一种开放性悬芯光纤SPR传感器结构设计与性能优化

为了同时兼顾实时流体传感与高灵敏度检测需求,结合开放式悬芯光纤与表面等离激元共振技术,设计了一种开放式三孔悬芯光纤表面等离激元共振(SPR)传感器结构.其特点是悬芯光纤中的一个大气孔对外开放,并在此气孔内侧沿着纤芯轴向设置大小、间距相同的金圆柱结构.金圆柱的存在可以激发SPR效应,通过选择合适的圆柱间距可以有效增强SPR效应与传感器灵敏度.分析了金圆柱直径、间隔和被测流体的折射率变化对传感器的传输损耗谱、场增强效应和灵敏度的影响.分析结果表明,所提出的传感器参数经优化设计后,其SPR传感灵敏度可以高达2.5×10~(-4) nm/RIU.本文研究内容对相关实时光纤SPR传感器设计具有参考价值.     

基于LC并联谐振的轴向自感式位移传感器设计

为了满足磁悬浮轴承面向更高精度的发展需求,提出基于LC并联谐振的轴向自感式位移传感器.通过增大谐振回路的等效电感变化率,提高传感器的灵敏度.分析传感器的工作原理.通过有限元仿真,研究传感器设计参数与灵敏度之间的关系.设计传感器的测量电路,结合有限元仿真和数值仿真,分析LC并联谐振对传感器灵敏度的影响.搭建实验台,对传感器的静态性能进行测试.结果表明,相对于传统的位移传感器,提出的传感器具有更高的灵敏度与更低的线性度.     

局部放电高性能电流传感器的设计

设计了一种基于罗氏线圈的高频电流传感器,对高频等效电路模型进行了理论计算,分析了影响传感器性能的各项参数.然后用Matlab软件对传感器进行仿真,总结参数变化对传感器性能影响的规律,最终确定适合本设计的传感器参数.最后对传感器加装处理电路,实现信号幅频响应通带到阻带快速降落的良好边界性能.测试结果表明,在特定频段内该传感器具有频带宽、灵敏度高及通带到阻带降落迅速等特点,性能良好.     

周期孔状金属薄膜传感器的研究

采用镂空模板法制备了大面积周期孔状金属薄膜,实验揭示了金属小孔阵列在中红外波段的异常透过率增强现象。通过对周期孔状金属薄膜处于不同周围介质下得到的透射谱的研究发现,透射峰随着周围介质折射率的增大会有很明显的红移。比较周期孔状金属薄膜传感器非对称结构和对称结构的灵敏度发现,其对称结构下的灵敏度要高于非对称结构下的灵敏度。通过改变金属薄膜的一些参数,得到金属薄膜厚度和基底折射率为100 nm和1.3时灵敏度最大,分别为12 383 nm/RIU(refractive index unit)和12 667 nm/RIU;灵敏度随周期性孔径的增大而增大;孔的形状与圆的差别越大,灵敏度越高;灵敏度随孔中介质折射率的减小而增大。     

镀层材料对FBG传感器压力灵敏度影响的研究

研究了金属镀层材料和镀层厚度对FBG传感器压力灵敏度的影响，探明了FBG传感器压力灵敏度与镀层材料属性和镀层厚度间的关系。实验中采用不同材料、不同厚度的金属套管充当金属镀层，光纤与金属套管间的缝隙用环氧树脂均匀填充。结果表明：传感器压力灵敏度变化理论曲线与实验所测曲线一致，并且FBG传感器灵敏度提高了5～10倍。     

石蜡基纳米金属复合相变材料热性能的实验研究

以石蜡为复合相变材料的基体,分别添加氧化铜、二氧化硅和氧化锌的纳米颗粒通过两步法制备多种石蜡基纳米金属复合相变材料。通过改变所添加纳米金属颗粒种类、质量分数和颗粒粒径,对比分析实验模型内复合相变材料蓄放热过程的温度曲线,来探究以上参数对复合相变材料热性能的影响。结果表明,通过添加纳米金属颗粒的方式能够有效提升石蜡的蓄放热性能,添加氧化铜颗粒的效果要优于氧化锌颗粒和二氧化硅颗粒;复合相变材料的导热系数和动力黏度均随颗粒浓度的增加而增大,两者共同决定着复合相变材料的换热过程能否被强化;纳米金属颗粒的粒径越小,越有利于增强对复合相变材料的热性能,添加30 nm粒径纳米颗粒相对于100 nm粒径纳米颗粒蓄热速率能提升26%,放热速率能提升41%。     

用铁基块状金属玻璃作为磁芯的传感器工作特性

差动变压器式传感器是一种广泛应用于工业生产现场的传感器,由于决定这类传感器输出特性的结构参数较多,如线圈匝数、磁芯直径、骨架材料和几何形状等,因此在系统参数优化配置时较为困难,实际中都选择优质材料和高精度的加工工艺来保证优良的输出特性.研究了(Fe50Co50)72B20Si4Nb4铁基块状金属玻璃(Bulk Metallic Glass,简称 BMG)作为差动变压器式位移传感器的磁芯材料的传感特性;实验结果表明:在相同条件下 ,采用金属玻璃作磁芯的传感器灵敏度比用波莫合金灵敏度更高,稳定性更好,信噪比更大,在较高的激励电源频率ω下铁损更小;而且金属玻璃制成的磁芯尺寸小、电阻率高、涡流损耗小,因此能把电流的重复频率取得比较高,有效地扩展了传感器的频率响应范围.     

高压激励电容层析成像系统传感器阵列设计

为了解决高压交流激励电容层析成像系统微小电容检测的灵敏度和分辨率更高给电容传感器阵列设计带来的新问题,分析了极板长度和极板张角对几个重要的传感器阵列评价指数的影响,利用仿真方法评估了不同极板参数条件下中心型、层流型和环流型的重建图像的空间图像误差,并以此为依据确定了一组极板参数.最后给出了根据设计参数制作的8极板传感器阵列模型及高压激励电容层析成像系统的图像重建实验结果.实验结果证明:所设计的传感器阵列达到了设计的预期目标,所确定的参数方法是可行的.     

牺牲层结构压力传感器技术

为使多晶硅纳米薄膜良好的压阻特性在微机电系统压阻传感器中得到有效应用,在设计牺牲层结构压力传感器芯片中探索性地采用多晶硅纳米薄膜作为应变电阻,并对这种传感器的工艺方法进行了研究.通过对牺牲层材料及结构的分析,给出了传感器的工艺流程,指出其中存在的工艺难点并给出了解决方法.利用牺牲层技术和多晶硅纳米薄膜制做压阻传感器,不但可以提高传感器的灵敏度,还可改善温度特性,而且可与集成电路工艺相兼容.     

弹性半无限空间中矩形孔收缩的复变函数解答

随着城市建设的发展,矩形隧道的应用越来越多,但针对矩形隧道的理论研究却鲜有见闻。针对矩形隧道,建立了半无限空间矩形隧道的弹性理论计算模型,采用最小二乘迭代方法确定共形映射函数的各项系数,并将计算区域映射为复平面上的一个同心圆环;运用Muskhelishvili复变函数方法,将计算区域内的应力函数展开成为Laurant级数的形式,给定了地表零应力边界和矩形孔口径向位移边界,求得了半无限空间矩形隧道在给定位移条件下的应力场和位移场。分析了不同高宽比、不同泊松比、不同埋深对位移场和应力场的影响,总结了矩形隧道位移场和应力场的一般规律。结果表明：高宽比偏小、泊松比偏大、埋深偏小都会使得沉降槽不再是类高斯曲线的形状,这些参数的变化也会在不同程度上影响应力场和位移场的大小和分布。     

铁磁壳层纳米颗粒周围局域电场的研究

研究了在外加磁场的影响下,铁磁流体溶液中壳层纳米颗粒周围局域电场的分布.其中,壳层结构的铁磁纳米颗粒是由磁性纳米颗粒(钴)核与贵金属(金)壳组成.该结构将金属的光学性质和颗粒的磁场驱动效应有效地结合起来.在外加磁场的影响下,复合铁磁颗粒将会沿着外加磁场的方向排列,形成磁纳米链.磁纳米链中复合颗粒在外加磁场的影响下发生极化,导致颗粒之间产生相互作用.通过解拉普拉斯方程,可以得到复合颗粒周围局域电场的表达式.计算结果表明,壳层颗粒周围的局域电场与金属壳层厚度、复合颗粒之间的距离以及颗粒中心连线的夹角有密切关系.     

CFRP和角钢复合加固混凝土矩形柱轴心受压承载力

采用统一强度理论,对碳纤维布(CFRP)和角钢复合加固混凝土矩形柱的轴心受压机理和约束模型进行分析,考虑碳纤维布和角钢材料的特点及对混凝土的约束作用,提出了该复合加固混凝土矩形柱的轴心受压承载力计算公式.将本文计算公式与文献试验结果进行对比,验证了该理论公式的正确性,并进行参数分析,得出参数k及倒角半径等因素对承载力的影响规律.该结果为此类复合加固混凝土矩形柱轴心受压承载力的计算提供了一定的理论依据.     

纳米金/琼脂糖复合凝胶制备及其催化性能

以琼脂糖作为模板、稳定剂和还原剂,通过一步法合成了纳米金粒子及纳米金/琼脂糖复合凝胶,对纳米金粒子进行了表征,并以对硝基苯酚催化还原为模型反应研究了纳米金/琼脂糖复合凝胶的催化性能.结果表明,纳米金粒子为球状,粒径为1~10nm,分布较均一;纳米金/琼脂糖复合凝胶表现出明显的催化活性,在实验条件下完全反应时间约为30min.在重复利用实验中,该复合凝胶的催化性能随使用次数增多有一定下降.通过琼脂糖和氯金酸一步法制备纳米金/琼脂糖复合凝胶,方法简单、使用方便、后处理容易,为新型纳米金属催化剂的设计、合成及应用提供了新的思路.     

废金属分选机传感器性能及其影响因素研究

废金属分选机利用接近传感器对混合物料中的金属物料进行检测,因此接近传感器的性能是影响分选效果的重要因素。灵敏度和线性范围是评价接近传感器性能的主要指标,为研究工艺参数对传感器性能的影响规律,提出了传感器线圈感抗和其变化率关于检测物料导电率的关系函数,并用该函数来评价传感器的性能。通过有限元分析方法得到不同参数下的函数曲线,得出检测距离越小,线圈外径或内径越大,线圈厚度越小,传感器性能越好的结论。为提高传感器的性能提供参考。     

基于Fe_3O_4-PEI纳米粒子构建葡萄糖传感器的研究

采用共沉淀法制备核层为四氧化三铁(Fe3O4)壳层为聚乙烯亚胺(polyethyleneimine,PEI)的磁性复合纳米粒子Fe3O4-PEI.扫描电子显微镜和透射电子显微镜表征结果显示,制备的磁性复合纳米粒子Fe3O4-PEI粒径均匀,直径约为25 nm.通过振动样品磁强计比较Fe3O4-PEI和Fe3O4纳米粒子的磁滞回线,结果表明,经PEI包覆后复合纳米粒子饱和磁化值为38.2 emu/g,仍具有较好的磁性.热重分析表明,包覆在Fe3O4纳米粒子表面的PEI质量分数约为23.26%.通过静电作用,实现了Fe3O4-PEI复合纳米粒子对葡萄糖氧化酶的负载,以铂电极为基底电极,制备了Fe3O4-PEI-GOx/Pt葡萄糖传感器.在最优测试条件下,该修饰电极对葡萄糖表现出优异的电化学催化性能,具有灵敏度高、抗干扰能力强、稳定性好的特点.     

基于ATLAS新型硅磁敏三极管特性仿真研究

通过分析矩形板状立体结构新型硅磁敏三极管基本结构、工作原理和特性,采用Silvaco的ATLAS软件建立新型硅磁敏三极管仿真结构模型,研究基区宽度、复合基区长度等几何结构参数对新型硅磁敏三极管I-V特性、磁电特性和温度特性的影响.仿真结果表明,新型硅磁敏三极管仿真结构模型具有正反向磁灵敏度、集电极电流具有负温度系数,与新型硅磁敏三极管实验特性比较,分析给出几何结构参数对新型硅磁敏三极管特性的影响.     

电晕放电纳米碳管气敏传感器的实验研究

基于气体电晕放电原理，利用纳米碳管独特的物理结构和尖端发射效应，提出了一种新型的纳米碳管离子型气敏传感器.采用阳极氧化铝模板法生长的定向纳米碳管阵列所构成的传感器，其纳米碳管和电极是一体的，简化了器件结构和工艺.在外加直流电压的激励下，纳米碳管顶部形成很强的非均匀电场，在电压相对低的情况下能很容易地电离气体，根据气体的击穿电压和放电电流来实现对单一气体和确定性组合气体的检测.实验中还分析了温度、湿度对传感器的影响，对该传感器的性能也作了评价.实验结果表明，该传感器具有选择性好、体积小、响应时间快、灵敏度高、稳定性好、室温操作等优点，而且实现方便，操作简单，有较大的实用价值.     

不同单元FSS对雷达吸波材料特性影响的对比研究

设计了中心频率相同的圆环、十字、Y孔三种常见单元的频率选择表面(FSS)结构,并将三种单元FSS置于吸波材料中构成复合吸波结构。利用谱域法对三种复合吸波结构进行了仿真,研究不同单元FSS对吸波材料特性的影响,给出了影响规律,为常见单元频率选择表面在吸波材料中的应用提供了单元选择依据。     

基于矩形贴片天线的应变测量技术

为了研究基于矩形贴片天线的应变测量技术,根据传输线模型,分析了矩形贴片天线与应变间的作用机理,明确了天线辐射单元尺寸受应变影响,可导致贴片天线中心频率发生偏移,且获得了频率偏移量与应变间的线性关系理论表达式.设计3种不同中心频率的矩形贴片天线,利用高频结构模拟器(high frequency structure simulator,HFSS)电磁仿真软件和拉伸应变检测系统,对不同应变状态下,贴片天线中心频率随应变的变化趋势进行了仿真与实验测试.仿真和实验结果表明:贴片天线的中心频率的偏移量与应变之间线性关系明显,且贴片天线的中心频率越高,应变灵敏度越大.利用矩形贴片天线作为应变传感器,可满足结构应变测量要求,为结构健康无线监测研究奠定了基础.     

压力传感器和优化设计

对压力传感器进行了优化设计，利用有限元法求解矩形弹性膜的位移方程之后，得到了膜上的应力分布，为力敏电阻找出了最佳位置，并指出了输出信号和灵敏度的大小。