石墨烯柔性压阻传感器微织构压缩应变机制

为满足智能机器人、电子皮肤等领域对柔性传感器高灵敏度日益增加的需求,通过设计高表面积形貌以制备石墨烯凸台微织构柔性传感器,并对比分析有无微织构传感器的灵敏度;基于结构力学方程与静电方程,建立微织构柔性传感器模型,开展了电场作用不同基底厚度以及微织构间距下柔性传感器微织构应变的数值模拟,研究柔性压阻传感器微织构压缩应变机制,探寻机械载荷和电载荷的交互作用关系。结果表明,柔性基底的微织构化处理能有效提高柔性压阻传感器的灵敏度。模型总位移的最大值随基底厚度的增加呈非线性增加,微织构应变随着厚度的增加而减小。电场作用下微织构应变受机电耦合压力叠加的影响均大于无电场作用。框状微织构类似于悬臂梁,作用在微织构上的力矩随间距增加而增大,同时刚度减小,微织构的压缩形变增加,应变增大。组合尺寸微织构的应变随着微织构间距的增加而增大,制备多尺寸微结构传感器可使用(150+350)μm的组合尺寸,能够有效增加接触面积提高传感器灵敏度。机械载荷和电载荷的耦合作用,组合尺寸对力矩与刚度的分配有效增加了基底的应变,提高了柔性传感器的灵敏度。

绝对式纳米时栅传感器栅尺污染误差分析与抑制方法研究

针对服役状态下油污降低位移传感器精度和可靠性的问题,本文基于绝对式纳米时栅传感器,开展了栅尺油污污染误差分析与抑制方法研究。首先阐述了绝对式纳米时栅传感器测量原理;其次建立了栅尺油污污染的数学理论模型和电场仿真模型。通过理论和仿真分析表明:均匀油污污染对传感器没有影响,非均匀油污污染主要引入一次谐波误差,并且误差随着污染油污的厚度和宽度的增加而增加;最后搭建实验平台验证了以上理论分析的正确性。同时提出差动结构,有效抑制了一次谐波误差,提高了传感器抗污能力。研究油污造成的误差影响对提高传感器环境适应性有重要意义,同时也为提高传感器长期可靠性和增强环境适应性提供了理论基础。

低轴间耦合的三维电场传感器

使用正交排列的电容式传感单元的三维电场传感器(Three-dimensional electric field sensor,3D EFS)测量空间电场时,轴间耦合效应会严重影响EFS的测量精度。为此,提出了一种电场屏蔽电极,以降低3D EFS的轴间耦合效应,提高测量精度。首先,利用多物理场仿真软件构建电场分布模型。其次,根据仿真结果建立带屏蔽电极的3D EFS电容式传感单元的屏蔽电极模型。最后,建立任意角度的测试平台,将带有屏蔽电极的3D EFS和无屏蔽电极的3D EFS进行实验对比。结果显示,有屏蔽电极的3D EFS的测量偏差在3.2%以内,比无屏蔽电极的3D EFS的测量偏差减少12%。因此,所设计的基于电场屏蔽结构的3D EFS可以使解耦矩阵更加可靠,有效降低空间电场测量偏差。

面向架空输电线路的防外破装置设计

针对传统防外破技术抗干扰能力弱、适配性低、报警效果差以及平板电容型传感器对称结构中存在的边缘效应问题,研制一种适用于多组态与多电压等级架空输电线路的防外破装置。首先,分析感应电压与场强关系,进行等位环结构改进并完成PCB设计制作,利用Ansys Maxwell搭建多组态与多电压等级架空输电线路仿真模型,为报警阈值设定提供理论依据;其次,完成防外破装置的硬件与软件设计,实现不同线路情况下的电压档位选择、电场信号采集处理以及声光报警等功能;最后,搭建10 kV模拟架空输电线路高压实验环境并进行现场验证,测试分析装置的工作性能。结果表明,所设计的防外破装置感应电压测量平均相对误差在3%以内,与测试电压线性相关系数R=0.9997,其变化规律符合电场分布规律;现场报警成功率为100%,装置稳定可靠、兼顾精准性与线性度要求。

金属功函数波动效应快速预测方法及验证

金属功函数波动作为器件制造过程中的主要工艺波动源之一,其波动变化对器件电学特性有极大的影响。本文提出一种简便、快速预测半导体场效应管金属功函数波动效应的方法,并将其与商业软件中计算功函数波动的统计阻抗场法进行对比分析。参考IBM公司发布的14 nm SOI FinFET结构建立FinFET器件仿真模型并与实验数据对比验证后,引入金属功函数波动,分别用统计阻抗场法与本文提出的快速预测方法计算得到对应随机波动下模型的阈值电压V_(th)、关断电流I_(off)、工作电流I_(on)等电学特性参数的随机分布及这些参数结果的期望值、标准差、极差等统计参数,通过两者结果对比验证了快速预测方法的准确性。

基于电场传感器阵列的输电线路电压非接触式测量方法

电压作为表征线路运行状态的重要参量,实现其灵活准确的测量对保证电力系统稳定运行至关重要。传统的接触式电压测量方法,因电压互感器体积较大、会产生电磁谐振和高频振荡、额外测量需断电安装等问题,对于海量化测量并不便利。相比较而言,非接触式测量不接触导线,更加安全和便捷,将成为未来电压测量的发展方向。文中提出了基于电场传感器阵列的输电线路电压非接触式测量方法,该方法为了解决导线位置信息未知的问题,设计了与导线方向垂直排列的电场传感器阵列;求解了含导线未知信息量的方程组;构建了比例系数矩阵,反推出导线电压瞬时值;分析了电场传感器对测量的影响;最后,进行了10 kV电压等级电压瞬时值仿真验证,结果显示最大测量误差为2.219%。

基于有源匹配技术的EMC测试天线设计与实现

针对低频段无源小型化EMC(Electromagnetic Compatibility)测试天线多为电小天线导致的天线系数高以及测试灵敏度低的问题,文中基于有源匹配技术分别对加载负阻变换电路和场效应管高阻输入电路的电小天线进行仿真分析。结果表明,场效应管高阻输入电路在降低天线系数和电路稳定性方面均优于负阻变换电路,有助于EMC测试天线的小型化设计和实现。加载场效应管高阻输入匹配电路的小型化EMC测试天线的测试结果表明,在2~30 MHz频带内,与未加载场效应管高阻输入匹配电路的EMC测试天线相比,该天线系数改善可达22~46 dB。

电容层析成像系统径向电极对传感器性能及敏感场分布的影响

电容层析成像系统传感器的敏感场分布受多相流介质分布的影响,软场特性给图像重建带来很大困难。该文以8电极油水两相流电容层析成像为研究对象,采用有限元仿真的方法,分析了径向电极及其嵌入尺寸对电容层析成像系统电容值及敏感场分布的影响。通过仿真分析,确定了径向电极的嵌入尺寸,从而能够在缩小测量电容值的动态变化范围,减轻数据采集电路设计难度的同时,提高电容响应的灵敏度,改善传感器敏感场的分布,提高电容层析成像系统的性能。

微型化光纤传输电磁脉冲传感器研究

研制了一套用于小空间电磁脉冲测试的光纤传输电磁脉冲电场传感器。通过电磁仿真软件CST2011,研究了天线结构对被测场影响,并讨论了天线结构、负载阻抗与响应带宽和灵敏度之间的关系,确定了主要设计参数。研制的微型化传感器采用屏蔽结构与偶极子天线的一体化设计,有效减小了天线与电光转换部分的体积和对被测场的扰动,适用于核电磁脉冲和雷电电磁脉冲的测量。传感器采用对称结构,满足自由空间场测量的需要,为电磁脉冲测量和电磁脉冲场标准装置的校准提供了新的手段。

雷电冲击下棒-板间隙空间电场的测量

长空气间隙放电特性是特高压输电技术的重要研究内容,电场测量作为其重要研究手段,是近年来的研究热点之一。为此,建立了以高场强光电集成电场传感器为核心的空间电场测量系统。利用平板电极对电场测量系统进行校准,获得系统的输入输出特性;通过时域波形对比,证明测量系统具有良好的动态响应特性。利用该系统对1m棒-板间隙在正极性雷电冲击电压作用下的空间电场进行定量测量,得到了空间电场的时域波形。采用模拟电荷法,对试验条件下的电场幅值进行计算,实测值与理论计算结果比较相符,其最大误差<5%,证明该空间电场测量系统完全可以用于空气间隙放电电场的定量测量,为长空气间隙放电提供了重要的研究手段。

球形光纤传输三维电场传感器

研制了一套用于小空间电磁脉冲测试的光纤传输电磁脉冲三维电场传感器。通过电磁仿真软件CST2011,研究了天线结构对被测场的影响,发现嵌入式探头与球形结构可以有效减小屏蔽壳体对电场扰动。讨论了传感器极间耦合及三维场合成误差,确定了主要设计参数。研制的三维传感器采用了屏蔽结构与偶极子天线的一体化设计,对外部电场屏蔽可达60dB。在有界波电磁脉冲模拟器中的实验表明,传感器系统对于三维电场测量可达到设计要求,对被测电场扰动较小,极间耦合系数小于6%,三维场角度与峰值合成误差小于5%。传感器采用对称结构,满足自由空间场测量的需要。

用场分析法求解速调管输出回路特性参数

为解决速调管输出回路特性参数计算时遇到的困难,结合场分析的手段和3维电磁场模拟计算软件ISFEL3D后处理部分,提出了场分析法。理论分析表明,场分析法可用于计算单注单间隙、多注单间隙、单注多间隙和多注多间隙等各种速调管输出回路的谐振频率、间隙阻抗实部和外观品质因数等特性参数。通过对单注单间隙速调管输出回路的举例计算表明,场分析法的计算结果与反射相位法和等效间隙阻抗法的计算结果吻合较好,初步证实了该方法的可操作性和理论推导的正确性。

有源电光调制式高功率瞬态电场传感器的研制

瞬态电场防护及应用技术的研究离不开瞬态电场测试系统;文中基于有源电光调制法,研制了一种高功率瞬态电场传感器;通过建立该传感器的等效电路模型,并借助CST仿真建模,分别从频域和时域角度分析了传感器的接收特性,并得到了一致的结果;最后利用脉冲噪声模拟器和吉赫兹横电磁波小室对研制的传感器性能进行了测试;结果表明:接收天线为单极子天线,天线负载采用高阻时响应电压与被测电场场强成正比;研制的传感器带宽为10kHz～314MHz,可用于纳秒级高功率瞬态电场的时域测试。

分瓣式电容角位移传感器的优化设计

基于三维电场有限元分析方法 ,实现分瓣式电容角位移传感器的仿真研究 ,并对其结构参数进行优化设计 。

高功率瞬态电场传感器的设计与分析

高功率瞬态电场的测试是电磁环境效应评估与防护研究领域的难点。笔者基于有源电光调制法,设计了一种高功率瞬态电场传感器。通过建立简化的等效电路模型,并借助CST微波工作室对该传感器的结构建模仿真,分别从频域和时域分析了接收天线负载对传感器接收特性的影响,并得到了一致的结果。结果表明:接收天线采用单极子天线,负载采用低阻时响应信号为被测电场的微分信号,采用高阻时响应电压与被测电场场强成正比,通过改变负载电容取值可以控制传感器量程。

土壤剖面水分传感器的边缘电磁场分析

为了提高基于驻波比原理(Standing Wave Ratio,SWR)的土壤剖面水分传感器非接触式测量精度及传感器在田间土壤水分测量中的实用性,该研究基于电磁仿真软件和印刷电路板工艺设计了一种基于边缘电磁场理论的小型定向测量探头,并进行了探头阻抗变换电路的设计,最后借助矢量网络分析仪探究了探头阻抗与介质、电导率的关系。在论证检测原理有效性的基础上,首先采用High Frequency Structure Simulator电磁场仿真验证探头结构的合理性。并配置不同介电常数的介质溶液进行试验,确定了剖面土壤水分传感器的阻抗特性及测量范围。同时,为了分析土壤电导率对测量结果的影响,配置不同水分、电导率梯度的土壤样本,利用矢量网络分析仪分析了探头阻抗与水分及电导率的关系。结果表明,在土壤含水率3%~56%、土壤电导率0~6 300μS/cm时,测量最大绝对误差6.33%。与ET-5、5TE两种商用传感器受土壤电导率影响精度性能进行对比,传感器在非盐碱土壤(电导率在0~6 300μS/cm内)土壤体积含水率相对误差相比其他两款传感器减少了0.17~5.27个百分点,受电导率影响在非盐碱土壤测量时更小,基本满足非盐碱地土壤田间实际检测需求。研究成果可为土壤剖面水分测量提供理论基础与技术参考。

阻抗传感器电场分布的仿真及实验研究

文章介绍了利用ANSYS和MATLAB软件对应用于油水两相流含水率测量的阻抗传感器电场分布的仿真结果。对阻抗传感器电场仿真的可靠性进行了实验研究,通过实验证明了电场仿真的正确性。利用软件进行电场分布的仿真研究对于合理设计阻抗传感器的结构具有很好的指导意义。通过软件对电场分布进行仿真研究相对于利用实验装置模拟电场分布的优点是可以避免大量繁重的实验,缩短研发周期。

电容层析成像中场域的一种新剖分方法

电容层析成像传感器的敏感场受多相流介质分布的影响 ,即软场特性为图像重建带来很大困难。为了提高重建图像质量 ,对敏感场分布进行分析是非常必要的。采用有限元法 ,通过对敏感场场域采用两种不同剖分形式的比较 ,提出一种新的场域剖分形式 ,对敏感场分布进行计算机仿真。实验证明有限元模型是正确的 ,说明利用不等间距的剖分形式可以得到较好的仿真结果 ,具有较高的精度。

基于COMSOL Multiphysics的静电纺丝电场分析

针对静电纺丝过程难以控制这一问题,应用COMSOL Multiphysics软件,采用矢量图、等高线图等方法描述电场的分布,对多种条件下静电纺丝中纺丝装置的电场进行仿真,并预测轨迹的分布,包括普通的静电纺丝、以及增加平板形、环形等不同形状辅助电极的情况.计算与分析结果表明,辅助电极的加入对电场的分布产生了较大的影响.最后,使用加入平行辅助电极的静电纺丝装置进行了纺丝实验,得到的椭圆形沉积图案与相应的仿真结果一致.

基于MEMS电场传感器的直流验电器系统设计

为了对高压直流输电(HVDC)的传输线进行可靠的带电状态检验,提出并设计了一种基于微机电系统(MEMS)电场传感器的非接触式直流验电器系统。MEMS电场传感器用于测量DC电场。为了实现对电场信号的采集和处理,设计了以32位嵌入式微处理器为核心的非接触式直流验电器系统。通过声光预警模块实现有电提醒,简化验电作业的操作复杂性。该系统的应用可以准确检测直流输电线路的带电状态信息,并在检测到输电线路带电时及时报警,具有操作简单,抗干扰能力强,电池寿命长达23 h的特点。