基于Gige相机的激光告警图像传输系统研究

针对光栅衍射型激光告警系统对敌军来袭激光进行参数高精度实时计算的要求,论文采用Gige工业相机设计了一种激光告警图像数据高速传输系统。该数据高速传输系统Gnet网络接口将Gige相机采集到的图像数据经FPGA的USB接口电路传输至上位机;其次设计USB接口电路,将采集到的数据传输至上位机进行图像还原及数据存储;最后,通过C编写的上位机可视化界面对传输来的图像进行实时显示监控。经过验证,Gige相机的数据吞吐量为每秒75MB,且在上位机可以显示完整的光斑图像数据,以此说明该图像传输系统的可靠性及稳定性,并通过保存来的衍射光斑数据为后续的图像处理算法研究提供了理论基础。

卍字型无线高温高压传感器的设计与研究

论文介绍了一种利用硅碳氮(SiCN)材料制成的无线高温高压传感器。可以解决目前温度压力传感器所存在的量程狭窄、体积大、敏感度不足的问题。传感器由金属、硅碳氮基板和金属三层结构组成。结果显示,设计好的高温传感器可用于测量27℃~1 000℃范围内的温度,温度灵敏度约为0.77 GHz/°C,并可检测10 MPa~100 MPa的压力,压力灵敏度0.159 GHz/MPa。该传感器探测范围广泛,在航空发动机、工业生产、通信等领域提供技术支持。

谐振式微陀螺中通孔质量块阻尼建模研究

针对由于谐振式微陀螺阻尼现有计算模型的局限性,导致微陀螺性能设计指标与实测指标相差较大的难题,重点研究了微陀螺中通孔质量块水平振动时阻尼形成的机理,考虑了空气阻尼、热弹性阻尼及其耦合作用的影响,提出了通过确定修正系数的方法计算微陀螺通孔质量块阻尼的思路,建立了通孔质量块水平振动阻尼模型,并将其用于通孔微谐振器的阻尼计算.试验表明,利用新模型计算的通孔微谐振器水平振动阻尼与测试值的误差约为1.5%.

高速MEMS开关长时间实时监测系统设计

为了监测射频MEMS开关的工作状态,设计了一种基于FPGA复原波形计数技术的长时间工作状态监测系统。该系统由驱动和检测两部分构成:对于驱动电压比较高的MEMS芯片设计了可调的高压驱动电路,电压可调范围在40_(Vpp)~110_(Vpp)之间连续变化;通过高压驱动控制射频MEMS器件的通断,将通过的射频信号调理采集并通过阈值判定开关通断的有效性。该系统达到了实时监测射频MEMS开关工作状态的目的,另一方面,在长时间连续工作条件下,监测系统的计数功能可实现对开关寿命的测试。

射频MEMS开关寿命测试系统的设计与实现

针对射频MEMS开关寿命测试成本昂贵,测试连线复杂,且随着射频MEMS开关的尺寸不断缩小,传统测试效率低、测试任务只能在实验室进行等问题,本文设计并实现了一种小型且集成化的射频MEMS开关测试系统,组建了具备信号发生、波形实时监测、寿命计算、数据记录和测试报告打印等功能的射频MEMS开关测试系统,并用该系统对某款射频MEMS开关进行了初步测试评价。结果表明该系统较好的完成了射频MEMS开关的开关电压、开关时间和冷、热寿命的测试,能够满足射频MEMS开关的测试要求,证明了该测试系统的实用性和测试工作的准确性。

太赫兹石墨烯贴片式高温传感器的设计与研究

设计了一种太赫兹石墨烯贴片式高温传感器,可解决现有温度传感器测温量程小、尺寸较大和灵敏度较低的问题。该传感器由六边形石墨烯薄膜、氧化铝衬底和金三层结构组成。通过优化石墨烯结构尺寸、氧化铝衬底厚度,得到大量程、高灵敏度的太赫兹MEMS高温传感器的特征尺寸。结果表明:该温度传感器在3.0~5.0 THz频段内,测温范围可从25℃~1050℃,灵敏度为0.259 GHz/℃,整体体积为20μm×21μm×14.5μm。该传感器具有优异的传感性能和较大的测温量程,可为高温环境下的航空发动机、火箭发射系统、恶劣环境监测等系统的测温提供一种技术方法。

一种基于S型电磁超材料的高温温度传感器设计

针对目前超材料温度传感器存在的量程小且灵敏度较低的问题,设计了一种碳氮化硅基的S型超材料的高温传感器。通过CST电磁仿真软件对超材料温度传感器进行模拟仿真,在其他结构参数一定的情况下,对金属条的长度、宽度、厚度、条间隙及基板厚度等参数进行了设计与优化,确定了传感器结构的最佳尺寸,同时分析了传感器的谐振频率对温度的影响。结果表明,在28℃~1000℃下平均灵敏度可达5.674 MHz/℃。与之前报道的高温传感器相比,灵敏度提高了5倍,这种高灵敏度温度传感器可为航空发动机、武器装备等系统中的高温测试提供一种技术手段。

双层纳米光栅微位移检测仿真

针对现有光栅位移传感器分辨率和精度难以提高、体积较大的难题,设计了面内和离面位移检测的双层纳米级光栅结构。用严格耦合波理论分析了单层纳米光栅的衍射特性,通过Gsolver软件对面内和离面的双层纳米光栅结构进行模拟仿真。仿真结果表明:这2种双层纳米光栅结构的0级透射光和反射光的衍射效率随第二层纳米光栅结构的位移移动量周期性变化,通过探测纳米光栅的衍射效率来获得面内或者离面的位移移动量。

基于石墨烯超材料的太赫兹五频段折射率传感器

针对目前太赫兹折射率传感器波段单一且灵敏度低的问题,提出一种基于石墨烯超材料的五频段折射率传感器。通过CST电磁仿真软件对传感器结构进行模拟仿真,确定了可以同时提高吸收率和灵敏度的特征尺寸。与传统超材料折射率传感器相比,通过调整石墨烯层的化学势和弛豫时间即可实现石墨烯吸收体的可调谐性。仿真结果表明,该折射率传感器在频率为4.535、6.3681、8.253、10.395和11.321 THz时达到折射率吸收峰值,吸收率分别为92.2%、99.5%、99.9%、90%和99.1%,且5个波段中最高折射率灵敏度为436 GHz/RIU。与其他折射率传感器相比,该折射率传感器波段多且灵敏度高,具有良好的传感性能,可应用于光学检测、医学成像、生物传感等领域。

纳米光栅微陀螺噪声分辨率分析

针对现有的微机械陀螺噪声分辨率难以降低的问题,设计了一种基于纳米光栅检测的微陀螺,阐述了纳米光栅微陀螺的工作原理,分析了微陀螺的动力学方程,设计了微陀螺结构,该微陀螺结构灵敏度达到21.27nm/°/s.设计了应用于微陀螺的纳米光栅结构,其衍射灵敏度为0.001 75mW/nm.在SIMULINK中对纳米光栅微陀螺的灵敏度进行了仿真,纳米光栅微陀螺灵敏度为37mV/°/s.计算结果表明,纳米光栅微陀螺的噪声分辨率达到了2.903×10^(-4)°/h/Hz^(1/2).

Ka波段开关线型MEMS移相器的设计与研究

面向现代通信及相控阵雷达领域的需求,设计了一种移相间隔为22.5°的Ka波段4位开关线型射频MEMS移相器。主要对实现移相功能的四个移相单元进行了设计,采用台阶补偿技术优化移相单元上下通路分工选通,以提供最佳的阻抗匹配;采用直角转角结构,设计了可提高CPW直角性能的延迟线,并对应用该延迟线的4位开关线型移相器进行了总体设计。用HFSS进行建模仿真,结果表明,在0~40 GHz工作频段内,16个状态的插入损耗均小于2.15 dB,回波损耗均大于19.18 dB,驻波比均小于1.25,在40 GHz频点处的相移误差在1.57°以内,整体尺寸为10 mm^(2)。

L~Ka波段MEMS单刀七掷开关的设计与研究

针对目前MEMS单刀七掷开关体积大、插入损耗及隔离度较差的问题,设计了一种基于“米”字型功分器的单刀七掷MEMS开关,通过HFSS软件对射频MEMS开关单元和“米”字型功分器进行设计,对开关的S参数、驻波比进行了仿真研究,并采用COMSOL软件对射频MEMS开关单元进行机械性能分析。结果表明,在1~40 GHz频段内,单刀七掷MEMS开关各个端口的插入损耗≤0.45 dB@40 GHz,隔离度≥29.5 dB@40 GHz,驻波比≤1.45,且体积仅有0.65 mm×0.5 mm×0.5 mm。此设计可与滤波器、衰减电阻、天线等集成,应用于多通道可调谐MEMS器件中,在卫星通信、雷达、和微波测试领域中具有一定的应用价值。

一种雪花型MEMS单刀五掷开关的研究与设计

针对MEMS单刀多掷(SPMT)开关插入损耗及隔离度较差的问题,设计了一种基于雪花型功分器的单刀五掷(SP5T)MEMS开关,通过雪花型功分器实现信号的均衡分配和低损耗传输。通过设计H形上电极结构,有效减小开关弱接触,增强开关接触稳定性,实现信号的高隔离。采用HFSS仿真软件,对开关的插入损耗、隔离、驱动电压和应力分布进行了设计,并结合COMSOL软件对开关进行了机械性能分析。结果表明,在1~20 GHz频段内,五个端口插入损耗在0.2 dB@20 GHz以下,隔离度在23 dB@20 GHz以上,驱动电压为24 V。这些指标均优于常规SPMT开关。该SP5T MEMS开关可应用于多任务、多通道可调谐器件中,在无线通信、微波测试系统中具有应用价值。

硅微加速度计温度特性分析与误差补偿

环境温度对硅微加速度计的检测精度具有较大影响，并最终影响导航系统的精度。因此，准确标定环境温度对微加速度计使用性能的影响，并建立温度补偿模型，对于实际工程应用至关重要。在-20-60℃温度区间，通过实验得到微加速度计的零偏与标度因数，并采用线性拟合与Lorentz曲线拟合构建了温度补偿模型，后者使测量结果的稳定性精度提高了1个数量级，具有较好的实际应用价值。

一种三频带微带带通滤波器的设计

为了满足射频前端系统对滤波器的小型化、多频带、高集成度等性能的需求,设计并制作了一种三频带微带带通滤波器,它是由多个弯折型谐振器串联而成,可在DC～4.5GHz的工作频段内实现三频带带通滤波的功能,整体结构尺寸为40mm×15mm.利用有限元仿真软件HFSS建立三维结构模型,通过参数扫描获得带通滤波器最佳性能指标,并利用矢量网络分析仪进行测试.测试结果表明,该滤波器的三个中心频率分别为2.23,2.83,4.05GHz,插入损耗为0.91dB@4.05GHz,带外抑制为45.64dB@1.18GHz.该微带带通滤波器性能良好,测试结果与仿真结果基本一致.

抗过载微陀螺结构的高灵敏设计与仿真

为解决高过载微陀螺难以实现高灵敏检测的问题,设计了一种高灵敏且高过载的微陀螺结构。设计的微陀螺结构驱动模态与检测模态的频率高度匹配,提高了微陀螺的结构灵敏度。该微陀螺采用面内检测方式,驱动与检测模态阻尼类型主要为滑膜阻尼,实现了在大气压环境下微陀螺的高品质因数Q值设计。微陀螺均采用双悬臂梁设计,增加了微陀螺结构的稳定性,进而提高了其抗过载能力。最后通过微陀螺的器件级仿真,得到了所设计陀螺结构在驱动方向过载能力约为100 000g(g=9.8m/s^2),检测方向过载能力约为70 000g的前提下,结构灵敏度为53nm/[(°)/s]。

基于玻尔兹曼的微机械陀螺温度误差补偿

使用最优拟合的方法,在一定的温度范围内,对微机械陀螺仪温度误差建模,通过温度误差模型对陀螺仪输出进行温度误差补偿。应用线性拟合和玻尔兹曼拟合方法对实验数据进行按拟合修正,该方法减小了温度对微机械陀螺仪的影响,并验证玻尔兹曼误差模型的正确性与可实用性。补偿后的数据较陀螺原始数据零偏,提高了1~2个数量级。在工程实际中有一定的实用参考价值。

常压封装下隧道磁阻微陀螺的高灵敏结构设计

针对现有微陀螺难以实现常压封装下高灵敏检测的难题,设计了两种应用隧道磁阻效应检测的微陀螺结构,分别采用面内检测与离面检测,本文从阻尼与检测磁场两方面对二者性能进行分析。首先通过对二者阻尼的计算,得到常压下面内检测结构的灵敏度为35.18 nm/(°/s),离面检测结构的灵敏度为3.19 nm/(°/s),面内结构比离面结构的灵敏度高约10倍,从阻尼方面考虑,采用面内检测的结构更优;其次设计了应用于两种结构中的检测磁场,得到了面内检测磁场相比于离面检测磁场具有更高的磁场变化率,更好的磁场一致性,从磁场方面考虑,同样得到面内检测的微陀螺结构更优。因此,应用面内检测结构可以实现隧道磁阻微陀螺在常压下的高灵敏检测。

谐振式巨磁阻微机械陀螺噪声分析

巨磁阻效应微陀螺具有高灵敏、低噪声等优点.本文详细阐述了巨磁阻效应微陀螺的工作原理,设计了微陀螺结构,其驱动方向频率为5 553.7Hz,检测方向频率为5 556.7Hz,频率差仅为3Hz,实现了模态的良好匹配.设计了应用于该微陀螺中的检测磁场,测试了一款巨磁阻器件的灵敏度,基于上述结果完成了巨磁阻微陀螺的系统级仿真,并分析了巨磁阻微陀螺的噪声组成以及噪声的计算.仿真结果表明,将巨磁阻效应应用于陀螺的角速率信号检测中,可以实现灵敏度为46 mV·((°)/s)-1,噪声为7.826×10-3((°)/h)·(Hz)-1的信号检测.

面内微陀螺结构设计及模态测试

为了提升微机械陀螺在应用中的性能,需要巧妙设计陀螺结构来提高陀螺灵敏度.本文针对面内驱动/检测的微陀螺结构,进行了理论设计和Ansys有限元仿真分析验证,实现了微陀螺结构的模态匹配.通过测试质量块上分布导线产生的动生电动势的实验方法获得陀螺的幅频特性曲线,测量结果表明,微陀螺结构驱动方向频率为7 078.1 Hz(品质因数达643.2),检测方向频率为7 068.9 Hz (品质因数达1 010.7),结构灵敏度可达52.3 nm/(°/s),与理论期望值基本相符.这将为今后设计更高灵敏度的微陀螺式结构传感器提供理论依据及测试方法.