光电微系统技术综述

如今,信息技术发展日新月异,发展高性能、高集成度的微系统集成电路是一个具有先导性的方向。其中,光电微系统是微系统的一个重要分支。首先,介绍了光电微系统的国内外发展概况;其次,阐述了其应用领域、技术特点和未来前景等,对于光电微系统技术的知识普及和发展有一定的意义。

光电微系统技术发展综述

光电微系统具有探测精度高、处理速度快、传输通量大等优势,在信息传输、目标探测和光子处理等方面具有广泛应用。本文综合国内外光电微系统产品和技术现状,重点从信息传输、目标探测和光子处理三个方面展开叙述,讨论了激光器、调制器、波导等光电器件,并对三维集成技术和光电微系统平台进行简介。简述了国内外有关光电微系统的发展计划,提出了国内发展独立的微系统平台和相关技术的迫切性和必要性。

微热光电系统燃烧室内截面突变对燃烧的影响

微燃烧室是微热光电(MTPV)系统的重要组成部分。微燃烧室的外表面必须产生一个高而均匀的温度分布,以尽可能高地输出辐射能。通过对截面突变的微燃烧室的试验研究,得到了不同氢氧混合气流量、氢氧体积混合比下燃烧室内的燃烧状况,壁面和出口端面的温度分布。试验结果表明:采用截面突变的燃烧室能很好地控制火焰中心位置,获得稳定的外壁面温度分布规律,可以在截面突变处产生涡流,增强氢气和氧气的混合。

微热光电系统带环形翅片燃烧室的数值模拟

最大化提高微燃烧室的燃烧效率对于微热光电系统是非常关键的。建立了微燃烧室内的流动、传热和燃烧模型并进行了数值模拟。利用试验结果验证了模型的可靠性。在此基础上,模拟了带有环形翅片燃烧室的情况,表明环形翅片能增强微燃烧室内混合气体的湍流扰动,改善燃烧状况,有效地提高燃烧效率。

微热光电系统中柱型燃烧室的试验

微燃烧室是微热光电(MTPV)系统的一个重要组成部分。对一种薄壁柱型微燃烧室进行了试验,得到了氢氧混合比ε和喷嘴孔径Φ对微燃烧室外壁面和出口端面温度分布影响的规律。在不同流量、不同喷嘴孔径下,当ε为1.8时,获得的壁面温度平均值最高。当Φ为0.7mm、ε为1.8时,在微燃烧室获得高且分布均匀的壁面温度,适合于MTPV系统应用。

微热光电系统中的微燃烧研究

描述了一种新颖的 MEMS动力源概念 ,即微热光电 ( TPV)系统。该系统将使用氢气作为燃料 ,每立方厘米体积能够发出 1～ 1 0 W的电力。微燃烧室是该系统中最重要的元件之一 ,为了获得较高的电能输出 ,燃烧室壁面的温度分布要求高而且均匀。由于微燃烧室面容比大 ,热损失显著增加 ;着火困难并使火焰窒熄。为了测试微燃烧室内燃烧的可行性和确定影响燃烧的有关因素 ,进行了实验和数值模拟。结果表明燃烧室壁面能够得到要求的高温 ,且温度分布均匀。

微热光电系统燃烧器的研究

介绍了一种新颖的微动力机电系统, 即微热光电系统。该系统可以取代电池作为各种微型机械的动力,广泛应用于民用与军工部门。微燃烧器是微热光电系统的一个重要元件, 其外表面必须产生一个高而均匀的温度分布,以尽可能高地输出辐射能。结合三维数值模拟与实验对微燃烧室进行了研究。研究结果表明,带有台阶的微火焰管燃烧室非常适合于微热光电系统的应用。

微热光电系统燃烧的若干影响因素的试验研究

微热光电(MPTV)系统是一种新型微动力机电系统。通过试验研究,分析阐述了不同氢氧混合气流量、氢氧混合比等因素对MTPV燃烧器内的燃烧状况、管壁以及出口端面的温度分布的影响。试验证明,氢氧混合气在微型燃烧器内易实现稳定燃烧。当流量为2.167×10-5m3/s、混合比为2:1时,微型燃烧器的壁面温度可以达到1 300K左右。

光电测微系统中的聚焦伺服控制

介绍了光电测微系统的基本原理及其构成,分析了该系统的关键环节即聚焦伺服系统,建立了音圈电机的数学模型。在此基础上,详细介绍了采用PID校正网络提高系统的稳定性和响应速度的方法,并用Matlab进行仿真,仿真效果令人满意。

微热光电系统燃烧室内突扩台加工位置的选择

通过实验找出微热光电系统燃烧室在最优影响因素下的各测温点的温度值,用灰色系统理论对其建立灰色预测模型,预测最高温度值所处位置。由普朗克定律可知:温度值的高位变动对辐射力产生的影响要比低位变动大。突扩台加工位置从壁面温度的最高点处开始,既增加了微热光电系统燃烧室外壁面最大温度值,又减缓了壁面温度的最大值到出口处的温度分布,对提高微型热光电系统的热电转化效率有显著作用。

微热光电系统带双环形翅片燃烧室的数值模拟

由于能量密度的极大优势,应用燃烧释放碳氢燃料的化学能并转化为电能或者机械能的微动力系统有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。微热光电系统是其中的一种,而微燃烧室是该系统的核心部件。在实验验证的基础上,对带有双环形翅片燃烧室内的燃烧过程进行了数值模拟。结果表明,双环形翅片能增强微燃烧室内混合气体的湍流扰动,改善燃烧状况,有效地提高燃烧效率。

微热光电系统中多孔介质燃烧室性能试验

为优化燃烧室,设计加工了内径2.4 mm、外径3.0 mm的多种不同孔隙率的多孔介质结构微燃烧室,并在燃烧室内实现了氢氧混合气的稳定燃烧。改变氢氧体积混合比和混合气入口流量,对多孔介质微燃烧室进行了相关试验,分析了各种条件下微燃烧室的燃烧情况及外壁面的温度分布。研究结果表明,这些因素对混合气在微燃烧室内的燃烧有重要影响。多孔介质燃烧室在孔隙率为0.50,混合气入口流量为750 cm3/min,氢氧体积混合比为2∶1时燃烧效果较好,外壁面温度高且分布均匀,适合微热光电系统的应用。

多孔介质对微热光电系统燃烧室性能的影响

微燃烧室获得高且均匀的壁面温度分布对于微热光电系统是非常有利的.将多孔介质引入微燃烧室中进行燃烧试验,得到了有无多孔介质两种情况下不同混合气流量、不同氢氧体积比的燃烧状况及壁面温度分布.多孔介质具有较强的吸热及蓄热能力,能有效地改善传热过程,改变壁面温度分布.对于特定的燃烧室,当氢氧体积比为1.5∶1、混合气流量为1.83×10-5m3/s时,所得到的壁面温度分布基本满足微热光电系统的要求.

燃烧室结构对微热光电系统能量转换的影响分析

针对微热光电系统,设计了4种结构的平行板燃烧室,在考虑辐射表面温度分布的不均匀性和空间辐射角系数的前提下,构建了系统能量转换模型并编制了相应的计算程序。通过计算得出不同结构的平行板燃烧室对系统能量转换的影响,重点分析了喷口形状、多孔介质、催化剂的使用等条件改变时辐射外壁面的温度分布、辐射能光谱分布、各子环节效率和系统整体电能输出。结果表明:在微燃烧室中,多孔介质的填充、扩展型喷口的开设、催化剂的使用均能提高其外壁面的平均温度,同时也能改变温度分布特别是最高温度区域的位置,这也导致单色辐射力和有效辐射能均依次增加;基于3种改进结构燃烧室的系统在能量转换的各方面均优于采用圆形喷口直通道燃烧室的系统,其中扩展型喷口内部催化结构的燃烧室在相同燃料输入时能使系统整体效率提高56.6%,功率密度达到0.87W/cm3.

微热光电系统燃烧器辐射光谱分析及温度预测

通过实验,测量出SiC和Al2O3两种不同材质的微燃烧器在不同温度下的光谱辐射曲线。比较分析各影响因素不变时外壁面的辐射能谱。结果表明:GaSb电池高效接受光电子的波长范围内,Al2O3材质的微型燃烧器在其能够达到的温度范围对提高微型热光电系统的热电转化效率有更为明显的作用,而这个温度界限通过实验很难确定。根据自身"小样本,贫信息"的特点,采用灰色理论建立灰色预测模型并得出温度在1 418K内,Al2O3的Eλ0-1.7较SiC更高。

微热光电系统整体性能的试验研究

在设计和加工模块式微热光电系统关键部件的基础上,进行了系统的整体性能试验,包括流量、喷嘴形状和燃料对其性能的影响。试验结果表明:气体流量增加,燃烧室壁面温度升高,光电池的输出电量升高;相比圆形喷嘴,使用矩形喷嘴能改善预混合气在燃烧室内的分布,提高燃烧驻留时间,使燃烧更充分,增大光电池的电能输出;相同体积流量下,高热值的甲烷燃料比氢气燃料更能提高微热光电系统的性能。试验条件下较好的性能输出数据如下:当采用矩形喷嘴和甲烷燃料时,最大输出功率为0.319W,相应的能量密度达到166146W/m3;两种燃料最大整体效率都是在流量600mL.min-1时,且采用氢气燃料整体效率比甲烷的高,其最大效率为0.249%。

微热光电系统中光电池的述评

介绍了国内外微热光电(MTPV)系统中关键元件——光电池的性能及其主要参数(如,开路电压、短路电流密度、能量密度)。并对MTPV系统中主要的S i电池、量子井电池、GaSb和GaInAsSb做了详细的分析,以及电池本身温度变化对其性能的影响。根据MTPV系统中光电池的发展状况,提出了未来MTPV系统中光电池的发展方向。

MTPV系统中热光电能量转换的数值分析

为研究微热光电系统中辐射表面和光电池表面间的能量传输特性,构建了能量转换的物理数学模型。模型中辐射表面采用矩形结构的碳化硅片,光电池选择锑化镓,并考虑辐射表面温度分布的不均匀性和空间辐射角系数。通过改变辐射器表面温度分布、光电池温度以及两者之间的距离等参数,计算各种情况下的电池效率和功率密度,分析这些参数对它们的影响规律,得出如下结论:间距增大,可显著降低功率输出,但对电池效率影响不大,距离每增加1mm,电池效率仅减小0.24%;电池温度升高,电池效率和功率密度均呈现出线性关系逐渐递减;混合气流量从600mL/min提高至1800mL/min,功率密度可提高216.7mW/cm2。

微动力机电系统的发展动态与展望

在阐述微动力机电系统研究意义的基础上,对其在国内外的发展动态及趋势进行了回顾,重点介绍了双区燃烧微涡轮机、微型往复式电力发生器、微转子发动机以及作者研究的微热光电动力系统.这种新型的微热光电系统具有无运动部件、热量利用效率高、制造成本低等优点.最后论述了微机电动力系统研究中面临的主要挑战,并重点总结了需要解决的一些基础问题.

微TPV系统中多孔介质燃烧室的数值模拟

为优化燃烧室的设计,提高微热光电系统的整体效率和工作性能,建立了颗粒填充型多孔介质燃烧室.通过试验验证,应用Fluent软件对多孔介质结构的微燃烧室进行数值模拟,分析孔隙率、氢氧体积混合比和流量比等因素对燃烧室性能的影响.模拟结果表明,采用多孔介质结构可以改善燃烧室的燃烧性能,燃烧室在多孔介质孔隙率为0.52,氢氧体积混合比为2∶1,入口流量为200mL/min时燃烧效率较高,有利于微热光电系统稳定高效地工作.