Surface acoustic wave(SAW)gas sensing technology has the characteristics of high sensitivity,fast response,miniaturization and lightweight because of its unique acoustic sensing structure and force-acoustic-electric physical field coupling sensing mechanism,which makes it gradually become one of the emerging gas sensing tech-nologies that people pay close attention to.Based on the SAW propagation and sensing theory,this paper introduces in detail the research progress of SAW gas sensing effect and mechanism,sensor device design and preparation,sen-sor signal acquisition and processing,etc.Besides,the potential application of SAW gas sensors in many fields such as new energy,aerospace,national defense,industrial control and intelligent manufacturing and its development trend are discussed.
A method based on ferroelectric dipole to enhance surface charge density of triboelectric generator was proposed. By using the ferroelectric properties of polyvinylidene fluoride (PVDF), a positive charge trap was formed in the triboelectric layer to enhance the electric generating performance of the triboelectric material, so as to improve the surface charge density of the triboelectric nanogenerator. The PVDF film was fabricated by casting and uniaxial tensile process, and integrated into the triboelectric nanogenerator with vertical separation structure. The influences of the embedding direction, thickness and polarization intensity of the PVDF film on the output of the triboelectric nanogenerator were systematically studied. The results showed that the embedded PVDF piezoelectric film with a thickness of 100 µm and a maximum polarization electric field of 90 MV/m increased the peak power of the triboelectric nanogenerator by 2.6 times. This work has provided a new insight into regulating the properties of the triboelectric nanogenerator.
Abstract In the article, the design of a piezoelectric stick-slip rotary motor is proposed that can be used as the rotary drive part of a micro-nano operation. First, a force-coupled stator based on a flexible mechanism with a diameter of 23 mm was designed. Based on the designed stator, the structure of the rotary motor is constructed and its motion steps are analyzed. Then, finite element analysis is performed. Finally, the performance of the motor is tested and conclusions are drawn. The simulation and experimental results show that the developed motor performs well.
针对惯性约束激光核聚变（ICF）靶零件夹持和装配过程中存在的重载荷与高检测分辨率之间的装配难题，该文提出了一种基于双轴旋转结构的微装配方法。首先通过分析装配目标器件（铝套筒，金腔和半腔）的特点，制定了精密装配总体结构方案。然后介绍双轴旋转装置并对相应的传感器进行标定，并进一步对集成传感器的双轴旋转装置进行角度偏转测试，可检测最小0.01°的偏转。实验表明，该双轴旋转装置能灵敏地检测到微小的偏转，并且传感器对双轴旋转具有“置零”的能力，通过该装置可在无视觉引导的情况下完成目标件的装配。
传统的系统级标定方法是将温箱压缩机、转台电机等环境引起的随机噪声视为白噪声,而实际过程中输出信号具有非平稳和非线性特征.最小二乘拟合法是一种线性回归方法,利用该方法求解的误差系数成为制约光纤捷联惯导系统实现高精度的关键因素之一.针对上述问题,该文提出了一种基于希尔伯特-黄变换的捷联惯导系统级标定改进算法.通过希尔伯特-黄变换去除惯性仪表原始输出信号中的高频随机噪声,再利用系统级标定法计算惯性测量单元(IMU)误差参数.经多组试验证明,该方法能够有效提高IMU误差参数辨识的准确性,1 h的动态导航位置误差相对减少约 10%.
近年来,随着弹载电子设备集成度越来越高,内部热耗不断增加,如何实现设备的高效热管理,成为制约弹载电子设备进一步发展的重大难题.该文提出了一种应用于大功率弹载微波组合的相变储热模块,通过仿真分析手段研究了储热模块主体结构对储热模块整体储热性能的影响.综合考虑可制造性、质量、储热能力等多方面因素后,确认了储热模块的结构形式和最终选用的相变介质材料.利用增材制造技术加工出储热模块样品,并搭建热测试平台完成了该样品的散热效果评估.实验表明,在 60℃环境下,模块总热耗为 211 W,工作 10 min后,模块表面最高温度为 104.1℃,满足组合使用要求.该储热设计技术有效地解决了模块短时大功率下温升过高的问题,在弹载电子设备热管理领域有着广阔的应用前景.
该文提出了基于钽酸锂漏波材料设计的扇形声表滤波器.钽酸锂在 36°Y-X 切向时,其机电耦合系数(ΔV/V)为 2.4%、频率温度系数(TCF)为-32×10-6/℃.36°Y-X 钽酸锂具有较强的压电耦合性和适中的温度稳定性,用它设计相对带宽 5%～10%的滤波器可以实现较小的插入损耗和适中的温度稳定性,器件实测结果与仿真相符.
针对当前压电驱动悬臂梁谐振器存在加工工艺复杂、成本较高的问题,该文提出了一种基于氮化铝支撑层的新型压电驱动悬臂梁层叠结构,它不仅能有效降低加工难度,还能在实现器件小型化的同时保持较高的品质因数.该文通过理论分析研究了固定频率下谐振器品质因数与器件尺寸设计的关系,并对比了不同支撑层材料对谐振器品质因数的影响.通过实验研究了电极尺寸设计对谐振器在真空中性能的影响,从而确定了工作在面外弯曲振动模式的压电驱动氮化铝基悬臂梁谐振器的最优设计.测试结果表明,在电极宽度占比为 1,长度占比为2/3 时,该谐振器表现出最好的性能,其品质因数为 7 786,谐振频率为 63.44 kHz,运动阻抗为 66.70 kΩ.
The sensitivity mechanism of a thermal oscillator-type biaxial MEMS angular velocity gyro was revealed. The temperature field inside the sensitive structure was calculated based on the biaxial sensitivity principle, the vibration mode of the thermal oscillator and the gyroscopic effect. The results show that: (1) A stable temperature field is formed inside the sensitive structure after 1.8s of power-on. (2) When there is angular velocity loading, the thermal oscillator moves with the input angular velocity, causing the temperature field to shift, and the temperature difference $\Delta T_{\mathrm{Y}}(\Delta T\mathrm{x})$ between the two hotlines set symmetrically in the two orthogonal $\mathrm{Y}(\mathrm{X})$ directions shows a linear growth with the increase of the input angular velocity $a_{x}(a_{y})$ , and the average temperature sensitivity of X and Y axes is 121 mK/°/s. (4) According to the input-output $\omega_{x}-VY\text{out}$ and $\omega_{y}-VX\text{out}$ characteristic curves, the mathematical model is obtained, and the sensitive mechanism is revealed. The average sensitivity of X and Y axes is 0.091mV/°/s, the average nonlinearity is 1.86%, and the average cross-coupling is 2.3%. This paper provides a practical theoretical foundation for the optimized structure.
针对传统商用标准石英音叉(QTF)具有振臂间距小和共振频率高等不足,该文面向气体检测领域的需求设计并制备了一款新型锤状沟槽型QTF,大气压下其共振频率为9.36 kHz,品质因数高达15 000.该QTF的振臂间距为1 mm,使发散角较大的中红外光束能够无阻碍地通过振臂中心.此外,该QTF振臂顶部设有锤状结构,振臂表面刻蚀有沟槽,能提升压电耦合效率,从而增强光声信号.结合石英增强光声光谱(QEPAS)技术开发了基于该新型音叉的高灵敏CO气体传感系统.测试结果表明,CO气体传感系统的最小检测限低至7× 10-9,归一化噪声等效吸收系数达到8.7×10-9cm-1·W/√Hz.通过对大气CO的连续实时监测,验证了该传感系统的有效性和可靠性.
在静电刚度校正技术的基础上,结合自校准算法,该文提出了一种实时辨识补偿正交误差的理论模型,并在两件套平面电极的半球谐振陀螺上进行了理论仿真和实验验证.结果表明,该方法不仅适用于半球谐振陀螺的力平衡和全角两种工作模式,还适用于虚拟进动的情况.此外,该文提出的补偿方法不会影响正交环路的控制精度,且对陀螺检测和驱动电路的增益和相位误差不敏感.
基于压电阻抗技术(EMI)进行碳纤维复合材料(CFRP)损伤实验研究,针对传统损伤指标均方根偏差(RMSD)、平均绝对偏差(MAPD)和相关系数偏差(CCD)对损伤的敏感度不高,易造成误判的问题,该文提出了一种结合主成分分析(PCA)与欧式距离(ED)的新损伤指标PCA-ED,并通过设计实验验证其对损伤的敏感性.搭建了CFRP损伤检测实验平台,设计了不同的损伤工况,测量不同损伤状态下压电换能器的电导曲线,使用PCA-ED与传统损伤指标进行损伤定量分析.实验结果表明,与传统损伤指标相比,PCA-ED指标对CFRP的损伤敏感度高.
压电微机械超声波换能器(PMUT)在医疗成像、测距、无损检测和流量感应等领域有着广阔的应用前景.针对传统结构PMUT输出声压较低的问题,该文提出了一种集成亥姆霍兹谐振腔的声压增强型PMUT.构建了声压增强型PMUT的等效电路模型,模拟并对比分析了声压增强型PMUT和传统PMUT的轴上声压.结果表明在70 kHz谐振频率下,声压增强型PMUT沿z轴的输出声压比传统的PMUT沿z轴的输出声压高约42％.测距结果表明,集成了亥姆霍兹谐振腔的PMUT最远测距能力达到2.62 m,比传统结构的PMUT提升了 27％.这种结构为PMUT在提升测距能力和拓宽应用场景方面提供了一种新思路.
压电叠堆的内部应力场是影响其可靠性的主要因素之一.基于COMSOL Multiphysics有限元软件,建立了精细尺度的压电叠堆有限元计算模型,通过理论分析验证了模型的准确性.对比分析了不同电极构型、陶瓷层厚度以及有无过渡段等细观结构特性对叠堆内部应力场的影响.结果表明,两种电极构型压电叠堆的内部都存在应力集中现象,叉指电极型叠堆的最大应力集中值远高于全电极;改变陶瓷层的厚度不影响叠堆内部应力集中的分布位置,最大切向应力随厚度的增大而减小,最大法向应力随厚度增大而增大;设置过渡段陶瓷可以有效地减少过渡部位活性陶瓷的最大应力集中值,增强压电叠堆的可靠性.
针对水声换能器的指向性旁瓣级问题,该文提出了一种低旁瓣非均匀圆形活塞平面水声换能器.该换能器在均匀圆形活塞换能器的基础上,采取去双环分布方法去除均匀圆形活塞换能器部分压电相体积,改变换能器结构,实现了抑制旁瓣的效果.以均匀连续平面活塞阵为基础,该文推导了去双环圆形平面活塞阵指向性函数,并采用Matlab对该指向性函数求解,分析两个环的位置和宽度随换能器指向性最大旁瓣级的变化规律,根据优化结果确定了换能器的最优尺寸.通过有限元仿真分析表明,该去双环圆形活塞换能器指向性最大旁瓣级为-25.3 dB,与均匀圆形活塞换能器相比,最大旁瓣级降低了 8.3 dB,实现了旁瓣抑制,有效降低了最大旁瓣级.
基于阿基米德螺线方程提出一种等间距螺旋电极压电驱动器,该文分析了其电极结构与驱动原理,采用丝网印刷法对该驱动器螺旋电极进行了印制,并完成待测元件的制备.搭建了位移测试平台测试元件的静态性能,并对其静态的径向位移及平面扭转角进行了研究.试验结果表明,直径?25 mm、厚2 mm、电极宽0.6 mm、电极中心距1.2 mm的等间距螺旋电极压电驱动器在频率0.5 Hz、电压200 V的正弦激励信号作用下,径向峰值位移可达1.02 μm,为传统电极压电元件的1.57倍,扭转角度可达0.12 mrad,与传统型压电驱动器相比,该元件具有较大的径向位移输出,且产生的扭转角度明显.
由于声表面波(SAW)测温技术因具有无源无线的特点而备受研究人员的广泛关注.该技术可应用在电缆接头内部的温度测量中,但因受电缆接头材料和结构的影响,使SAW测温信号传递受阻,严重影响了温度信号的检测.该文基于DWG-630A型电缆接头的结构和材料,设计了一款可用于电缆接头内部测温的天线.通过其理论分析、仿真及试验验证,证明该设计切实可行.结果表明,穿过电缆接头可传递SAW温度信号,并在工作频段内具有良好的增益和辐射效果.
核磁共振陀螺作为目前世界上体积最小的导航级陀螺,已受到国内外的广泛重视.核磁共振陀螺通过检测磁场中原子核自旋进动频率的改变确定载体角速度,其陀螺精度与磁场的均匀性、稳定性密切相关.导航级核磁共振陀螺需要飞特级磁场环境,高效磁屏蔽一般仅能完成5～6个数量级的磁抑制,还需进行主动磁补偿.该文从核磁共振陀螺磁场分布的理论分析出发,通过数学计算和计算机仿真,分析和研究了横向磁补偿系统的磁场分布,并对横向磁补偿线圈进行了优化设计.设计的核磁共振陀螺横向磁补偿系统磁场均匀性较优化前提高约13倍,满足了核磁共振陀螺的使用需求.该工作为核磁共振陀螺仪设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值.
