高灵敏度SiC动态高温压力传感器仿真研究

为了提高碳化硅(SiC)动态高温压力传感器的灵敏度,采用p型SiC材料,同时对传感器的敏感单元的不同结构———方膜和圆膜,利用Ansys软件进行了静力学仿真与分析,并完成了敏感芯片的尺寸设计。仿真结果表明:优化后的传感器输出灵敏度为14.2μV/(V·kPa)。在100~600℃内非线性误差小于1.53%。动态仿真表明:传感器的固有频率为481kHz,传感器可以在160kHz高频环境中安全工作,该结果为进一步制备SiC高温压力传感器奠定了理论支撑。

基于MEMS技术的集成压力-湿度传感器

设计了一种高灵敏度的集成压力和湿度传感单元的芯片。压力传感单元基于SOI和蛇形电阻结构。室温下,传感器在载压范围为3~129 kPa内灵敏度为0.026 mV/kPa,与有限元仿真基本吻合。传感器在25~120℃范围内的热灵敏度漂移为0.004‰FS/℃,热零点漂移为0.25%FS/℃。湿度传感单元采用的叉指电极和电容式结构,引入含氟PI作湿度敏感膜。设计Mo电阻加热结构加快传感器降湿过程,缩短降湿时间近32%。在10%~90%RH的湿度范围,含氟PI湿度传感器的灵敏度为0.121 pF/%RH,略低于无氟PI器件。含氟基团的引入,使得传感器的湿滞较无氟PI降低16%。“电容-湿度”曲线呈指数分布,相关系数R^(2)=0.996。测试结果发现,湿度传感单元和压力传感单元拥有良好的独立工作性能。

基于Modbus/TCP的电容式扭矩传感器数据采集系统设计

扭矩传感器通常安装于机械设备的旋转关节处,用于扭矩的测量。电容式扭矩传感器需要配备专门的数据采集系统才能使用,且数据采集系统的性能直接影响传感器的精确测量。针对实验室自主研制的电容式扭矩传感器的应用需求,设计了一种基于Modbus/TCP协议的数据采集系统。系统以STM32为主控芯片,通过控制电容数字转换芯片AD7147实现电容信号采集与转换,然后由W5500以太网芯片将数据上传到自主开发的上位机软件中进行处理、显示与存储。实验测试表明:系统最大测量误差为1.47%,数据输出频率为1000 Hz。

基于磁性纳米粒子的比色适配体传感器检测赭曲霉毒素A

基于磁性纳米粒子(Fe_(3)O_(4)@Au)和纳米银(Ag NPs),通过DNA碱基互补配对,构建了一种新颖的比率比色传感器用于赭曲霉毒素A(Ochratoxin A,OTA)的检测。OTA适配体(aptamer)偶联的Fe_(3)O_(4)@Au作为参比信号,互补DNA(cDNA)偶联的Ag NPs作为响应信号,通过调控两者的比例以及DNA碱基互补,制备了具有两个紫外吸收峰的比率纳米探针(Fe_(3)O_(4)@Au-Ag)。没有OTA存在时,比率比色传感器的吸光度比值(A400/A580)保持恒定。对检测条件(时间、pH和温度)进行了优化,在优化条件下,该传感器对OTA检测呈现良好的线性关系,线性范围为0.01~1000 ng·mL^(-1),检出限为0.033 ng·mL^(-1)。该传感器具有良好的选择性、重现性和高灵敏度,并被成功应用于豌豆粉中OTA的检测,回收率为93.9%~96.0%。

用于运动状态监测的纸基柔性摩擦电传感器

为解决柔性摩擦电传感器制备流程复杂、成本高、不够环保等问题,设计了一种基于纸基导电银浆的低成本柔性摩擦电传感器。当外部压力由5 N增大至50 N时,其输出电压和输出电流逐渐增大,在频率为1 Hz、幅值为50 N的外部压力作用下,输出电压的峰值约为7.52 V。当外部压强在17~173 kPa的范围内变化时,输出电压峰值与压强呈分段线性关系。当外部压力的频率变化时,输出电压保持不变。结果表明,该传感器压力传感性能良好。当应用于运动传感中时,该传感器能够感知肘关节、腕关节的弯曲角度,并能有效区分走、快走、跑3种运动类型以及踮脚、深蹲、抱腹跳3种健身动作,计算人体行走频率与健身动作次数,在人体运动状态监测等领域具有良好的应用价值。

考虑锚节点位置不确定的水下目标定位算法研究

考虑时钟异步和声波分层效应的影响,该文研究了当测量过程受到未知噪声干扰,且锚节点位置不确定时水下目标节点的定位问题。首先构造了水下节点间飞行时间模型,设计了一种交互式异步通信协议,建立了最小化定位误差的优化目标函数。然后提出了一种基于深度强化学习的水下目标定位算法,并采用层归一化来改进深度神经网络,进一步提高模型的泛化能力。最后,仿真和实验结果验证所提方法的有效性。

CMC/PAM/LiCl复合离子导电水凝胶及传感性能

柔性力敏传感器能够将外界的机械刺激转换为相应的电信号,在可穿戴电子设备、电子皮肤、智能机器人等领域得到了广泛的应用。为满足以上应用需求,材料需要具有可变形、拉伸、回弹、导电等性能、较高的灵敏度及较好的重现性。因此,基于双网络结构,以羧甲基纤维素(CMC)与聚丙烯酰胺(PAM)为原料,设计并制备了一种离子水凝胶,并且,探究了交联剂及无机盐含量对水凝胶力学性能及导电性能的影响。结果表明,二者之间的内在相互作用赋予了水凝胶较好的力学强度(150 kPa)及拉伸/回弹性(可压缩/拉伸循环1 000次以上),同时具有较高的透明度,其值为69.1%。将其用作组装压力传感器,具有较高的灵敏度(S=7.13 kPa-1)及较好的重现性(1 000次);将其用作组装应变传感,其仍可以表现出及时的响应(50/60 ms)及较好的稳定性(1 000次)。因此,水凝胶有望应用于人体及智能机器人的活动监测及人机界面等领域。

面向未来的中国智慧林业:观测仪器体系的演进与发展趋势

森林观测信息的生产是支持智慧林业工作开展的基础和先导。本文以森林观测仪器技术体系的构建历史、现状和未来为切入点,以基础性公共技术的发展脉络为支撑,深入分析森林观测仪器与森林观测需求的耦合程度。传统森林观测仪器体系在时效性和准确性上已经无法满足日益发展的林业调查的需要,观测仪器存在孤立性高、难以集成、操作繁琐、效率低等问题。这主要是由于当前针对森林观测研究偏重对成熟仪器使用和数据分析,观测仪器的研发偏重算法补偿和集成第三方元件,轻物理结构设计等因素造成。面对基本测量原理鲜有更新、森林观测标准制定滞后于新型技术发展等问题,本文从对观测仪器现在和未来的联合模式进行阐述,从逻辑架构到物理技术层面上分析森林观测仪器联合模式可能在未来出现的发展状况与应用前景。最后,基于当前基础性技术发展的趋势,对可能出现的几种新形态的森林观测仪器进行推测,并以此展望在近未来可能在中国实现的一种智能森林观测体系的雏形。

基于倾角反演的隧道断面变形全方位监测方法

倾角传感器具有体积小、使用方便、测量连续等优点,在隧道变形监测领域有着巨大应用潜力,然而,现有基于倾角传感器的监测方法往往只能得到特定监测点的变形,在测量隧道断面整体变形方面还存在明显不足。为此,提出一种新的基于监测点倾角的隧道断面变形全方位监测方法。基于隧道断面曲线的形状特征,构造隧道分段变形插值函数,根据极坐标下隧道倾角与极径的关系,采用分段解析方法提出隧道倾角-变形数学模型,进一步通过协同变形假定,修正隧道测点极角,得到隧道倾角-变形算法;接着,建立隧道三维数值模型,通过均布荷载、对称非均布荷载和非对称荷载3种典型工况,采用误差分析方法分别研究算法的适用性;最后,通过室内试验进一步验证算法在实际应用中的准确性。研究结果表明:对于铁路隧道典型三心圆断面,推导的倾角-变形算法在均布荷载、对称非均布荷载和非对称荷载这3种典型工况下均具有良好的适应性,变形最大绝对误差均小于1 mm,平均相对误差均小于7%;在室内模型试验中,拱顶沉降监测误差小于8%,水平收敛监测误差小于5%,证明了监测方法的准确性。

道路平整度检测多源数据高精度同步采集

随着使用年限增加,道路出现了不平整等路面损坏情况,急需一种快速、有效的道路平整度检测设备对道路进行检测。设计了一种道路平整度检测多传感器数据同步采集系统,以FPGA为控制核心,利用GPS输出的NEMA数据和高稳晶振建立高精度的时间基准,采用A/D采样的方式进行同步数据采集。为提高系统的抗干扰能力和数据采样的精度,传感器信号调理电路采用差分放大和抗混叠滤波设计。实验结果表明,该系统完成了多传感器数据高精度同步采集,时间同步精度为微秒级,能够为评价路面平整度提供高精度原始数据,具有数据采样精度高、稳定性好、抗干扰能力强、成本低等优点,已在武汉夕睿光电技术有限公司的道路检测车上得到成功应用。

农业传感器:研究进展、挑战与展望

[目的/意义]农业传感器是数字农业、信息农业、智慧农业等现代农业发展模式的源头技术,也是推动农业科技迭代升级和农业生产方式变革的重要驱动力。农业传感器应用环境(水、气及土壤)和监测对象(动植物)多样复杂、规模大,因此,高环境适应性、高可靠性和低成本的农业传感器是实现智慧农业的基础与核心。[进展]本文对农业传感器进行分类,并对农业传感器前沿研究趋势进行分析,综述农业传感器在不同应用场景下的研究现状,从农业环境传感器(水、大气和土壤等)、动植物生命信息传感器、农产品质量安全传感器和农机传感器四大类进行深入分析,总结现有农业传感器在研发和使用过程中的通用性和局限性。[结论/展望]在农业传感器面临的挑战与展望中,具体分析了现阶段农业传感器大规模应用严重不足的核心瓶颈,包括低成本化、专用化、高稳定性及自适应,归纳出“农业泛在感知”的概念,为农业传感器技术研发提供思路和参考。

融合毫米波与激光雷达的障碍物检测与跟踪方法

在园区环境中,无人车装载单一毫米波雷达或激光雷达传感器进行障碍物检测跟踪时存在探测范围有限、准确率低及稳定性差等问题。为此,提出一种基于毫米波雷达与激光雷达融合的多障碍物检测跟踪方法。利用改进欧氏聚类算法对道路内激光点云目标进行提取,基于信息筛选策略获得毫米波雷达数据中的有效目标;基于目标检测交并比与可靠性分析,对2种目标进行自适应融合,并利用跟踪门与联合概率数据关联(JPDA)算法完成前后帧数据匹配;应用多运动模型交互与无迹卡尔曼滤波实现障碍物跟踪。实车实验表明:相比单一毫米波雷达与激光雷达障碍物检测跟踪,所提方法有更好的准确性与稳定性。

基于电介质超材料的中红外超窄带吸波器

电介质超材料因具有极低欧姆损耗受到广泛关注.提出一种基于电介质超材料的中红外超窄带吸波器,该吸波器由顶层电介质微结构、中间层电介质膜和基底金属构成.研究结果表明:该吸波器在中红外波段存在带宽为2.40nm的吸收峰;电场主要分布于顶层硅微结构之间的间隙,导致吸收损耗功率显著降低,进而实现吸收带宽压缩;作为传感器时,在中红外波段该吸波器的品质因数可达80.可见,该吸波器可应用于中红外热辐射光源和高性能传感器.

光纤光栅温度应力传感教学实验装置

针对目前市场上可直接用于光纤光栅传感实验教学的装置较少,前沿科研技术和本科实验教学相脱节现状,设计了基于光纤光栅的温度应力传感教学装置。该装置包括光纤激光器、光谱仪和上位机控制软件3部分。光纤激光器实现了1 550 nm左右的激光输出,利用光谱仪测量光纤光栅中心波长的改变,并采集数据输入计算机,上位机控制软件用于图形显示和数据存储等。该实验装置操作简单、组装灵活、重复性和稳定性好,可用于本科实验教学。将前沿科学技术引入本科实验教学,促进了科学研究与本科实验教学相融合,实现了科研教学水平的同步提高。

基于厨余废弃物的柔性摩擦电传感器设计

为提高厨房垃圾的再利用率并解决其带来的环境问题,设计了一种基于厨余废弃物的柔性摩擦电传感器。该传感器在外部压力从10 N增大至50 N时,输出电压和电流的幅值逐渐增加,在频率为1 Hz、幅值为50 N的外部压力下,输出电压的幅值约为2.2 V。当外部压强在15~85 kPa范围内变化时,输出电压幅值与压强呈线性关系。当外部压力的频率变化时,输出电流增大,输出电压幅值基本保持不变。结果表明,该传感器压力传感性能良好。当应用于运动传感中时,能够对指关节、肘关节、腕关节的弯曲反馈不同波形的输出电压信号,并能利用输出电压幅值反馈各关节弯曲程度。同时,能够区分慢走、竞走、跑步3种运动类型。该传感器为厨余垃圾的处理与再利用提出了一种新思路,在环保与人体运动状态监测等领域具有良好的应用价值。

基于激光传感器的机电一体化设备自动化控制系统

该文以提升机电一体化设备准确、快速控制为目标,设计基于激光传感器的机电一体化设备自动化控制系统。利用PC端发送机电一体化设备数据采集指令,采集当前设备实时运行数据后,将其发送到可编程逻辑控制器,对实时运行数据去噪预处理后,利用多目标设备协同控制方法,获得设备自动化控制指令,并利用得到的设备自动化控制指令控制机电一体化设备单片机执行动作,完成机电一体化设备自动化控制。实验结果表明,该系统具备较好的兼容性,采集机电一体化设备实时运行数据较为精准的同时,还可有效实现机电一体化设备自动化控制,控制灵敏度较好。

子午工程二期宽频地磁波监测仪研制

地球的磁层中存在各种波现象,其频率从mHz延伸到数千Hz.这些波的研究一直是空间物理学研究的核心问题.针对目前世界上地磁台站的波监测设备均为各自测量相对变化、缺乏统一标定、无法进行从高纬到低纬联合观测、无法进行多台设备观测数据的统一对比研究的现状,本文综合使用磁阻传感器(探测ULF频段:1 mHz~2 Hz)、巨磁感抗传感器(探测ELF频段:0.2 Hz~2 kHz)和线圈传感器(探测VLF频段:0.2 kHz~10 kHz)研制新一代的宽频地磁波监测仪,将这些监测仪放置在120°E子午链附近的黑龙江漠河站(高纬)、北京十三陵站(中纬)、海南乐东站(低纬)等典型区域的地磁台站上,并对各个台站的设备进行统一的时间、振幅和频率标定,结合FY-3E、SMILE等近地空间卫星数据,全面提升对地球磁层的各种波现象的探测能力.研制的宽频地磁波监测仪的性能测试实验表明,其具有对一定频率(1 mHz~10 kHz)的波的探测能力;其幅度探测范围为:±65000 nT(ULF频段)、±1000 nT(ELF频段)、±100 pT(VLF频段);在量程范围内又具有较低的非线性误差:ULF频段≤0.0446%、ELF频段≤0.51%、VLF频段≤1.18%;噪声水平也较低:RMS(方均根)噪声≤0.5554 nT(ULF频段)、NPS(功率谱)噪声≤0.028 nT/√Hz(ELF频段)、NPS(功率谱)噪声≤0.24 pT/√Hz(VLF频段).所有这些特点使得所提出的宽频地磁波监测仪能够满足子午工程二期的波探测需求.

临近空间星敏感器观星能力研究

临近空间飞行器对星敏感器需求日益增加,与空间应用环境相比,临近空间包含大气消光、天空背景光、高速、高温和高动态等影响星敏感器观星能力的新环境.对影响临近空间星敏感器观星能力的因素进行逐级分解,得出视场、灵敏度、星点信噪比和图像处理算法等因素对观星能力的影响机理,并针对信噪比与环境因素和设计因素的关系进行量化分析,在此基础上提出临近空间星敏感器整机参数设计方法.针对特定需求开展原理样机的设计与试验验证,试验数据验证了原理样机能够满足应用需求.

智能传感器在农业机械电气控制领域的应用与发展

智慧农业、智能农机已成为我国现阶段农业发展的主流趋势,农业智能传感监测技术是实现这一目标的核心技术。传感器作为一种监测感知特定物体状态信息的设备,其主要工作原理是将监测到的物理信息转换成为更易读取的数字信号或其他种类的电子信号,因其具有较高的反应速度、测量精度等特点,传感器已被广泛应用到众多领域。农业机械对于传感器技术的相关应用主要包括农用姿态监测传感器、视觉识别传感器和物料感知传感器等。该文通过分析研究智能传感器在农业机械电气控制的主要应用现状,阐述了国内外关于利用传感器技术进行农机作业状态监测、作物生长信息采集以及农机自动控制等研究的丰富成果,分析了智能传感器在农业机械应用过程中仍存在的部分问题,最后对智能传感器在农业机械电气控制领域的未来发展进行了详细的展望。

基于构造绝对值三角函数的光栅信号细分

为了进一步提高光栅传感器的测量精度,需要对信号进行细分,但光栅莫尔信号的细分精度取决于信号的质量。本文利用归一化并结合CORDIC的方法补偿了直流、幅值、相位等误差,利用补偿后的信号构造绝对值三角函数,实现一个完整周期信号的16倍细分,并通过MATLAB进行了仿真,验证了该方法的可行性。