基于asymmetric unilateral backlash(aubacklash）算子的BP神经网络率相关迟滞建模方法。首先提出了改进的aubacklash算子, 改善了Prandtl-Ishlinskii(PI）模型backlash算子在原点处残余位移及严格中心对称的问题; 其次分析了压电叠堆作动器迟滞的率相关记忆特性, 提出了率相关BP神经网络迟滞模型; 最后搭建了迟滞建模精度评估系统, 采用Levenberg-Marquardt(L-M）算法辨识aubacklash算子模型参数, 确定了BP神经网络模型最优结构参数。实验结果表明, 在高、低单一频率及混合频率下, BP神经网络模型较PI模型均方误差降低了70.90%~89.98%, 相对误差降低了70.69%~89.84%, 验证了该模型的精度与频率适应性。

海洋重力测量数据中含有大量高频噪声, 需要采用低通滤波器来提取实际的重力异常信息。该文结合实测的海洋重力数据研究了低通滤波器截止频率和滤波器长度的确定方法, 设计了不同窗函数的有限脉冲响应(FIR）低通滤波器。经海洋重力测量数据处理试验结果表明, 汉宁窗和海明窗的FIR低通滤波器处理的重复线内符合精度和交叉点不符值中误差均优于0.5 mGal(1 Gal=10-2 m/s2）, 可满足海洋重力测量要求。

针对传统的悬臂梁振动抑制系统建立动力学方程的复杂性和精确性不高等缺点, 该文提出利用多物理场耦合仿真软件搭建悬臂梁系统作为被控对象, 通过设计比例、积分、微分(PID)算法在Simulink中建立控制器模型, 对悬臂结构进行振动控制联合仿真。由于结构具有未知性,因而传统控制器PID参数的选取常需根据经验进行试凑来确定。通过提出遗传算法优化PID参数的模型, 从而实现参数在线优化实时控制压电悬臂梁振动, 仿真和实验均验证了该模型的有效性。此外还通过改变压电执行器在悬臂梁不同应力处的位置进行了振动抑制的仿真与实验。结果表明, 该算法模型具有很好的鲁棒性, 在不同位置处均可获得最佳的PID整定参数, 实现振动抑制最佳效果。

近年来, 压电薄膜振动传感器发展十分迅速, 已被广泛应用于结构健康监测、医疗电子、加速度、器件振动等测量。该文针对压电薄膜振动传感器的性能检测, 设计了一套以可调频激振台作为核心的压电传感器灵敏度与频响特性标定装置。振动信号由可调频激振台提供, 标准压电传感器与自制传感器同步进行振动测试。测试结果表明, 该装置可方便地实现对被测传感器灵敏度和频率响应特性的标定。标定系统整体设计简单, 操作方便。同时系统体积小, 稳定性高, 测量误差小, 便于对各种类型的压电振动传感器进行检测, 具有很强的实用性和广阔的发展空间。基于该系统对自制压电薄膜传感器性能的标定, 研究了压电薄膜传感器灵敏度的影响因素。

同心圆环传声器阵列广泛应用于声成像阵列系统, 能有效地抑制干扰并确定声源位置。在限定阵元数量、阵列最大孔径和最小阵元间距等条件下, 提出了一种利用粒子群算法设计宽带低旁瓣同心圆环传声器阵列的方法。该方法通过构造一个反映宽带信号在扫描区域内旁瓣水平的适应度函数, 以圆环半径和阵元偏转角作为联合优化参数, 基于粒子群优化算法实现了阵型的快速优化求解。仿真实验表明, 该方法获得的优化阵型在扫描范围内的整体旁瓣水平低于以最高旁瓣级为适应度函数得到的最优阵型, 也低于仅优化圆环半径获得的最优阵型, 这说明了该优化方法的可行性和有效性。

利用COMSOL软件建立简化的分析模型, 对支撑柱型电容式超声传感器(CMUT)模型进行有限元分析, 并将其与圆形空腔CMUT模型进行对比。结果表明, 支撑柱型CMUT模型的共振频率为10 kHz, 塌陷电压为52 V, 有利于进行低频化设计。与圆形空腔CMUT模型相比, 支撑柱型CMUT模型的有效面积较大, 寄生电容较少, 器件的灵敏度较高, 塌陷电压较低, 振膜的振幅较大, 工作时发出的声信号较弱。

压水堆型核电机组的冷却剂泵振动状态监测是核电站检修的重要内容之一。该文针对我国某核电站冷却剂泵振动状态监测中对耐高温抗强辐射的加速度传感的需求, 开展了压电加速度传感器在极限环境下的工作特性研究。实验结果表明, 传感器的工作温度可达-55~480 ℃, 抗辐照强度可达1×106 Gy。通过振动台架实验验证了传感器的工作状态, 结果表明传感器的输出振动信号与5g(g≈9.8 m/s2）、10g的标准振动信号输出结果一致; 提出了满足核电现场应用要求的振动监测方案, 并在我国某核电站冷却剂泵上进行了实际应用, 实验结果满足核电站使用需求, 为未来的批量应用奠定了技术基础。

通过电磁激励方式研究了压电悬臂梁结构在超低幅值激励下的响应特性。对线性压电梁的响应进行了实验研究,分析了激励幅值的影响。研究了引入单侧阻挡后压电梁的非线性响应特性, 分析了激励幅值、阻挡间隙对单侧阻挡压电梁宽带响应的影响。实验结果表明, 在0.003 N的电磁激励下, 压电梁的振幅小于140 μm。引入单侧阻挡后压电梁表现出分段线性响应, 对阻挡间隙微米尺度的变化灵敏。随着间隙从100 μm减小到20 μm, 最大输出电压从3.14 V减小到1.17 V, 半功率带宽从5.8 Hz增大到18.2 Hz。

设计了一种基于金属基片结构的随钻四极子复合发射换能器。采用有限元法数值模拟了换能器的频域及时域声学响应, 考察了钻铤结构及声源激励脉冲宽度对其声学特性的影响, 实际封装制作了发射换能器并进行了消声水池实验测试。测试结果表明, 该发射换能器的谐振频率、发射电压级及水平指向性与数值模拟结果吻合较好。该换能器在频率4.7 kHz附近存在一阶弯曲振动模态, 其发射电压级可达126.2 dB, 具备低频、大功率的辐射特点, 可满足随钻四极子声波测井需求。

套筒灌浆连接是当前装配式建筑中受力钢筋的主要连接方式, 其灌浆质量是影响装配式混凝土结构性能的关键因素之一。运用压电陶瓷材料的驱动和传感功能, 该文提出了一种基于波动分析的套筒灌浆缺陷主动检测方法, 并通过试验验证其可行性, 通过数值模拟分析其机理。在套筒连接钢筋表面粘贴压电片, 测量健康试件和设置有不同尺寸缺陷试件上压电陶瓷传感器的输出信号, 并对小波包能量进行分析和比较。结果表明, 灌浆缺陷导致压电陶瓷传感器输出信号的电压幅值增大, 小波包能量指标与套筒灌浆缺陷尺寸大小相关。该法能对套筒内灌浆缺陷进行有效检测。

微颗粒操控技术以其控制精确,成本低及简洁高效的特点, 在生物医学工程和微纳米器件制造领域有广阔的应用前景。传统操控方法对无磁性、无导电性及大密度固体微颗粒的操控存在不足。因此, 该文提出一种基于压电悬臂梁低频振动的微颗粒操控系统, 利用流场底部流动实现微颗粒的聚集。聚集显微实验表明, 压电振子的低频振动激发流场底部流动, 使培养皿底部的球型氧化铝颗粒向目标区域移动和聚集, 并在122 s时达到稳定状态。对试验结果进行图像处理, 结果表明, 微颗粒稳定聚集后的聚集面积为79 405 μm2。该操控方法可实现大密度微颗粒的聚集, 且聚集范围大, 可为微纳器件制造提供参考。

针对压电悬臂梁的振动问题, 该文提出了一种模糊滑模主动控制策略, 以在抑制悬臂梁振动的基础上减小抖振。根据均质梁单元和压电梁单元运动方程引入状态向量,建立了压电悬臂梁的状态空间方程。通过平衡截断法对压电悬臂梁模型进行降阶,以提高计算效率, 并以降阶模型为对象设计了模糊滑模控制器。运用模糊规则调节切换增益,饱和函数替换符号函数, 有效地减小了滑模控制的抖振现象, 利用Lyapunov函数证明其稳定性。结果表明, 基于饱和函数的模糊滑模控制不仅能控制压电悬臂梁的振动, 还能降低抖振现象。

该文介绍了一款环形耦合的圆形贴片天线。采用圆形金属贴片作为天线的辐射贴片, 通过在介质板上引入两个谐振环, 产生两个新的工作谐振频段。通过调节圆形贴片和耦合环之间的高度, 进一步拓宽了天线的工作频段。通过3D打印技术对不规则的介质基板进行加工制作, 有效解决了传统加工方法加工难度大及生产周期长的问题。测试结果表明, 该天线在3.8~5.8 GHz工作频段内, 回波损耗小于-10 dB; 在5.1 GHz时, 天线增益达到8.4 dBi; 天线相对带宽为42%, 且具有良好的全向辐射特性。天线的测试结果与仿真结果基本吻合。

提出了一种新型含有不完全齿的圆环型行波直线超声电机, 电机的动子滑块在一定预压力下紧贴在圆环型振子外表面齿形结构的端面上, 4个压电陶瓷片间隔90°均布于圆环型结构的内侧, 4组驱动齿分别与压电陶瓷片位置间隔45°布置。电机工作时, 仅一处驱动齿工作, 通过轮换不同工作齿的方式可提高超声电机的寿命。电机利用两个同频正交的面内三阶弯曲模态工作。利用有限元软件对振子进行了动态设计与仿真, 分析了结构参数对模态的影响。加工制作了原理样机, 并测试了样机的振动特性及输出性能。实验结果表明, 该电机在激励电压峰-峰值为240 V, 激振频率为30.459 kHz, 预压力为0.6 N时, 电机运行平稳, 最大输出力为90 mN, 电机的空载速度为102 mm/s。

采用丝网电极印刷法制备了局部环状电极压电驱动器, 并对其动力进行了测试研究。搭建了夹持力测试平台, 对局部环状电极压电驱动器和传统压电驱动器的径向夹持力进行测试和分析。实验结果表明, 分别在频率为0.2 Hz和峰值200 V的方波和正弦波激励下, 局部环状电极压电驱动器带电极区的径向夹持力峰值分别为0.60 N和0.58 N, 两种夹持力峰值响应分别是传统元件的2.72倍和2.76倍。无电极区的反向夹持力峰值为0.29 N和0.28 N, 其略大于传统元件的夹持力峰值, 实验结果同时验证了局部环状电极压电驱动器的正交异性。

该文理论分析了二频机抖激光陀螺抖动轴和敏感轴间的失准角对陀螺精度的影响。基于刚体欧拉动力学方程建立了机抖激光陀螺动力学模型, 利用刚体绕任意轴转动惯量的计算方法, 计算了抖动轴失准角引起的陀螺腔体在陀螺坐标下的惯性积变化, 对陀螺高频抖动时由腔体惯性积产生的横侧向力矩引起陀螺敏感轴横侧向变形进而激发单表级圆锥误差的过程进行了定量计算。结果表明, 高精度应用场合抖动轴失准角应小于5′。

钢管混凝土结构在超高层建筑中的应用日益广泛, 由于施工质量控制不到位及混凝土材料收缩等原因, 其内部可能出现核心混凝土空洞缺陷及混凝土与钢管壁间的界面剥离缺陷, 进而对其力学性能带来负面影响。该文针对矩形钢管混凝土截面的缺陷检测, 在表面粘贴压电陶瓷片进行测量, 对这两种内部缺陷在不同测试路径上压电陶瓷片响应的影响进行试验和数值模拟分析。通过对健康、存在核心混凝土空洞和界面剥离缺陷的不同试件不同检测路径上压电传感器输出信号的比较, 研究了缺陷对应力波传播的影响, 并得到采用对测方式检测的敏感范围。结果表明采用对测方法可有效检测钢管混凝土缺陷, 其敏感范围的确定具有工程意义。

随着直升机技术的发展, 急需对一种新型的直升机桨叶包铁结构做质量检测研究, 该包铁结构外层为不锈钢, 中层为橡胶、加热元件, 内层为玻璃纤维。包铁结构需要分类识别的4类典型结构为上层脱粘缺陷、加热元件、下层脱粘缺陷、无缺陷无加热元件, 但这种包铁结构较常见多层结构层数多、层厚薄、需识别分类多, 超声波在这种结构中会发生严重的混叠现象。因此研究了超声波在薄壁多层结构中的传播规律, 建立了新的包铁结构的超声反射频谱模型, 将测试的不锈钢、橡胶、玻纤的声速、声阻抗、频率-衰减系数曲线、2.25 MHz和5 MHz的探头频谱代入模型进行仿真, 仿真结果表明,2.25 MHz探头可以识别出包铁的4种结构, 5 MHz探头可以识别出除下层缺陷的另外3种结构, 实际检测结果验证了新模型的仿真结果。