2021, 43(6):731-735. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.001
摘要:该文设计研制了一种能耐20MPa静水压的压电陶瓷圆管检波器。首先利用理论分析与有限元仿真相结合的方法,对压电检波器的谐振频率、接收灵敏度及耐压性能进行了分析计算与对比验证,进而研制样机,并采用密闭腔比较法和耦合腔互易法测试了样机在常压和20 MPa静水压下的接收灵敏度。结果表明,该压电陶瓷圆管检波器在常压条件下的低频接收灵敏度为(-201.9±0.5)dB,测试频段为1Hz~2kHz;在20MPa加压条件下的低频接收灵敏度为(-197.7±0.4)dB,测试频段为20Hz~1kHz。该文研制的压电检波器满足目前海洋深部地震勘探的接收灵敏度及工作频段要求,对深水地震勘探仪器的研制具有重要意义。
2021, 43(6):736-738. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.002
摘要:异质声层状结构(HAL)声表面波(SAW)谐振器的品质因数(Q)和阻抗比通过优化金属电极厚度得到了进一步提高。该文采用基于格林函数/有限元(FEM)/边界元(BEM)算法的多层结构SAW器件仿真软件建立了20°YX LT/40°Y90°X石英为基底,Cu作为金属电极的单端口HAL SAW谐振器模型。首先计算了位移场分布,分析了HAL中传播的声波模式。随后计算了LiTaO3(LT)厚度hLT=0.1λ~0.2λ(λ为波长),Cu电极厚度hCu=0.04λ~0.1λ下器件的伯德(Bode)Q、机电耦合系数K2和阻抗比,研究了不同LT厚度下谐振器的BodeQ、K2和阻抗比随电极厚度的变化。结果表明,当hLT=0.1λ~0.2λ时,最佳Cu电极厚度均为0.05λ,理想LT厚度下BodeQ和阻抗比分别高达3 000和98 dB。
2021, 43(6):739-742. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.003
摘要:该文采用磁控溅射法在蓝宝石基片上制备出高择优取向的极薄氮化铝(AlN)压电薄膜。使用原子力显微镜(AFM)和X线衍射仪(XRD)分析了AlN压电薄膜的表面形貌和取向,并用膜厚测试仪和应力测试仪检测了AlN压电薄膜的膜厚和应力。试验结果表明,制备的AlN压电薄膜择优取向(002)良好,摇摆曲线半高宽达到3.21°,均方根粗糙度为1.56 nm,应力为-6.22 MPa。利用该文研究的AlN压电薄膜制作工艺研制的高频声体波延迟线工作频率达到24 GHz,插入损耗为50.7 dB,优于美国Teledyne公司的产品。
2021, 43(6):743-745. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.004
摘要:该文介绍了一种双声通道纵向耦合结构的高频高阻带抑制极窄带声表面波滤波器。利用有限元仿真研究了AT石英材料上高声速的声表面横波与浅体声波的激励情况,并进行了浅体声波抑制研究。通过调节叉指换能器金属化比,大幅降低了浅体声波对滤波器阻带抑制的影响,并制作出中心频率为1 220 MHz,插入损耗为5 dB、1 dB带宽700 kHz、阻带抑制50 dB的低损耗高阻带抑制极窄带声表面波滤波器。
2021, 43(6):746-748. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.005
摘要:提出了一种双频任意功分比输出的环形电桥设计。通过奇偶模分析法得到该任意功分比输出的双频环形电桥设计近似公式,利用高阻抗微带线代替双频分支微带线获得双频效能,并在环形电桥的分支线上设计倒相器,使该环形电桥结构紧凑。为进一步验证该设计方法的可行性,设计了工作频率在1/6 GHz的双频环形电桥,输出功分比为1∶100,仿真和实验结果相符。
2021, 43(6):749-752. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.006
摘要:该文研究了一种扇形结构的声表面波设计技术并分析了其工作原理及加权方式,为某电台接收机设计并制作了一款中心频率为374 MHz、-3 dB带宽大于17 MHz、插入损耗小于9.5 dB、通带波纹小于1 dB、带外抑制大于40 dB(10~352 MHz)的器件。将该器件封装在表贴SMD3838小型外壳中,其满足性能指标。结果表明,该器件首次突破了扇形结构中频声表面波滤波器在表贴SMD3838封装的研制,表明扇形结构声表面波滤波器产品实现小型化的可行性。
2021, 43(6):753-756. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.007
摘要:SC切石英晶体谐振器是恒温晶振的核心器件,但生产中发现高频SC切石英晶体谐振器的等效电感存在与理论值偏差、一致性差的问题。该文提出了石英晶体谐振器等效电感的计算模型,并系统仿真了生产中可能影响等效电感一致性的因素。仿真结果表明,电极厚度、微调量和微调斑偏移对等效电感的一致性影响不大,而晶片的平行度是影响等效电感一致性的关键,该结论有助于提高SC切石英晶体谐振器的指标和一致性。
2021, 43(6):757-760. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.008
摘要:该文理论分析了影响光纤声光调制器消光比的主要因素。通过采用双器件级联和电路延时可调方案,得到了光脉冲上升时间和下降时间<10 ns,消光比>100 dB,脉冲利用率>97%的高效超高消光比光纤声光调制器(FAOM)模块。采用该模块在激光测风雷达系统中实现了4 800 m的风速风向测量。结果表明,该文采用的设计方法在提高FAOM消光比的同时能够有效控制脉冲利用率,对于基于激光相干探测的测量系统性能提高有一定的促进作用。
2021, 43(6):761-765. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.009
摘要:针对光纤光栅应变计无法同时准确测量结构表面多个方向应变的问题,该文设计了一种基于光纤布喇格光栅(FBG)的三向应变计。三向应变计采用圆环状基底结构,并在基底上封装了3根互成角度的FBG,适用于结构表面3个方向应变的同步测量。对封装后的应变计进行性能测试,并进行了同电阻应变片的对比实验。结果表明,应变计具有良好的线性,最大迟滞误差为6.1%,应变灵敏度在0°和90°方向分别提高约2.3倍和1.4倍。随着载荷的增加,应变计的测量误差逐渐减小,载荷大于1.5 kg后测量误差控制在±5%。
2021, 43(6):766-770. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.010
摘要:该文设计并制作了一种基于熔融拉锥技术的温度和折射率传感器。该结构是将一段单模光纤(SMF)两端级联无芯光纤(NCF),并通过火焰熔融拉锥技术把中间的单模光纤进行拉锥处理,从而构成了马赫曾德尔光纤干涉仪(MZI),两个无芯光纤分别充当分束器和耦合器。实验研究了该传感器对于温度和折射率的光谱响应特性,研究表明,当温度升高时,透射光谱出现红移现象,其响应灵敏度为43.96 pm/℃,线性度为0.990 5。当传感结构置于折射率1.341 6~1.382 32的蔗糖溶液中时,透射光谱强度随着折射率的增加而变大,其响应灵敏度为36668 dB/RIU,线性度为0.989。
2021, 43(6):771-774. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.011
摘要:该文采用固相法制备了BaSm0.2Ti(4+x)O(9.3+2x)(x=0~0.6为摩尔分数)陶瓷,研究了不同x值对陶瓷相组成、显微结构和微波介电性能的影响。结果表明,在0≤x≤0.6时,随着x的增大,介电常数εr变化较小,品质因数与频率之积(Q×f)和频率温度系数τf均随x的增大而减小。当x=0.5时,可获得介电性能优异的BaSm0.2Ti(4+x)O(9.3+2x)陶瓷:εr=46.9,Q×f≈18 237 GHz,τf≈2.2×10-6/℃。
2021, 43(6):775-780. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.012
摘要:该文采用传统固态反应法制备了Ca1-x(Li0.5Ce0.4Pr0.1)xBi2Ta2O9(x为摩尔分数)陶瓷,研究了(Li0.5Ce0.4Pr0.1)2+复合离子不同掺杂浓度对陶瓷结构和电学性质的影响。结果表明,在选定浓度范围内,(Li0.5Ce0.4Pr0.1)2+复合离子改善了CaBi2Ta2O9基陶瓷的压电活性与高温下的直流电阻等特性。当x=0.08时,陶瓷具有最佳综合性能,即压电常数d33=10.3 pC/N,居里温度TC=928 ℃,直流电阻率ρ=1.12×106 Ω·cm(650 ℃),介电损耗tan δ=0.026(1 MHz,650 ℃)。
丁伟艳,李晓兵,张永成,刘东旭,田俊亭,李昕伦,LAM Kwok Ho
2021, 43(6):781-785. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.013
摘要:Sm掺杂Pb(Mg1/3Nb2/3)O30.30PbTiO3(PMN0.30PT)陶瓷具有与PMN0.30PT单晶相当的超高压电响应(d33约为1 300 pC/N),但比压电单晶具有更高的一致性和更低的成本。该文针对高频超声无损检测的工业化应用,基于Sm掺杂PMN0.30PT陶瓷设计并制作了中心频率大于30.5 MHz的高频超声换能器,利用超声脉冲回波法进行了换能器的性能表征,并测试了其声场。针对小型塑料零部件的微结构,利用所制备的高频超声换能器进行了超声成像。结果表明,基于Sm掺杂PMN0.30PT陶瓷的高频超声换能器具有优异的成像性能,适合于高频超声无损检测成像的工业化制备。
2021, 43(6):786-794. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.014
摘要:针对预应力混凝土结构中孔道压浆不密实的问题,利用有限元ABAQUS软件建立了预应力混凝土有限元数值模型,采用压电波动法进行主动传感监测。其中,在该数值模型的波纹管纵向3个横截面底部各粘贴1个压电陶瓷片,作为发射信号的驱动器;在同一横截面的不同高度和顶部分别粘贴压电陶瓷传感器,形成“一发七收”和“区域交叉”的横、纵向监测方式。数值模拟了不同压浆情况下的应力波传播规律,并对传感器接收的响应信号进行时域分析。结果表明,当压浆水平抵达某传感器位置时,由于波纹管底部驱动器发出的应力波可通过灌浆料传播至传感器处,使得该传感器接收到的时域信号幅值明显增大,后续随着压浆高度继续增加,该位置处的时域信号幅值基本保持稳定;当驱动器与传感器在同一纵向截面内时,通过监测时域信号幅值变化可得到传感器位置及其以下纵向区域的压浆水平,并根据横、纵向相结合的监测方法,可准确得到波纹管内真实的压浆空间分布情况。
2021, 43(6):795-798. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.015
摘要:针对公共安全领域对甲基膦酸二甲酯(DMMP)等神经性毒剂模拟剂的高灵敏度检测的需求,该文提出了一种基于纳米修饰导电高分子电化学阻抗型气体传感方法,通过开展改性修饰导电高分子聚合物材料和平面叉指微电极研究,制备了电化学阻抗型气体传感器,并设计了传感器阵列化结构和报警器总体架构;研制出电化学阻抗型气体报警器,并开展了性能测试。实验结果表明,该电化学阻抗型气体报警器可对质量浓度低至1 μg/L的DMMP进行有效检测,响应时间低至52 s。
2021, 43(6):799-804. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.016
摘要:针对当前蜂窝夹芯结构超声无损检测效率低及耦合剂污染等问题,该文提出了使用空气耦合超声透射法进行检测并成像。首先利用COMSOL建立了二维蜂窝夹芯结构空气耦合超声检测模型,通过置入不同大小空气层以模拟实际脱粘缺陷。仿真结果表明,与无缺陷相比,脱粘后超声信号幅值变小,且缺陷越大,超声信号幅值越小。其次制定空气耦合超声透射实验方案,使用频率为200 kHz空气耦合超声换能器对不同脱粘面积进行实验研究,实验结果与仿真结果趋势相同,验证了该方法的有效性。最后搭建了空气耦合超声C扫描系统,对不同大小脱粘缺陷进行超声C扫描成像。成像结果表明,该方法最小可显示9 mm的脱粘缺陷轮廓,解决了蜂窝夹芯结构的脱粘无损检测。
2021, 43(6):805-808. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.017
摘要:针对粘滞阻尼器中阻尼液黏度会发生变化且黏度不易被直接监测的问题,该文提出了一种基于压电阻抗法的阻尼液黏度监测方法,在阻尼器中安装压电传感器,通过测量传感器的机电阻抗值来确定阻尼液的黏度。为验证所提方法的有效性,制作了一个阻尼装置的模型并安装压电传感器,在其中放置不同黏度的阻尼液时测量压电传感器的阻抗值。结果表明,随着阻尼液黏度的增大,阻抗曲线的峰值频率逐渐减小,而实部电阻值逐渐增大。定义的黏度监测指标能够成功反应阻尼液黏度。
2021, 43(6):809-813. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.018
摘要:该文针对预制装配式结构中灌浆套筒的灌浆质量检测问题,利用在套筒表面不同位置粘贴的压电陶瓷片,对具有不同程度灌浆缺陷的半灌浆套筒试件进行机电阻抗测量,建立缺陷评价指标,并对不同测点的缺陷评价指标与缺陷程度的关系进行了定量分析。试验结果表明,缺陷评价指标与灌浆缺陷程度相关,基于阻抗测量能有效检测出不同程度的人工模拟套筒灌浆缺陷。
2021, 43(6):814-819. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.019
摘要:该文提出了一种加装限位弹簧的机械式非线性多稳态悬臂梁压电俘能结构,建立了该系统的机电耦合方程,并分析该系统在简谐激励下的运动状态和俘能特性。对系统弹性恢复力及势能函数的分析表明,加装限位弹簧可以增大弹簧刚度,减小势能函数的势阱深度,易于实现系统的阱间运动,从而增大了俘能器的工作带宽。
2021, 43(6):820-824. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.020
摘要:该文研制了一种圆盘状压电变压器,并对该变压器相应的物理模型进行理论分析和ANSYS有限元仿真。通过实验确定其最佳升压比,且在自主设计的实验平台上进行测试。测试结果表明,该压电变压器在不同频率处的电压放大倍数不同,在117 kHz频率处电压放大倍数达到最大值(为134.6倍),显示了制作的圆盘状压电变压器具有较高的电压放大倍数。
2021, 43(6):825-829. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.021
摘要:为比较驻波直线超声电机双驱动足同时驱动与交替驱动的两种工作模式,该文提出了一种多足驱动的超声电机振子。该振子双侧共有4个驱动足,其中一侧的2个驱动足实施同时驱动模式,另一侧的2个驱动足实施交替驱动模式,便于比较及分析两种模式之间的性能差异。通过有限元仿真确定了压电振子的结构尺寸、弯曲工作模态及固有频率,制作振子并开展了振子的振动特性和输出性能及其比较的实验研究。实验结果表明,在激励电压峰峰值100 V、谐振频率26.30 kHz的条件下,交替驱动时空载速度和最大输出力比同时驱动提高了14%和40%。在交替驱动模式下,避免了因多个驱动足互相干扰动子而导致压电振子输出功率降低的问题,输出速度和输出力得以提高,与同时驱动模式相比,交替驱动模式有利于改善输出性能。
2021, 43(6):830-833. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.022
摘要:为提高微机电系统(MEMS)压电指向性传声器的声压灵敏度,该文采用有限元法对一种MEMS压电指向性传声器进行了仿真与性能优化。对于该压电指向性传声器结构的声压灵敏度随压电层材料种类、厚度及长度的变化进行了研究,优化了结构参数,提高了器件的灵敏度及信噪比。结果表明,当硅梁厚为10 μm,压电层厚为6.3 μm时,器件灵敏度达到最大,较先前结构提高了约14 dB。
2021, 43(6):834-839. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.023
摘要:为了辨识压电陶瓷中的迟滞非线性,该文提出一种改进的粒子群算法(PSO)对非对称BoucWen模型进行参数优化。首先在归一化BoucWen模型中引入非对称因子描述非对称特性,解决该模型只适用于描述对称迟滞的问题。其次通过引入混沌映射、收缩因子和动态学习因子来对传统PSO进行改进,动态改变粒子群的权重和学习因子,有效地提高算法的搜索能力和收敛速度。最后通过改进的PSO对非对称BoucWen模型进行参数辨识。结果表明,改进的粒子群算法能较好地辨识BoucWen模型参数,验证了方法的有效性。
2021, 43(6):840-843. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.024
摘要:该文提出了一种新型锥壳形旋转行波超声电机,该锥壳形超声电机振子的三阶弯曲振动模态可以将面内、外弯曲振动结合起来,实现新型振动模式的行波驱动。利用有限元软件确定了振子结构尺寸、三阶弯曲振型及频率并制作了原理样机,对原理样机振动特性及输出性能进行了测试。测试结果表明,当激励电压峰峰值为240 V,谐振频率为27.53 kHz时,空载时超声电机最高转速为85.8 r/min,堵转力矩为441 mN·mm。
2021, 43(6):844-849. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.025
摘要:针对一类存在非线性迟滞特性的纳米定位压电驱动器的控制问题,使用了一种与被控系统无关的自耦比例积分微分(ACPID)控制方法。该方法将系统内部所有复杂因素及外部扰动定义为一个总扰动,建立了以总扰动为激励的受控误差系统,进而设计了基于ACPID控制理论的压电定位控制系统。理论分析了ACPID控制系统的鲁棒稳定性和抗扰动鲁棒性。仿真结果表明,ACPID控制系统的有效性不仅具有更快的响应速度、更高的控制精度,且具有良好的抗扰动鲁棒性,在压电定位系统控制领域具有较大应用价值。
2021, 43(6):850-856. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.026
摘要:为了提升压电执行器输出位移的性能,该文采用模糊神经元比例、积分、微分(PID)控制器对其输出位移进行控制。首先,分析了压电悬臂梁执行器机电特性,搭建其动力学模型;其次,将模糊算法、神经元、PID三者相结合,设计出一种能快速、精确、抗干扰能力强的控制器;最后,对压电悬臂梁执行器控制系统进行了仿真,并通过实验验证了该控制器的性能。结果表明,压电执行器对5 μm阶跃目标位移的响应时间为0.3 s,且无超调,稳态误差中线由无控制时的0.57~0.66 μm减小为几乎为0;在跟踪由正弦信号、常值信号、斜坡信号所组成的目标位移时,跟踪误差几乎为0。该文所设计控制器可消除压电执行器的定位误差,并使其具有抗干扰能力强,响应迅速,无超调量等优点。
2021, 43(6):857-862. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.027
摘要:针对现有应用于矿井突水动力灾害防治微震监测传感器存在灵敏度低及频率范围窄的问题,该文提出了一种基于三角剪切式结构的微震监测压电加速度传感器。首先建立了压电加速度传感器的力学模型,对与固有频率和灵敏度有关的结构及材料参数进行了分析;然后设计了三角剪切型压电加速度传感器结构,探讨了压电陶瓷材料的选择,再利用ANSYS建立了压电加速度传感器有限元结构模型,分别对传感器进行模态分析、谐振响应分析与压电分析。仿真结果表明,设计的压电加速度传感器的工作频率和灵敏度满足微震监测要求。最后对设计的压电加速度传感器进行了标定和微震信号检测试验。结果表明,该传感器的谐振频率为6 300 Hz,工作频率为0.1~2 100 Hz,电荷灵敏度为34.626 pC/(m·s-2)时,可完成对微震信号的检测,且具有宽频率范围和高灵敏度。
2021, 43(6):863-868. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.028
摘要:针对基于单目相机和惯性测量单元(IMU)组成的视觉导航系统需要精确初始化的问题,该文提出了一种减少处理时间同时提高精度的系统初始化方法。首先,对采集数据中的陀螺仪偏置进行单独估计并分离,实现估计陀螺仪偏置和求解系统初始化封闭解问题的解耦;然后,采用基于紧耦合的线性模型求取初始化问题的封闭解;最后,将所提出的改进初始化方法应用于经典的VinsMono框架中。实验表明,改进方法可有效提高视觉惯性导航系统的初始化精度和效率。
2021, 43(6):869-872. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.029
摘要:半球谐振陀螺是一种高可靠的哥氏振动陀螺,在宇航领域有广泛的应用前景。该文研究了在空间辐照环境下总剂量辐照效应对半球谐振陀螺性能的影响,分析了总剂量辐照效应对半球谐振陀螺不同功能模块的影响,包括陀螺敏感头、信号检测电路及控制电路,并进行了总剂量辐照试验验证。结果表明,100 krad(Si)的总剂量辐照对半球谐振陀螺的性能无明显影响,半球谐振陀螺的抗辐照能力能够满足高轨道航天器的应用需要。
2021, 43(6):873-878. DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2021.06.030
摘要:针对在机载捷联惯导系统(SINS)自标定过程中,量测噪声呈非高斯分布,导致经典Kalman滤波性能降低的问题,该文提出了基于最大熵Kalman滤波(MCKF)的机载SINS自标定技术。该方法采用最大相关熵准则(MCC)替代经典Kalman滤波的最小均方误差准则,有效利用信号的高阶矩信息,并将其应用于机载SINS自标定系统中。仿真结果表明,在非高斯噪声条件下,该方法能够估计出机载SINS待标定参数,且算法的鲁棒性和误差项估计精度均优于经典Kalman滤波,具有一定的工程应用价值。