Recent development and applications of an optical method for measurements of thermophysical properties

The experimental determination of thermophysical properties has been greatly improved by the introduction of laser technology. The laser beam is used for sensing and also for heating (or exciting) the specimen. The advantage of using a laser beam is most strongly felt in the measurement of the thermal conductivity or the thermal diffusivity, which are some of the most difficult properties to measure. Interesting features of new techniques for investigating various aspects of thermal conductivity in fluids and solids are reviewed. An optical method, the so-called forced Rayleigh scattering method, or the laser-induced optical-grating method, has been developed and used extensively by the present author's group. The method is a high-speed remote-sensing method which can also quantitatively detect anisotropy, namely, direction dependence of heat conduction in the material. It was used for determination of the thermal diffusivity and its anisotropic behavior for high-temperature materials such as molten salts, liquid crystals, extended polymer samples, and flowing polymer melts under shear. Interesting applications of the method were demonstrated also for thermal diffusivity mapping and microscale measurement.Invited paper presented at the Twelfth symposium on Thermophysical Properties, June 19–24, 1994, Boulder, Colorado, U.S.A.     

Characterization of laser hardened steels by laser induced ultrasonic surface waves

Ultrasonic surface waves are suitable for the characterization of surface hardened materials. This is shown on laser hardened turbine blades. The martensitic microstructure within the surface layer of surface hardened steels has a lower surface wave propagation velocity than the annealed or normalized substrate material. Because the propagation velocity depends on the ratio of layer thickness to wavelengthd/, its measurement allows the determination of the hardening depth. If the surface wave frequency is high enough, the surface wave propagates mainly within the hardened layer. A correlation of the surface wave velocity to the surface hardness has been found. Because the variation of the surface velocity in hardened steels is small, a high measurement accuracy is necessary to obtain the interesting hardening parameters with sufficient certainty. Therefore, a measuring arrangement has been developed where laser pulses, guided by optical fibers to the surface hardened structure, generate simultaneously surface wave pulses at two different positions. The two ultrasonic pulses are received by a piezoelectric transducer. The surface wave velocity is obtained from the time delay between these pulses which is determined by the cross-correlation method. To evaluate simultaneously surface waves with different penetration depths from the same signal acquisition, digital filtering has been used in connection with the cross-correlation.     

基于开放光路FLRDS技术的C2H2和C2H6气体检测

磷酸铁锂电池因其较长的使用寿命和环保性,被广泛应用于储能系统。然而,近年来,储能电站安全事故频发,给电网稳定运行造成了威胁。在热失控过程中,磷酸铁锂电池会产生C₂H₂和C₂H₆等可燃气体,是造成燃烧、爆炸等灾害的重要原因。因此,实时准确监测储能预制舱内C₂H₂和C₂H₆等可燃气体的浓度是保障其安全稳定运行的关键。文中提出一种基于开放光路光纤环形腔衰荡光谱(fiber loop ring-down spectroscopy,FLRDS)技术的气体检测方法,可实现自由空间内微量气体在线监测。对梯度折射率(gradient index,GRIN)透镜的空间光耦合光学损耗进行理论和实验分析,建立插入损耗为0.95 dB的开放光路FLRDS气体检测系统。根据C₂H₂和C₂H₆红外光谱特性,开展激光光源性能测试。模拟开放空间气体环境研究了C₂H₂和C₂H₆的气体浓度检测方法,结果表明,该系统具有较好的稳定性,N₂背景下测量信号标准偏差S仅为平均值的0.156%。衰荡时间与气体浓度之间存在良好的线性关系,C₂H₂线性拟合度R²为0.998 32,C₂H₆线性拟合度R²为0.994 72。反演计算结果表明,C₂H₂和C₂H₆的最大相对误差分别为3.215%和4.72%,最大绝对误差分别为16.86 μL/L和12.74 μL/L,测量精度良好。     

基于“损耗-时间”最优的超级电容器充电策略

提出一种基于充电损耗与时间综合目标函数的超级电容器最优充电策略,根据预先提取的电容器“阻-流”特性在线确定不同运行条件下的最优充电电流。对Maxwell 2.7 V/10 F超级电容器单体进行测试,以验证所提策略的可行性。在此基础上,以1 kV/6.7 kW·h的超级电容器为例,通过MATLAB仿真定量分析了充电模式、荷电状态区间以及电容器老化对最优充电性能的影响。研究结果表明：所提策略可在超级电容器不同充电模式、荷电状态区间及老化状态下有效提升系统充电效能。     

双层伞状开孔的微测辐射热计红外吸收分析

建立了具有伞状吸收层结构的微测辐射热计探测单元的红外吸收模型。基于光学导纳矩阵法和阻抗匹配理论,采用三维电磁仿真软件CST,对伞状结构不同开孔尺寸和形状下模型的红外吸收特性进行了分析。结果表明,双层伞状开孔微测辐射热计光学性能与伞状结构开孔大小有密切的关系。该伞状微测辐射热计中引入开孔后,在保持较高的红外吸收特性的基础上,减少了探测单元热容,从而提升了器件响应速度。最终所得探测单元在8~14μm红外波段内的平均吸收率为85%,满足超大规模小像元非致冷红外焦平面探测器的设计要求。     

基于弹性形变摩擦力的光学天线伺服系统建模

提出了一种弹性形变摩擦力模型,用于描述光学天线伺服系统的非线性效应。弹性形变摩擦力模型将摩擦力表示为相对运动物体表面接触形变产生的弹性力,与Stribeck模型相比,弹性形变在相对运动过程中连续变化,消除了零速度摩擦力不连续性,与LuGre模型相比,参数较少且无需求解微分方程,降低了模型辨识难度。以伺服系统模型输出速度与实测输出速度的误差平方和为评价函数,采用遗传算法辨识基于三种摩擦力模型的伺服系统参数。实验结果表明:在相同的遗传进化迭代次数下,弹性形变摩擦力模型精度比Stribeck模型提高2.3倍,比LuGre模型提高4.6倍。验证了弹性形变摩擦力模型用于伺服系统非线性建模的可行性。     

基于时间域读出的大动态范围CMOS图像传感器

设计了一款基于时间域读出的大动态范围CMOS图像传感器。传感器基于一种新型的结构,其可在时间域下探测高输入光强,在模拟域下探测低输入光强。该设计在传统电容反馈式跨阻放大器(CTIA)的基础上,新增了时间域测量电路,在不改变原有积分过程的同时可实现连续的大动态范围。基于0.35μm,5V-CMOS工艺进行了256×1线列CMOS图像传感器流片,光电二极管面积为22.5μm×22.5μm,并对器件的光电特性进行了后仿真验证。仿真测试结果表明,基于时间域读出的图像传感器可实现96dB的大动态范围,且时间域和模拟域的两路输出信号可同步输出,功耗为7.98mW。     

小像元量子阱FPA抗光学串音的FDTD仿真

采用光栅耦合结构的焦平面阵列(Focal Plane Array,FPA)在工艺上难以制备,反射耦合结构较为容易。为探究反射耦合结构是否可以在小尺寸范围内替代光栅耦合结构,文章使用FDTD电磁场仿真软件MEEP构建了光栅耦合结构和反射结构GaAs/AlGaAs量子阱红外焦平面阵列三像元模。通过对器件内部光学串音进行仿真,验证了在逼近衍射极限时,采用全内反射结构的FPA在5~7μm和8.5~10μm之间的抗串音效果强于光栅耦合结构,而在6.5~8.5μm和10~12μm之间,光栅耦合结构的抗串音效果更好,在12~15μm范围内,两种结构的抗串音能力相当。针对15μm中心距全内反射结构量子阱FPA,探究了反射角度、刻蚀深度和量子阱周期对其串音的影响。     

嵌埋材料对分布式布拉格反射镜腔共振模式的影响

低维材料嵌入微腔已经广泛应用于纳米激光器和探测器等。为了实现增益材料和光学微腔之间的有效耦合,需要深入研究嵌埋材料对腔共振模式的影响。本文主要讨论了嵌埋材料的厚度、位置、腔层厚度以及分布式布拉格反射镜的对数对腔供着模式的影响。结果表明,腔共振模式随嵌埋材料位置的不同呈现周期性变化并且在λ/2光程周期内存在最大峰位移。最大峰位移随腔层厚度增加而减小,但与嵌埋材料的厚度成正比。分布式布拉格反射镜的对数不影响腔共振模式。这些结果为光学器件的设计和实验现象的分析提供了指导,并且可以应用于不同波长分布式布拉格反射腔结构。     

考虑死区的水轮机调节系统非线性自抗扰控制

针对含死区环节和机械时滞的水轮机调节系统,提出了一种改进状态误差反馈控制律的自抗扰控制方法。首先,考虑电液随动系统传动过程中存在的间隙特性,建立含非线性死区环节和机械时滞的水轮机调节系统数学模型。其次,通过坐标变换将具有死区和时延特性的状态空间方程转化为可控标准化数学模型。然后,引入PID积分环节,设计新型的自抗扰控制器,消除状态误差反馈控制律处理误差信号过程中出现的抖振现象。最终,基于Lyapunov稳定性定理,分析系统误差方程,证明了扩张状态观测器的收敛性。仿真结果表明,所提控制器在不同运行工况下的控制效果均优于PID控制和传统自抗扰控制,验证了所设计控制器的有效性和优越性,具有良好的参考价值。