一种MEMS同振柱型仿生矢量水听器的研制

提出了一种结合MEMS技术、仿生原理和压阻原理的同振柱型矢量水听器,即由二维仿生水听器和声压水听器组合而成的柱体。在声学理论基础上详细介绍了该水听器的封装设计及制作过程,在国防水声一级计量站对该矢量水听器进行校准实验,实验结果表明:该同振型矢量水听器的工作频带范围为0～3 kHz;X通道灵敏度-177.9 dB(2 kHz),Y通道灵敏度-175.4 dB(2 kHz),声压通道灵敏度-175.8 dB(2 kHz);具有很好的"8"字指向性;可承受3 MPa压力。此新型MEMS同振矢量水听器适用于民用船只避障,渔业捕捞,海洋勘探等领域。

双T型MEMS仿生矢量水听器的设计与测试

根据当前声纳系统的需求,以MEMS技术为依托,结合仿生原理、压阻原理,提出了一种双T型矢量水听器。在分析T型梁结构力学特性的基础上,详细介绍了两种不同尺寸微结构的设计、加工和测试。采用ANSYS软件仿真,得出两种微结构的谐振频率分别为1 993.3 Hz和10.17 kHz;利用MEMS加工工艺加工出水听器微结构并对水听器进行了封装;采用振动台标定和水下驻波场测试相结合的方法完成了水听器的测试。测试结果表明两种结构的双"T"型矢量水听器灵敏度达到-180 dB和-192 dB(1 kHz,0 dB参考值1 V/μPa),具有良好的"8"指向性,矢量特性明显,动态范围为90.48 dB(315 Hz)。

MEMS仿生矢量水听器优化设计

针对纤毛式MEMS仿生单矢量水听器灵敏度偏低、频响曲线起伏较大的缺陷,对该结构水听器进行了优化设计.通过理论分析和仿真计算,从两方面进行了优化,一是纤毛材料的选择,选用光纤替代塑料柱体;二是设计了一种"半油半酯"新型封装结构.最后在国防水声一级计量站对该封装水听器进行了相应的校准测试.测试结果表明,该水听器性能较之前有了明显提高,灵敏度达到-165 dB(包括前置放大26 dB),频响范围为20 Hz～2 kHz(±4 dB),具有良好的"8"字型指向性.

阵列式MEMS仿生矢量振动传感器研究

针对在同一个物理测试过程中,往往会遇到很多所需测量振动信号的大小和频率在大范围内变化,而一个振动传感器很难满足测试要求的情况,提出了一种四单元集成阵列式仿生矢量振动传感器,4个微结构传感器量程分别为:10,100,500,1 000 gn。在分析敏感结构数学模型的基础上,用ANSYS软件对阵列敏感元件进行仿真,最后对加工好的传感器进行了相关的测试。测试结果表明:该阵列式振动传感器在二维方向的灵敏度高,线性度好,输出稳定性好。量程为100 gn传感器x向灵敏度为2.6134 mV/gn,线性度为0.99991,y向灵敏度为2.5563 mV/gn,线性度为0.99968。

基于FPGA的USB3.0通信接口设计

针对大批量高速数据传输的准确性和稳定性问题,本文设计了一种适用于FPGA开发使用的USB3.0通信IP核接口.采用Cypress公司的CYUSB3014芯片作为USB3.0器件,在vivado软件上进行USB3.0通信IP核接口的软件设计,最终在以FPGA作为主控芯片的USB3.0高速数据传输系统上对该IP核进行测试.测试结果表明,该IP核实际可达到的最大上行通信速率可达253.1 MB/s,下行最大通信速率可达131.9 MB/s.

基于MEMS仿生矢量水听器的测距避障声纳系统设计

设计研制了一种基于MEMS仿生矢量水听器的高效、经济的测距系统。该声纳系统采用收发分置的主动工作方式,单片机控制电路作为整个系统的核心部件,具有小体积、低成本、高精度、定向发射、定向接收,不受恶劣天气影响等优势。开展了测距声纳系统设计及集成研究,确定了主动声纳信号的参数和声纳收发装置,完成了软硬件的设计。在室内水池和室外海洋环境中完成了该系统的测试,实验结果表明,该测距声纳系统具有很好的测距功能,测距精度较高,具有广阔的应用前景。

一种MEMS硅微三维加速度计设计

在压阻式硅微二维加速度计的基础上,提出了一种MEMS硅微三维加速度计。该加速度计微结构包括由四梁-柱体组成的二维水平检测单元和双T型垂直检测单元两部分,通过双T型检测单元和微型柱体与四梁检测单元检测空间三维方向的加速度值。建立了该结构的数学模型并用有限元分析软件Ansys对敏感弹性元件进行力学特性分析。最后对加工出的加速度计进行性能测试。测试结果表明,该加速度计3个方向频响曲线平坦、灵敏度高、线性度好,轴间耦合度小,X向灵敏度为2.17 mV/g,非线性度为0.63%,Y向灵敏度为2.08 mV/g,非线性度为0.75%,Z向灵敏度为1.66mV/g,非线性度为1.13%。

数字传感器系统的研究与实现

为实现传感器数字化,设计出一种通过单片机控制的模数转换系统。系统通过对振动信号的传播过程进行处理,包括信号滤波、模数转换以及转换后数字信号的处理关键技术的研究,实现了模拟信号的数字化。通过对数字传输接口的发射接收设置,将实际振动信号与接收信号进行对比,验证了数字化结果的准确性。

基于MEMS仿生矢量水听器的水声定向研究

MEMS矢量水听器不仅可以测量声压信号,还可以测量质点的振速信号,它具有与频率无关的偶极子自然指向性。单一的矢量水听器就能够测量水中的声压和质点振速。利用矢量水听器的这种特性,结合波束形成原理,采用数字信号处理(DSP)技术,设计了基于MEMS仿生矢量水听器的水声定向系统,并进行了实际测试,结果表明:该系统能很好地实现对目标360°方位的定向功能。

纳机电矢量水听器耐压结构设计

纳机电矢量水听器具有低频性能好,灵敏度高等性能优点,在深海探测领域具有巨大的应用潜力,为满足超深水工作的要求提出了绝缘托盘式新型封装结构,解决了纳机电矢量水听器的耐高静水压技术难题。首先,进行聚氨酯透声帽外围封装承压分析,理论论证聚氨酯基体树脂材料的极限耐静水压强度为42.3 MPa。然后,对MEMS芯片输出电压进行理论计算以及对其进行模态仿真,得出在高达20 MPa的静水压作用下,传感器的输出灵敏度基本无变化,而且工作频带有所拓宽。测试结果表明:改进封装的纳机电矢量水听器在高压20 MPa时,可以实时获得敲击信号;加压前后,该水听器在20 Hz^1 000 Hz工作频带内水听器的灵敏度和指向性基本一致。

用于MEMS矢量水听器流激噪声抑制的“三明治”式封装结构设计与性能测试

MEMS仿生矢量水听器应用于水下环境,必须解决透声,绝缘,流激噪声抑制等问题.为此,提出"三明治"式封装结构.完成了"三明治"式封装结构设计计算与试制测试;并通过典型使用环境试验验证该封装结构的流激噪声抑制能力.试验结果表明:该封装结构在几乎不损失灵敏度和矢量性的前提下,比前期的封装结构在抑制流激噪声能力方面提高20dB以上.

高灵敏度宽频带阵列式仿生矢量水听器研究

针对MEMS仿生矢量水听器灵敏度和频带相互制约,不能同时满足宽频带高灵敏度测量的问题,在单个MEMS矢量水听器的基础上,设计了由四个单元构成的2×2单片集成微敏感结构阵列,实现了水听器的高灵敏度和宽频带。通过理论分析和ANSYS仿真分析,确定阵列微结构的尺寸,采用硅微机械加工工艺完成了阵列微结构的加工,最后在水声一级计量站对封装好的水听器进行了灵敏度和指向性校准测试。测试结果表明:该阵列式仿生矢量水听器未加前置放大时灵敏度达到-189 dB,频响范围20～5 000 Hz,具有良好的"8"字型指向性。

T型MEMS矢量水听器的声纳测距研究

针对T型水听器灵敏度高,低频特性好,抗干扰能力强等优点,设计开发了一种单片机控制的水下声波测距系统。以声波在水中的传播速度为确定条件,使发声换能器发射声波,水听器接收声波,通过AT89S52单片机对声波测距系统的发射、接收时间的控制,计算出障碍物与水听器之间的距离。测试结果表明:系统可以稳定接收反射声波信号,实现短距离测量,测量误差小于1%。

基于仿生水听器的回声测距方法

受鱼类侧线结构的启发,设计了一种双T型结构的MEMS芯片。对该结构的核心元件T型梁进行最大应力与谐振频率分析,确定梁参数和压敏电阻的位置及其大小、尺寸。通过信号提取电路,对接收到的微弱电压变化信号值放大滤波后进行回波测距实验。测试结果得出:所设计的水听器可对水下障碍物进行距离探测,并实时LCD显示。

用于MEMS仿生矢量水听器流激噪声抑制的“三明治”式封装结构设计与性能测试(英文)

MEMS仿生矢量水听器具有体积小、成本低、安装方便、有矢量性等优点，将MEMS仿生矢量水听器应用于水下环境必须解决透声、绝缘、流激噪声抑制等问题．为此，在前期单层聚氨酯封装结构的基础上，提出聚氨酯．水．聚氨酯“三明治”式封装结构，外层聚氨酯直径36mm，内层聚氨酯直径32mm．完成了“三明治”式封装结构设计计算与试制测试；并通过典型使用环境实验验证该封装结构的流激噪声抑制能力．实验结果表明在20—1000Hz内该封装结构在几乎不损失灵敏度和矢量性的前提下，比前期的封装结构在抑制流激噪声能力方面提高20dB以上．

仿生矢量水听器透声帽的实验测试与研究

由中北大学研制的MEMS仿生矢量水听器具有低频、小尺寸、灵敏度高等性能特点;但是由于受封装结构的影响,该水听器的灵敏度和频率响应还不太理想。为此,研究了聚氨酯透声帽封装对水听器性能的影响。首先,采用ANSYS对封装结构进行仿真,将仿真结果与自由场中液体质点的振动位移进行了对比分析。然后,通过实验对比有无封装两种情况下的水听器性能。最终得出:封装结构的固有机械特性耦合作用于水听器MEMS芯片上,导致水听器频率响应起伏较大,并在透声帽的共振频率处出现峰值;自由场中,透声帽随声波摆动的偏斜量与液体质点位移不相符导致水声衰减引起水听器灵敏度下降。

一种压电式MEMS矢量水听器设计

针对当前单只矢量水听器定向精度低,只能实现1/4象限内定向的问题,本文提出了一种压电式MEMS矢量水听器,期望利用压电效应和该结构提高水听器灵敏度,同时拓宽频带,实现360°范围内声源的准确定向.该水听器微结构包括由梁和4个相互垂直锚结构组成的力学传动单元和由压电薄膜构成的力电敏感转换单元两部分,通过梁结构直接接收声波信息,利用压电薄膜材料两端产生的电荷密度和电荷极性实现声音信号大小和声源方向的检测.建立了该水听器微结构的等效运动模型,在此基础上建立了微结构频率特性和传感数学模型,并进行了仿真验证.理论和仿真结果表明,该水听器频响范围拓宽至10kHz.

仿蟋蟀尾毛的MEMS振动传感器有限元仿真分析

基于MEMS技术和仿生学设计了一种纤毛+薄膜振动传感器敏感结构,由垂直纤毛和两个相互垂直的悬臂梁构成信息接收和传递单元,沉积在与悬臂梁末端固连的硅衬底薄膜上的PZT压电薄膜作为敏感转化单元.建立了该传感器结构的等效运动模型,在此基础上对传感器的输出特性和频率特性进行了数学分析.利用ANSYS有限元软件对不同结构及几何参数的敏感结构进行了仿真分析,对比仿真结果,优化传感器的结构和几何参数.仿真结果表明该结构传感器共振频率达到了6757.4 Hz.

专家模糊控制在SNCR脱硝系统中的研究及应用

针对循环流化(CFB)床机组选择性非催化还原(SNCR)脱硝系统被控对象具有的大迟延、大惯性的特点,以及多种干扰因素导致被控对象参数变化大、所建模型准确度无法保证的问题,设计了一种基于专家模糊的SNCR脱硝系统自动控制策略。该控制策略以现场专家经验为依托,采用模糊控制以及两层控制结构相结合的智能控制策略。将该控制策略与新华分散控制系统(DCS)应用于某电厂300 MW CFB机组。运行结果表明:氨水量能较好地跟随NO_X的变化,NOX排放量与设定值之间的每小时平均误差小于±2 mg/Nm^3,同时氨水消耗量比手动调节降低了17.6%。该控制策略解决了SNCR脱硝系统长期以来不能100%实现NOX自动控制的问题,实现了SNCR脱硝系统的稳定及经济运行。

旋光性非共线型AOTF温漂及波长修正策略

现有声光可调谐滤光器(AOTF)调谐关系大多忽略旋光性影响,忽略旋光性将影响声光滤波器的准确设计,并会进一步影响其滤波性能,故推导了旋光率与衍射波长之间的关系,进而得到考虑旋光性的AOTF衍射频率-波长调谐关系;针对AOTF衍射波长在不同温度下存在温漂,因此影响AOTF的光谱分辨率,从温度影响超声声速出发,分析得到AOTF衍射波长在不同温度下与驱动频率的关系,提出在不同温度下采用频率修正的方式跟踪衍射波长。根据考虑旋光性推导所得AOTF调谐关系、考虑到实时跟踪温度、频繁变换驱动频率容易对系统造成破环,影响使用效率,因此采用10℃为一个温度段,在一个温度段内根据中间温度使用一个驱动频率对AOTF进行调控,每一温度段有相应的驱动频率-衍射波长对应关系,叙述了具体的实现办法,并做了相应的实验验证。实验表明,通过频率修正之后在相应温度下得到的衍射波长,与普通室温未修正频率下得到的衍射波长相比,前者与目标波长更相近,误差减小一个数量级。为AOTF在不同温度下的高精度光谱测量提供了重要的依据,具有重要的实用价值。