基于压电能量收集技术的自供电系统设计

为了降低对传统电池的依赖,同时收集和利用汽车发动机的振动能量,设计了一种二自由度压电能量收集器和基于压电能量收集技术的自供电系统。系统主要由压电能量收集器、电源管理模块和加速度传感器组成。对压电能量收集器进行了建模、仿真和测试,得到了压电能量收集器的谐振频率和输出电压,测试结果表明该压电能量收集器前两阶谐振频率分别为105.5和124.6 Hz,并且在95~128 Hz频率范围内输出电压均在2.7 V以上,频率带宽为33 Hz。测试系统的整体功能,测试结果表明电源管理模块LTC3588-1输出3.34 V的直流电压,加速度传感器ADXL335能够正常工作。实验验证了压电能量收集技术在汽车电子领域中的潜力和可行性,为汽车电子设备提供可持续的自供电解决方案。

一种高功率密度的直角螺旋压电能量收集器

为了实现振动环境下的高效能量收集,研制了一种高功率密度的直角螺旋悬臂梁压电能量收集器。分析了不同悬臂梁弧度的压电能量收集器的应力分布,研究了不同悬臂梁弧度的压电能量收集器的谐振频率、开路电压和输出功率。研究结果表明,随着悬臂梁弧度的增大,能量收集器谐振频率逐渐减小,但是内部阻抗逐渐增大,其中悬臂梁弧度为2πrad的直角螺旋能量收集器的输出性能最好。通过实验测试发现,在0.1g的加速度激励下,悬臂梁弧度为2πrad的直角螺旋能量收集器的谐振频率为265 Hz、开路电压为1.8 V,当负载为140 kΩ时,实现最大输出功率为5.79μW。与其他不同结构的压电能量收集器相比,该直角螺旋结构收集器在满足供电需求前提下,还具有较高的功率密度,在便携式微电子器件供电和工业设备故障检测方面有广阔的应用前景。

高性能多方向双圆弧形压电能量收集系统

为了解决传统压电能量收集系统通频带窄、功率密度低的问题,本文采用线性多模态共振法,提出一种双圆弧悬臂梁内外反向拼接的压电能量收集系统。两根梁上各覆盖一个压电层,压电层之间串联连接。建立二自由度系统集总参数模型和机电耦合模型来分析频率响应和输出性能。对比压电层弧度不同的压电能量收集系统的输出性能,根据测试结果,当弧度为0.5π时输出性能最佳。设置激励加速度为0.1 g,一阶模态下,谐振频率为82.19 Hz,开路电压为49.65 V,最大输出功率为3.74 mW;二阶模态下,谐振频率为119.14 Hz,开路电压为44.74 V,最大输出功率为3.54 mW。测试结果表明,该结构可有效拓宽通频带宽度至52 Hz,且功率密度高。该压电能量收集系统结构简单易于制备,工作频带宽,可在频率波动大的环境下供电,同时体积小、功率密度大,能在多方向激励下高效率收集能量,可应用于可穿戴设备、低功率设备等多个领域。

GaAs基高性能MEMS微波功率检测芯片

为了提高电容式MEMS微波功率检测芯片的性能,设计了一种GaAs基高性能MEMS微波功率传感芯片。通过建立双导固支梁电容模型,分析了传感芯片的传输特性、过载功率与灵敏度特性。在双导固支梁电容模型中提出了平行极板的两个等效条件;同时提出了一种新的梁宽等效方式,解决了双梁结构等效梁宽的失配问题,减小了模型的相对误差。双导固支梁电容模型很好地解释了导向梁的厚长比与初始高度对传感器过载功率和灵敏度的影响。测试结果表明,双导固支梁MEMS微波功率传感芯片在200 mW输入功率内的灵敏度为14.3 fF/W,而灵敏度的理论值为13.5 fF/W,两者的相对误差仅5.6%。因此,该理论模型对固支梁MEMS微波功率传感芯片的设计具有一定的借鉴意义。

MEMS微波功率传感器的悬臂梁弯曲模型研究

为了研究电容式MEMS微波功率传感器悬臂梁的非线性运动,建立了MEMS悬臂梁在空间域上的弯曲特性模型,综合考虑静电力、轴向应力以及残余应力对悬臂梁非线性运动的影响,求解得到动力学微分方程。在此基础上研究在不同杨氏模量、驱动电压和残余应力下悬臂梁的弯曲特性,解析得到对应的悬臂梁弯曲特性曲线与轴向应力曲线。使用有限元分析软件ANSYS对不同驱动电压下的悬臂梁下拉位移进行仿真,并对仿真结果与解析结果进行比较。结果表明,在驱动电压从10 V到20 V的变化过程中,仿真结果与模型解析结果具有一致的趋势,两者间的最大误差仅有8.81%。对电容式MEMS微波功率传感器的悬臂梁弯曲特性的研究具有一定的参考价值和指导意义。

一种高灵敏度在线式MEMS微波功率传感器

为了改善在线式MEMS微波功率传感器的灵敏度特性,设计了一种新型双悬臂梁结构的MEMS微波功率传感器。该结构将测试电极和锚区设计在中心信号线的两侧。建立了双悬臂梁集总电路等效模型,研究了双悬臂梁结构的微波功率传感器的微波特性。构建了枢纽式双悬臂梁静力学模型,研究并分析了新型悬臂梁结构的过载功率与灵敏度。结果表明,相比于测试电极和锚区位于信号线同侧的传统单悬臂梁结构,新型双悬臂梁结构的灵敏度提升了6~8倍。这在一定程度上解决了电容式微波功率传感器检测灵敏度较低的问题。

圆弧螺旋型压电能量收集器的有限元模型研究

为了分析圆弧螺旋型压电能量收集器的振动特性和输出特性,本文提出了一种有限元模型,可以在简化模型的同时改善结果的精度。对近似前后的圆弧型压电能量收集器进行了建模、仿真和测试,得到了圆弧螺旋型能量收集器的谐振频率、输出电压与输出功率。将圆弧型悬臂梁进行有限元分割成6~16个矩形结构悬臂梁,并对不同程度的有限元近似下圆弧螺旋能量收集器的谐振频率与输出性能进行分析,结果表明在有限元个数大于等于10时,谐振频率与输出性能相对误差较小。加工制备了2π圆弧螺旋型压电振动能量收集并进行了性能测试。测试结果表明螺旋能量收集器谐振频率为158 Hz,采取10边型有限元模型的理论谐振频率为153 Hz,相对误差为3.5%;最大输出功率的测试结果为53.5μW,最大输出功率的理论结果为55.2μW,相对误差为3.18%,理论结果与测试结果较为符合。

一种圆弧螺旋压电能量收集器

为了降低谐振频率,实现多方向收集和提高输出性能,提出了一种4π圆弧螺旋压电能量收集器。通过分析器件尺寸与输出性能之间的关系来提高器件性能,将优化后的模型进行COMSOL仿真,分析振动位移、应力以及谐振频率。相对于2π圆弧螺旋压电能量收集器,4π圆弧螺旋压电能量收集器具有更低的谐振频率和更高的输出电压。4π圆弧螺旋压电能量收集器的谐振频率为48 Hz,输出电压达到12.3 V,输出功率达到400μW。

高性能激光诱导石墨烯压力传感器的研究

为了保证在低成本、易制备的前提下提高激光诱导石墨烯压力传感器的性能,设计了一种石墨烯压力传感器的放大结构。表征了激光诱导石墨烯压力传感器的表面结构,分析了表面多孔泡沫结构对压阻效应的影响,采用COMSOL软件对传感器放大结构的受力情况进行仿真分析,得到在外界压力下石墨烯层的受力情况。选用3D打印方法制备树脂材料放大结构基底,在低成本的同时兼顾了轻质、高精度、高机械强度等性能。测试结果表明,压强在5~20 kPa范围内时,该放大结构的灵敏度较无放大结构提高了约43%。

基于XGBoost模型的碳基扬声器的性能

为了解决研究碳基扬声器性能的物理模型复杂、计算量大、忽略一些影响因素导致理论结果不够准确的问题,研究了碳基扬声器的深度学习模型。介绍了碳基扬声器发声原理,并将碳基薄膜与其衬底的密度、热导率、比热容,以及热声效应过程中的输入交流电压有效值、输入交流电频率和测量距离作为输入特征,碳基扬声器的声压级作为输出特征,建立了XGBoost模型和基于dropout的反向传播(BP)神经网络模型。对这两个模型进行优化,发现当XGBoost模型的单个基学习器的深度为3、基学习器数量为523时,模型精度达到最高;当BP神经网络模型隐藏层数量为2、神经元数量为10时,模型精度达到最高。使用还原氧化石墨烯(rGO)、多壁碳纳米管(MWCNT)、激光划刻石墨烯(LSG)薄膜制备碳基扬声器,从表面微结构上观察到rGO薄膜的晶体质量最好;设计实验对三种碳基扬声器进行声压级测试,发现rGO薄膜制备的扬声器的声压级也最大。最后,将测试得到的数据划分出预测集,代入两种深度学习模型中分别进行求解,并将结果与解析热声模型结果进行对比,发现XGBoost模型在预测LSG薄膜扬声器输出声压级时,预测值和测量值的相对误差不超过2%,其预测精度和稳定性比BP神经网络模型和解析热声模型都要好,展现出更加优异的准确性和适应性。该研究为预测多类特征传感器的非线性输出结果提供了一种高精度、高适应性的方案。

一种宽动态范围的在线式微波功率检测系统

设计了一种具有宽动态范围的在线式MEMS微波功率检测系统,建立了MEMS悬臂梁的等效模型,对MEMS悬臂梁结构进行了过载功率的理论研究,得到过载功率与梁尺寸的关系。并基于此关系设计了不同尺寸的MEMS梁,以提高系统的功率检测上限,从而提高在线式微波功率检测系统的动态范围。根据系统的结构参数,得到系统理论动态范围为0~8.41 W。建立了微波功率检测系统的仿真模型,s参数仿真结果表明,在8~12 GHz下,系统的回波损耗为-37.61 dB至-46.15 dB,插入损耗为-0.28 dB至-0.16 dB。系统在具有较宽动态范围的同时兼具良好的微波特性。该研究对基于MEMS梁的微波功率检测系统设计具有一定的参考价值。

镀有石墨烯薄膜的散热器散热性能及其模型的研究

为了探究石墨烯薄膜对散热器散热性能的影响,研究了石墨烯薄膜散热器的深度学习模型,采用BP神经网络算法求解石墨烯薄膜散热器散热性能。建立散热器仿真模型,研究发现影响石墨烯薄膜散热器性能的主要因素为功率器件输入功率和功率器件与散热器接触面的面积比,其中随着输入功率的增大和面积比的减小,散热性能变化更加明显。使用输入功率和面积比作为BP神经网络输入特征,功率器件表面温度作为输出特征,优化BP神经网络模型。发现当神经元个数为14个、隐藏层数量为4层时,该网络性能达到最优。代入预测集,最终预测精度可以达到99.8%以上,表明该BP神经网络算法可为选择合适的散热器提供很好的理论依据。并且通过实验发现,镀有石墨烯薄膜的散热器比未镀石墨烯薄膜的散热器的散热性能提升了4.12%。

电容式MEMS微波功率检测芯片悬臂梁负载模型的构建与应用

为了提升电容式微电子机械系统(MEMS)微波功率检测芯片的性能,针对典型的单悬臂梁结构,建立悬臂梁负载模型。根据有限元仿真验证结果,等效受力位置设置在悬臂梁与信号线交叠电容内侧边缘时,悬臂梁形变情况拟合度最高,相对误差仅11.42%。利用该模型分析了电容式MEMS微波功率检测芯片的过载功率、灵敏度以及温度特性等。实验结果表明,检测芯片在X波段范围内的回波损耗均小于-10 dB;在输入信号频率为10 GHz条件下,检测芯片的灵敏度为62.54 fF/W,而悬臂梁负载模型的灵敏度预测值为51.91 fF/W,与测试值相对误差仅为17.01%。因此,该理论模型对电容式MEMS悬臂梁微波功率检测芯片的设计具有一定的研究价值。

项目式教学在电工电子实践教学中的应用

针对南京邮电大学电工电子实验教学存在的问题,课程教学研究小组以学生为中心的教学思路融入项目式教学,将实验内容系统化、实验任务项目化、电路设计渐进化的方法设计,并实施了项目式教学方案。为培养学生实验工程设计能力、启发学生的自主创新性思维,最终有效提升电工电子实验课程教学质量,为新工科背景下电工电子实验课程教学改革提供实践范例。

双通道MEMS微波功率传感器的悬臂梁设计

为实现热电式MEMS微波功率传感器与电容式MEMS微波功率传感器的兼容,得到一种性能优良的双通道MEMS微波功率传感器,需要对MEMS悬臂梁的匹配特性进行分析与设计。根据MEMS悬臂梁的一维集中参数模型,分析了MEMS悬臂梁的吸合电压,研究了MEMS悬臂梁的位移与电容的变化关系以及MEMS悬臂梁的谐振频率,得到了MEMS悬臂梁的匹配特性与MEMS悬臂梁高度的变化关系。实验结果表明,当MEMS悬臂梁的高度设计为10μm时,MEMS悬臂梁的谐振频率为16.13kHz,在8-12GHz频率范围内,回波损耗均小于-19dB。

硫酸钙晶须改性聚氨酯环氧树脂的粘接性能

使用硫酸钙晶须对聚氨酯环氧树脂进行改性,研究改性前后、改性条件、晶须长度及晶须加入量对聚氨酯环氧树脂粘接性能的影响,并分析了晶须对聚氨酯环氧树脂的改性机制。实验结果表明,晶须对聚氨酯环氧树脂的改性机制为裂纹在晶须/基体界面处发生偏转,从而阻碍了裂纹的扩展。当使用长度较短、经有机化处理后的晶须对聚氨酯环氧树脂进行改性时,可使改性后的聚氨酯环氧树脂对LY12铝合金的粘结强度得到较大提高,其室温剥离强度提高27%,100℃及-70℃剪切强度分别提高了39%和10%,晶须对聚氨酯环氧树脂高温性能的改善尤为明显。

东濮凹陷文卫古地区油气成藏主控因素分析

文卫古地区是东濮凹陷主要的油气富集区,油气主体来源于濮卫洼陷、马寨洼陷及观城洼陷,有利的构造背景控制油气的分布格局,两大断裂系统控制油气的运移与聚集,东倾断裂活动结束晚,主要起油气断裂疏导作用,西倾断裂活动结束早,主要起油气封堵作用。沙三中亚段盐岩影响本区油气纵向分布。文明寨、卫城主体背斜构造油气富集,翼部发育系列西倾小断层,控制油气高点富集。断阶带内受西倾断层遮挡,油气聚集于反向屋脊式圈闭,形成断块油气藏。环洼带内含油层位单一,丰度低。

《电路分析基础》教学中一阶电路分析方法的探索

一阶电路的分析方法是《电路分析基础》课程中的重点和难点。本文通过介绍一阶电路的分析方法:三要素法,揭示了一阶电路分析方法对该课程学习的重要性,并详细阐述了三要素法具体的求解步骤。通过培养学生养成画等效电路图的习惯,提高学生的分析、解决问题的能力,激发学生的学习兴趣,改善电路分析基础的教学质量。

以解决复杂工程问题为导向的课程体系设计研究与探索

为了改善日常教学过程中重视理论及分数而忽视学生动手实践能力培养的问题,提出以解决复杂工程问题为导向的课程体系设计思路,培养学生发现问题、提出问题和解决问题的能力。设计了“三层次”的课程体系,并以LTE网络部署与优化课程为例阐述复杂工程问题在课程体系设计中的体现,同时明确提出了课程体系设计要求。该研究对高校及教师开展相关教学改革具有一定的指导意义。

《微电子学导论》“过程化管理”方法的研究

《微电子学导论》课程是微电子专业学生本科阶段接触的第一门专业课程。本文通过研究《微电子学导论》"过程化管理"的方法 ,使学生具备自主学习的能力和习惯,自己掌控学习。充分利用网络的在线互动,增加学生学习中的时效性。真正培养学生的良好的生活习惯和学习态度。通过本项目的实施,有利于培养具有全面高素质的微电子本科毕业生,为我国的微电子专业的发展培养合格人才。本项目提出的课程建设思路,也适用于其它专业的课程建设,具有一定的推广价值。