Model of electrical characteristics of SiPM array and optimization of front-end design for three-dimensional depth sounder

从硅光电倍增管(SiPM)单个微元的微等离子体电子行为模型出发,分析了SiPM的电子特性,提出了SiPM前端电子学最优设计方案.阐述了SiPM的工作机理,给出了SiPM的电子行为模型,分析了SiPM应用于水下三维测深的优势.根据水下测深信号的回波特性,设计了高速、高带宽的前置放大器,并对前置放大器进行了交流分析和瞬态分析.结果表明,该前置放大电路在带宽内具有很高的增益平坦度,相位裕度大于60°,基本保证了信号的完整性,同时保持了激光脉冲的波形.分析和测试结果表明,该探测器和电路设计方案完全能够满足水下三维测深的需要.     

数字荧光示波器1.2GHz带宽前置放大器设计

本文介绍了数字荧光示波器1.2GHz带宽前置放大器的设计方法。首先介绍了系统的总体设计,然后给出了各个模块的设计,主要包括无源衰减网络的设计、阻抗变换网络的设计以及数控增益放大器的设计这三个部分。经过分析证明,该前置通道放大器实现了示波器基本功能,各项功能均能达到指定要求。与传统前置模拟通道放大器相比,该模拟通道放大器具有更高的带宽、更小的插入损耗等优点。     

新型纳米阻抗显微镜前置放大器的设计

基于扫描隧道显微镜的新型纳米阻抗显微镜（STM-NIM）能够测量材料表面的纳米微区阻抗性质并具有分辨率高的突出优点，但传统STM前置放大器的频率带宽不能满足STM-NIM测量模式的要求，因而需要设计新型前置放大器。STM-NIM前置放大器必须在噪声和频率带宽两方面同时具有非常优良的性能。本文利用STM及NIM信号的特点，通过将信号一分为二并对电路进行优化，研制出了满足STM-NIM测量要求的新型前置放大器。测试表明，该前置放大器能同时用于NIM阻抗测量和STM形貌扫描；其NIM信号的频率带宽达到300kHz；其STM信号的噪声约为0．8mV，能满足原子级分辨成像的要求。     

微机械陀螺检测接口建模及前置放大器优化

为了进一步提高微机械陀螺的极限分辨率,建立了基于SOI工艺的微机械陀螺的检测接口模型,并设计了与之相匹配的前置接口放大器.首先,根据陀螺表头的实际结构建立了微机械陀螺表头的RC集总参数模型和微机械陀螺检测接口的噪声模型,分析了检测接口主导噪声源及提高极限分辨率的措施.然后,在跨阻式前置放大器的基础上设计了改进的与检测接口匹配的T型前置放大器.实验结果表明:相比于跨阻式前置放大器,采用改进的T型前置放大器的等效噪声输入电流由1.18 pA/√Hz降低至0.27 pA/√Hz,对应的电容极限分辨率可达到0.62 aF/√Hz.结果显示,采用与检测接口匹配的T型前置放大器提高了微机械陀螺的极限分辨率.     

冲蚀对射流管伺服阀前置级工作特性的影响

以射流管伺服阀的前置级为研究对象,分析冲蚀对前置级工作特性的影响。基于Fluent有限元仿真软件,建立前置级可视化冲蚀模型,仿真得到前置级的冲蚀部位与冲蚀量,并将仿真结果与前置级冲蚀实物进行对比分析。根据前置级冲蚀实物的结构形状,建立冲蚀后的前置级三维模型,利用数值计算的方法研究前置级的冲蚀对其工作特性的影响。结果表明:前置级冲蚀最严重的部位是劈尖,劈尖的冲蚀率随喷嘴位移的增大逐渐减小,仿真结果与前置级冲蚀实物相一致;前置级的冲蚀会导致前置级的左右接收孔压差和流量减小。研究对射流管伺服阀前置级冲蚀部位的预测和故障诊断具有指导作用。     

偏导射流阀前置级流场计算与分析

根据射流盘处的结构和液流的实际运动情况,综合考虑射流过程中能量转化过程,提出了偏导射流放大器的二次射流模型,得到偏导射流阀前置级紊动射流的速度分布和时均动能变化,进一步研究了阀芯在中位条件下接收口的压力特性。结果表明了该模型具有合理性,为偏导射流阀的进一步研究提供了理论依据。     

BP神经网络流量计量的户用电子水表设计

设计了一种基于差压式测量原理的户用电子水表结构,并利用Pro/Engineer和Fluent软件对该结构分别进行了三维模型的构建和压损分析。同时,依据BP神经网络可以进行非线性拟合的特性构建了流量计量模型,用以避免新型差压式结构复杂的流量公式推导与修正,通过Matlab软件完成了该计量模型的相关训练与测试,并完成了该计量模型的移植。最后,对采用该流量计量模型的户用差压式电子水表实测流量数据进行了误差分析,验证了该方案的正确性及可行性。     

AD7862及其在智能电子水平仪中的应用

介绍了一种新型的应用于小角度测量的智能电子水平仪的设计。采用差动电容式倾角传感器与温度特性好的精密电阻构成阻容电桥；ICL8038作为交流电桥的激励源；超高速缓冲放大器LH0033和二次线性放大电路组成前置放大器；采用新型的12位A／D变换器AD7862，对电桥不平衡电压经前置放大器放大后的信号及激励源输出电压，作为两路信号同时进行采样和A／D转换，以消除激励源电压波动的影响。最后给出了具体的智能电子水平仪的硬件设计电路。     

面向概念设计的三维模型多条件组合检索研究

针对单一检索条件难以满足产品概念设计阶段对三维模型模糊检索的问题,对铁路电气化行业中机电产品三维模型信息表达进行了分析,构建了基于功能形式化建模的零件库资源本体,在考虑语义距离、语义重合度、层次深度3个因素的基础上,对本体的语义相似度计算原理进行了研究,同时对产品类别、功能或特性进行了相似度计算,实现了以类别_功能_特性为检索条件的组合式扩展查询方案,提出了一种基于本体的三维模型多条件组合检索方法;最后介绍了三维模型检索系统的设计框架及实现,并以检索电子元器件中常用模型—某型号接触器为例进行了系统的实例验证。研究结果表明:利用本体的语义关系,该系统可以有效地支持三维模型的语义扩展检索,有助于模型的设计重用。     

单摆激振系统频响特性分析

为实现中小型结构的可靠激励,笔者在球-板碰撞模型基础上设计了单摆激振系统,通过理论及仿真分析方法进一步分析了系统各参数对结构频响特性的影响,并通过实验验证了该方案的可行性。分析了水下环境对系统激振频响特性的影响。理论和实验结果表明:该激振方法简单可靠,可操作性强,能够激起实验要求的宽频带范围并达到计算要求的信噪比。     

基于双基地声纳的港口航道水深实时监测系统

针对部分港口航道航程较长、宽度狭窄、水深受限、淤积严重等特点,研制了一套基于双基地声纳实现港口航道水深实时监测的实用化系统.该系统采用1对收发分置的高频、小波束开角换能器实现声信号的发射与接收,利用GPS同步技术实现声纳发射单元和接收单元的同步工作,采用单片机与FPGA相结合的电路设计方案实现对水声信号的延时采集与处理.声纳发射单元和声接收单元分别安装在航道的两侧,不影响航道船舶的正常航行.海上定深监测和变深监测实验结果表明该系统稳定可靠,实时性好,尤其对狭窄航道的水深实时监测具有很高的应用价值.     

基于硫化铅探测器的信号检测电路设计

在靶场测试中,炸点时刻的探测对导弹引信的设计具有重要意义。弹丸炸点红外信号检测电路将炸点时刻信号传送给后续电路进行处理,最终得到炸点时间参数,为导弹的引信设计、制造以及改良均提供了必要条件。硫化铅探测器的信号检测电路经合理设计,将检测电路分为两部分分别进行设计,首先为硫化铅探测器设计了合适的前置放大电路,实现与硫化铅探测器的阻抗匹配,其次通过选择合适的高精密仪表运放设计主放大电路,实现高倍数的电压放大,同时达到有效抑制干扰信号和噪声的目的。最终通过实验,电路实现了对炸点的信号的捕捉并具备较好的信噪比。     

激光焊接质量多传感器实时检测系统硬件平台设计

简述了应用于CO2激光焊接过程监测的多传感器实时检测系统硬件平台的设计。针对激光焊接的特点，在对焊接过程中各种物理现象进行分析的基础上，提出了采集可见光、红外光和声三路信号并进行多传感器信息融合的实时监测方式；介绍了针对激光焊接过程中产生的声、光信号的采集与信号调理电路的设计原理，给出了相应的电路原理图。最后通过采用SVM分类算法对系统采集到的信号特征进行了分类测试、试验及分析，证明了系统的有效性和可靠性。     

大动态范围外延电阻淬灭型硅光电倍增器

外延电阻淬灭型硅光电倍增器(EQR SiPM)的特点是利用硅衬底外延层来制作器件淬灭电阻。为了进一步提高大动态范围EQR SiPM的光子探测效率,并且解决填充因子较低和增益较小等问题,在前期研究工作的基础上研制出微单元尺寸分别为15μm和7μm的EQR SiPM,有源区面积均是1 mm×1 mm。通过改变EQR SiPM的微单元尺寸优化填充因子,有效提高了探测效率与增益;其微单元密度分别是4400个/mm 2和23200个/mm 2,依然保持着较大的动态范围。室温条件下(20℃),工作在5 V过偏压的EQR SiPM至少可分辨13个光电子;15μm和7μm EQR SiPM的增益分别为5.1×105和1.1×105,在400 nm波长下的峰值光探测效率分别达到40%和34%。     

光学隐蔽深度测量系统的小型化设计

为了保障航行器水下航行时对可见光波段光学隐蔽的需求,以及实时测量其所在位置的光学隐蔽深度,设计了小型化可见光波段的光学隐蔽深度测量系统。根据光学隐蔽深度模型,优化设计了海水上行辐照度、海水下行辐照度、海水漫衰减系数、海水体衰减系数的测量方法。优化设计后的系统有21个测量通道,测量光谱为390~667nm,工作深度可达50m。进行了海上试验,试验结果显示:在天气良好的条件下,水下航行器在520~560nm可见光波段内存在暴露窗口,同时测得特征长度为0.75m的模型的光学隐蔽深度为3.5m。得到的结果表明,设计的小型化可见光波段光学隐蔽深度测量系统可以实现光学隐蔽深度的测量,测量装置具有体积小、重量轻、系统性能稳定等优点,适用于水下航行器搭载,可为下一步实现可自主升降的光学隐蔽深度测量系统设计提供理论技术支撑。     

微流控芯片340nm紫外探测电路设计

针对微流控芯片对紫外探测的性能要求,设计了探测器前置放大电路。通过理论分析和计算机仿真给出了光电探测器放大电路分析设计的一般方法,使得所设计的电路可同时满足稳定性和快速性的要求。经实验证实,所设计的电路可很好地满足微流控芯片对340nm紫外探测的要求,并达到较高探测精度。     

一种气动三维平台设计

目前压水堆乏燃料组件池边检查多采用水下三维平台，利用伺服电机驱动传感器完成乏燃料组件检测，该工艺存在驱动设备成本高昂，且驱动系统外形庞大等缺点。针对上述情况，研制了一种气动三维平台。该平台采用气动马达代替水下伺服电机，不仅有效减少了成本，而且提升了系统的安全性，并通过气路分区设置，将被沾污和干净部件进行有效隔离，防止部件交叉污染。同时，该平台还引入防水倒灌回路设计，使平台能够长时间暂存在乏燃料水池，不影响平台的重复使用。后续的性能试验和工程实践表明，所设计的气动三维平台工作稳定可靠，满足压水堆乏燃料组件池边检查要求。     

基于Matlab/Simulink的火箭深弹水中弹道可视化仿真

利用Matlab/Simulink软件编制了Simulink程序框图,模拟计算了某火箭深弹以不同射角入射的水中弹道,并对速度变化、射角变化和弹道特点进行分析,计算结果与理论分析基本相符,所构建的火箭深弹水中弹道可视化仿真,能够为火箭深弹的改进设计提供一定的参考。     

机载主被动一体化微波探测仪结构设计与分析

利用机载主被动一体化微波探测仪进行土壤湿度的探测对高精度土壤水分反演具有重要意义。文中根据探测任务需求以及机载试验复杂的力学振动环境和温度环境,开展了探测仪的结构设计,并对系统结构开展了力学仿真分析和热设计,验证了结构设计的合理性。经过机载校飞试验的实际考核,样机满足机载环境使用要求,探测仪系统工作正常。该探测仪结构具有布局紧凑、精度高、工作稳定、安装方便等优点,可为同类机载校飞载荷的结构设计提供参考。     

A preamplifier for the muon system of the CBM experiment

The structure and results of the experimental study of the application specific integrated circuit, which contains two versions of a preamplifier for reading out and preprocessing signals of muon chambers, are presented. An integrated circuit was designed for operation in the muon system of the International Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment at the FAIR accelerator facility (Darmstadt, Germany). It was manufactured by the CMOS technology with 0.18-μm design rules of the UMC company (Taiwan) via the Europractice European organization.