面向固态电子自旋操控的紧凑Ω形微波辐射结构设计

设计了一种面向金刚石中氮空位(NV)电子自旋调控的紧凑Ω形印制电路板(PCB)表面贴装微波辐射结构,通过计算PCB上2.87 GHz微波的1/2波长长度限制整体结构尺寸,完成设计后加工,并进行测试表征。制备的微波辐射结构尺寸为20 mm×29 mm×0.16 mm,辐射强度高,能够方便地在金刚石附近放置射频线圈等部件进行核自旋调控。在测量过程中,不同磁场下的光探测磁共振谱表明,在2.7~2.87 GHz的范围内,光探测磁共振(ODMR)谱均具有很好的信噪比和对比度。使用Rabi信号表征了辐射结构的微波辐射能力,测量得到的Rabi频率可达3.5 MHz。最后在两个不同的磁场条件下,测量了金刚石样品的自旋回波信号。实验测试结果表明,设计的PCB上紧凑Ω形微波辐射结构具有很好的电子自旋操控能力,可为核自旋调控部件提供安装空间,能很好地应用在基于固态电子自旋的精密测量中。

针尖-样品距离对扫描微波显微成像的影响分析

随着芯片制备工艺的不断完善,半导体集成电路朝着小型化、集成化的方向不断发展,给近场微波成像技术带来了新的挑战。本文建立了探针-样品三维电磁耦合模型,并利用有限元数值分析法研究了探针针尖与样品之间的电磁相互作用。在不同探针-样品间距下,对硅基芯片表面结构进行扫描微波成像。成像结果与仿真结果相一致,随着针尖-样品间距的增加,扫描微波测试系统的灵敏度和分辨率降低。对于由原子力显微术结合微波测量技术发展而来的扫描微波显微镜的改进与产业化具有重大意义。

基于FPGA的液体流量测量系统设计

传统的液体流量检测方法有着测量范围小、精度低、环境适应性较差、受温度影响较大等缺点,不能很好地测量目标液体的流量,同时由于成本高、结构易磨损等缺点,也会造成经济损失。针对以上问题,提出了以时差法为理论、FP-GA为控制核心、MS1022为测量核心的基于FPGA的液体流量测量系统,改进了时差法的不足,消除了温度对测量的影响。测试结果表明,系统误差小于2%,具有良好的可靠性和稳定性,可应用于相关领域中。

基于FPGA与DDS的频率特性测试仪的设计

为了更好地对被测电路的幅频特性与相频特性进行测量,提出一种基于DDS技术与FPGA设计的频率特性测试仪。该测试仪以FPGA为控制与数据处理的核心,由高性能的DDS技术产生信号,以AD8302来检测频率相位增益,测量了1-90 MHz带宽的频谱特性,有点测与扫频测量两种选择。将测量结果与Matlab仿真的结果进行对照,结果高度吻合;与点测法的测量结果对比,幅频特性测量误差的绝对值小于0.5 dB,相位测量误差不大于3°,且基本实现了测试仪的全数字化、小型化、功耗低、本身操作简便、准确度高、稳定性强,且频率测量范围宽广。

一种新型铂铑薄膜热电偶的制备及其性能测试

为满足快速测量火工品发火温度的需要,研制了一种以铂铑(PtRh)作为偶极材料的快速响应S型铂铑薄膜热电偶。使用丝网印刷技术,通过光刻制成网版,制备铂-铂铑(Pt-PtRh)偶结点及蛇形微换能元,再经过高温马弗炉烧结工艺完成薄膜热电偶的制备得到样品,最后测试了样品的静态特性和动态特性。实验结果表明,研制的薄膜热电偶的静态性能与标准S型热电偶的热电动势曲线具有较高的吻合度,且薄膜热电偶在低温段(50~600℃)的精度约为1.24%,在高温段(600~1 500℃)约为1.05%。时间常数为530μs。研制的新型铂-铂铑薄膜热电偶具有快速响应、高精度及耐高温等特点,可满足快速测量火工品发火温度的需求。

悬臂梁式扫描微波探针设计

微波芯片的高度集成化对扫描微波成像技术提出了新的挑战,设计了一种结构简单、辐射效率高和耦合低特性的悬臂梁式扫描微波探针。通过建立探针三维有限元数值模型,在不同微波频率和不同探针结构下分别研究了探针针尖倏逝电场分布。有无屏蔽结构的探针针尖与样品间的电场分布表明,屏蔽层有效降低了悬臂梁下方非针尖部分微波信号的辐射,悬臂梁—样品的寄生电容显著减小,且在多个工作频率段具有高空间分辨与高辐射效率的特性。设计的探针满足微波芯片对高频、高空间分辨扫描微波成像的需求。

基于光纤FTIR效应的连续式液位传感器研究

光束在宏弯的光纤内传播时会发生能量损耗并辐射到光纤包层外,引起受抑全内反射,辐射的能量同时受外界环境折射率的影响,因而可用于液位传感。因现有传感器受光源和外界环境干扰较大,信噪比较差,成本较高,为了解决这一问题,该文提出了一种双光纤扭绞结构的连续式液位传感器。通过理论和实验分析证明,宏弯光纤能量回馈到传感结构中并受外界环境折射率的调制。通过搭建实验平台进行测试,发现液位高度从350mm下降到0的过程中,暗场光纤末端功率值近似线性从0.448μW降到0.15μW,液位区分度达到4dB。同时,该文对影响液位传感器测量的主要因素进行了分析验证。

单悬臂梁阵列式压电能量采集器的研究

根据当前物联网以及无线传感网络的需求,以MEMS技术为依托,结合压电效应,提出了一种单悬臂梁阵列式压电式能量采集器。在分析压电能量采集器结构力学特性的基础上,详细介绍了两种不同尺寸微结构的设计、加工和测试。采用ANSYS软件仿真,得出两种微结构的谐振频率分别为3.9和4kHz;利用溶胶-凝胶法制备出15和20层的PZT压电功能薄膜,电镜扫描其厚度分别为1 849,2 667nm,AFM对比表面形貌其粗糙度分别为1.8和2.11nm,后者致密更好,颗粒较小,相变温度相对比较高。

基于区域的光纤环绕制缺陷实时检测算法

针对光纤陀螺敏感线圈(光纤环)制备过程中,光纤的绕制张力变化和光纤环承载主轴跳动度变化等因素导致的"爬丝"和"间隙"绕制缺陷,提出基于区域的光纤环绕制缺陷检测算法,将原始光纤凹凸特征的处理转换成矩形大小及数量特征的处理。该算法在对光纤环绕制轮廓精确提取的基础上,通过对光纤环初始表面进行拟合,确定绕制光纤覆盖的最小有效区域,并实时提取区域内已绕制光纤轮廓的最小包围矩形;然后根据阈值的合理选取,计算最小有效区域内已绕制轮廓的最小包围矩形的区域大小及区域个数,以此判断绕制缺陷的种类,并标记缺陷位置。实验结果表明,在光纤环绕制轮廓精确提取的基础上,该算法可以有效识别并标记缺陷位置,对于不易受环境因素影响的"间隙"缺陷可以完全正确检出,且执行速度快,可满足缺陷实时检测的要求。

基于OPNET的Zigbee组网性能分析

Zigbee技术具有速率、耗能、成本极低,具有大容量网络等优点,它作为无线传感器网络的一个标准,应用在无线组网过程中。文章通过对Zigbee网络中单个路由器的网络性能进行仿真分析,对传送和接收的数据量以及点对点的延时来研究Zigbee的组网性能。

磁通集聚器放大磁场分布及矢量选择特性研究

主要针对T型磁通集聚器结构间隙内轴向放大磁场分布特性以及放大磁场矢量,选择性利用三维有限元静磁特性仿真分析及实验验证的方法进行了一系列的分析研究。结果表明,间隙内放大磁场分布均匀区与结构间隙区域具有相似的截面形状,该均匀区的大小与间隙截面积成正比并与间隙距离成反比。另外,通过仿真和实验验证了集聚器能够放大轴向环境磁场强度,缩小横向磁场强度,具有矢量选择特性。该结论为矢量磁传感器增大灵敏度提供了一定的应用基础。

Fe_3O_4-PDMS纳米复合材料磁电阻特性及变化模型的研究

主要研究了复合材料磁电阻特性,提出了复合材料的制备方法,并测量了材料形貌、磁化特性、磁电阻随磁场的变化特性。结果表明,复合材料在环境磁场中能够产生磁电阻效应,其磁电阻特性受材料中分散的纳米颗粒的磁化特性所影响,并且复合材料磁电阻随着材料中纳米颗粒的分散浓度的增大而增大。根据磁场环境下复合材料中纳米颗粒之间沿磁场方向的相互作用以及聚合物材料的粘弹性,重点分析了该复合材料的磁电阻变化机理并提出了复合材料的磁电阻变化模型。随后,利用纳米颗粒的磁化数据以及PDMS的动力学参数进行了复合材料磁电阻变化特性的数值仿真,并将仿真数据与实测数据进行对比,对比结果显示该模型能够准确描述复合材料的磁电阻变化特性。

基于信息融合四旋翼飞行器稳定性改进设计

针对四旋翼飞行器的惯性传感器漂移、GPS精度差及使用环境受到限制等因素导致的难以稳定悬停的问题,提出了利用改进信息融合处理算法,加装光流传感器和超声波传感器,使四旋翼飞行器对自身的姿态位置及运动状态能更准确的估计,从而实现稳定的调整,通过仿真及实际测试表明:改进后得到的飞行器的姿态及位置估算更为接近理想值,同时飞行器的平稳性得到很好的改善。

电容式微机械超声换能器的驱动电路设计

电容式微机械加工超声换能器(cMUT)具有频带宽、灵敏度高等优点,而设计高压高频的驱动电路则是实现其优异性能的前提。针对现有驱动电路体积过大等问题,在对换能器简化模型做有限元分析求得其工作电压基础上,提出了用FPGA控制8片脉冲发射专用芯片HV7350直接驱动换能器64阵元的方案。并对其中一个通道进行了验证,产生的30VPP、400 k Hz脉冲使换能器能够在0.5 m距离下接收到4.4VPP的一次回波信号。本驱动电路具有高度集成,操作简单,幅值可调,频率可控的特点,为cMUT的应用提供了可行的参考。

基于侧向耦合结构的准分布式光纤液漏传感器

针对现有的准分布式光纤传感测量技术复杂、精度不高且响应时间较慢等问题,设计出一种实时性高且成本更低的准分布式光纤传感器。传感器主要由柔性LED灯带和带有侧向耦合结构的聚合物光纤组成。侧向耦合结构被LED逐一照亮,形成一系列传感单元。光通过侧向耦合结构入射聚合物光纤中,当LED和耦合结构之间的介质改变时,耦合光强增加,光纤两端输出光强随之增加,则可将液漏事件转化为耦合介质改变来测量。结果表明,准分布式光纤液漏传感器具有检测和定位漏水信号的能力且定位精度小于等于10cm,实现了液漏检测和漏点定位的功能。

基于SOI的MEMS高温压阻式压力传感器

基于高温环境下压力实时监测的广泛需求,设计并制备了一种最大量程为1.5 MPa的绝缘体上硅(SOI)压阻式压力传感器。根据压阻效应原理和薄板变形理论,完成了传感器力学结构和电学性能的设计,采用微电子机械系统(MEMS)加工工艺完成了敏感芯片的制备,并使用了一种可耐300℃高温的封装技术。实验中采用了常温压力测试平台和压力-温度复合测试平台进行测试,测试结果表明,封装后的传感器在常温环境下具有良好的非线性误差、迟滞性和重复性,其灵敏度可达到0.082 8 mV/kPa,同时在300℃高温环境中其灵敏度仍可达0.063 8 mV/kPa。

多通道振动信号采集系统设计

为了解决传统采集模块存在的采样精度低、动态范围小、采样通道少等问题,设计了基于AD7760的振动信号采集与控制系统。系统采用模块化设计,主要包括电源模块、信号调理模块、采集传输模块以及上位机显示模块。测试选用振动传感器M350B04,信号通过调理通道处理后使用24位高精度ADC采集数据到FPGA,通过以太网将数据发送到上位机对振动信号数据进行显示、存储、回读和时频域分析处理。结果表明该系统能够实现95 dB以上的大动态范围信号采样,测试结果与B&k3629振动传感器校准系统对比误差在0.5%以内,具有广泛应用前景。

基于激光三角法的火炮身管内径测量系统设计

为了解决目前火炮身管内径测量精度低、内表面形貌还原度差和测量不方便的问题,设计了一种基于激光三角法的火炮身管自动测量系统。该测量系统主要选用激光传感器、单片机和步进电机,设计推进式的机械测量结构,利用几何定心原理,对火炮全身管自动测量;最小测量内径为60 mm;采用滤波、三次样条插值法对采样数据进行处理,显著减小了测量误差。使用测量系统对不同口径的身管进行测量,测量结果表明,该测量系统能稳定工作,能实现对不同内径的身管进行测量,测量分辨率为0.001 mm,测量精度为0.02 mm,测量点准确,上位机各部分功能正常,能对身管内壁磨损缺陷等情况很好地还原。该测量系统测量误差小,测量效率高,测量系统操作简单,实现了高自动化,同样能应用在同类管道测量中。

基于时差法的高精度超声波风速风向测量系统

针对风速风向对悬索桥的安全性影响,为了实现对悬索桥风速风向的精确监测,设计了基于时差法的高精度超声波风速风向测量系统。系统采用STM32为控制单元,超声波换能器为敏感单元,实现发送和接收超声波信号,MS1022高精度时间测量模块为测试单元,实现超声波飞行时间的计量,LoRa无线模块为数据传输单元,实现风速风向数据上传至上位机,上位机为显示处理单元,实现数据实时显示。经实际测试,系统风速测量误差在0.1 m/s以内,风向测量偏差不超过0.8°,达到了《数字风速仪检定规程》的标准。

基于IEEE1588协议的高精度时钟同步系统设计与实现

纯软件方式实现的IEEE1588协议时间戳标记位置处于数据链路层,受网络传输延迟不确定性的影响,时钟同步精度大多局限在μs级别。为了进一步提高多测点信号采集的同步性,应用于分布式振动信号同步采集,提高时钟同步精度。设计了硬件与软件结合的IEEE15888精密时间协议的高精度时钟同步系统。系统采用卫星时钟作为授时时钟源,STM32F407作为主控芯片,利用STM32F407中集成的MAC内核实现开源代码PTPd中IEEE1588最佳主时钟、本地时钟调节等算法的运行;采用支持硬件时间戳的DP83640物理层芯片实现RMII接口物理层标记时间戳,进一步降低了信号在网络传输过程中发生的随机性延迟,提高了时间同步的精度。经过同步信号输出测试,该系统时钟同步误差优于±200 ns,达到设计要求,应用性能良好。