郭莉[1]2002年在《石英晶体扭转效应的仿真与优化》文中研究说明本文在博士学科点基金和自然科学基金的资助下，从工程实际出发，运用晶体物理学、电介质物理学、弹性理论、数值分析等交叉学科的理论成果，对石英晶体扭转效应进行了研究。应用各向异性柱体扭转理论，探讨了石英晶体在扭矩作用下内部复杂的应力场分布，给出了应力场的数值解法。联系石英晶体的压电效应，计算出内部的电极化场，并利用电场等效原理求解出等效电极化体电荷与面电荷分布。从理论与实验两个方面确定了石英晶体扭转效应的存在。建立了压电晶体扭转效应中电学量和机械量的关系。 在建立石英晶体扭转效应模型的基础上，应用多变量、无约束非线性优化方法对于晶体切型、截面形状等参数进行了优化，以获得最佳扭转灵敏度。优化结果得到了实验的有力支持。这一结果对于石英晶体扭转效应在工程中的应用有重要意义。 附录给出了基于MATLAB的仿真与优化程序。
江亮[2]2007年在《压电材料多次压电效应理论模型的仿真研究》文中提出自1880年Curie兄弟在石英晶体上发现压电效应以来，压电效应的理论和应用研究已取得了突飞猛进的发展。然而，一直以来的压电效应研究均属于一次压电效应领域。由于科学技术发展和工程实际需要，随着多次压电效应的感生电场和感生应变越来越微小化，需要进一步对多次压电效应的理论与应用进行研究。本文分析了一次、二次以及多次压电效应与压电体机械、电学边界条件的关系，讨论了多次压电效应产生的前提是满足相应边界条件，结合不同边界条件，进行了从一次正、一次逆压电效应开始的多次压电效应的理论分析，建立了多次压电效应的解析表达式，分析了多次压电效应对压电体介电系数、弹性系数、压电系数的影响规律。在此基础上，本文分别针对压电石英晶片和PZT-5压电陶瓷片进行建模，运用大型有限元分析软件ANSYS对从正压电效应开始的一次正、二次逆以及从逆压电效应开始的一次逆、二次正进行了模拟仿真，证明了二次正、逆压电效应的存在，把输出结果和多次压电效应表达式计算结果进行比较，验证了理论解析表达式的正确性。在理论分析和模型仿真的基础上，本文使用PZT-5压电陶瓷的迭堆形式，进行了从正压电效应开始的一次正、二次逆、叁次正压电效应以及从逆压电效应开始的一次逆、二次正、叁次逆压电效应的实验验证，证明了多次压电效应的存在。由于多次压电效应的各次正、逆压电效应是在同一压电体内依次存在的双向效应，其原理特别适合应用于传感器、执行器集成一体化的研究。因此，该研究对于微机电系统(MEMS)的发展具有积极意义。
李东[3]2015年在《集成式压电六维力传感器测量原理与技术研究》文中认为作为测试与控制系统的首要环节,六维力传感器能够同时获取被测物体在叁维空间下所受的叁个力分量以及叁个力矩分量,在航空航天、智能机器人以及军工等重要领域有着广泛的应用且作用日益突出。但随着力的测量要求的提高以及测量条件愈加苛刻,在一些对传感器安装空间要求比较严格或者对动态测量要求较高的领域,比如高超声速气动力各分量的测量以及微型机器人关节力的实时测量等,受限于六维力传感器的性能或者结构尺寸等因素,目前的六维力测量技术还无法获得良好的测量结果,研制一种小尺寸集成式压电六维力传感器具有十分重大的科学意义和应用价值。本文从压电效应以及各向异性弹性力学等基本理论出发,对石英晶片在六维力作用下晶面感生电荷密度分布规律进行了研究,并基于此规律研制了一种小尺寸集成式压电六维力传感器,最后通过标定实验获得了该传感器的相关性能指标,具体工作如下：首先,基于各向异性材料力学,分析了六维力作用下石英晶片内部弯矩和扭矩的耦合作用,探究了六维力作用下石英晶片内部应力分布情况并求得了六个应力分量,结果表明晶面法向应力与法向力以及弯矩线性相关,剪切应力与扭矩以及剪切力线性相关。在压电效应基础上,建立了六维力作用下的单石英晶片面域电荷密度与六维力系之间的映射关系和压电方程式,采用分割面域的分析方法求得了每个面域内的电荷量与六维力力系之间的线性方程组,并推导了六维力的解耦公式；运用Ansys软件对六维力作用下石英晶片的压电效应进行了仿真分析,获得了晶片表面电势分布云图以及晶片内电场矢量云图,此外还仿真分析了石英晶片在复合加载作用下的效果与各单独加载作用下所得效果之间的关系。基于理论分析并利用分区域电荷采集的方法,设计了一种只使用了叁组单元晶组的六维力石英晶组,并以其为核心元件研制了一种集成式压电六维力传感器,相比于多点支撑式压电六维力传感器,该传感器结构尺寸得到了大幅的缩减；通过对集成式六维力传感器进行静态标定,获取了传感器在各维力下标定曲线以及非线性误差、重复性误差和横向干扰等静态指标,并对干扰误差进行了补偿分析。理论分析和实验结果都表明了单石英晶片／晶组实现多维力测量以及研制一种集成式压电六维力传感器的可行性,极大地激发了新型六维压电式传感器的设计理论创新思路,丰富了压电测试理论,有效减小了六维压电测试系统的尺寸规模,满足了狭小空间内多维动态力的测量,促进了压电石英六维力测量技术在航空航天、军工等领域的应用。
余亮琴[4]2005年在《石英音叉微机械陀螺的微弱信号数字检测技术的仿真与系统误差研究》文中认为石英音叉微机械陀螺是一种新型的微机械振动角速度传感器,由于其具有成本低、尺寸小、可靠性高、寿命长,又能在恶劣环境中工作的独特优点,逐渐在军事运用和商业应用方面显示了广阔的前景,以微陀螺为核心部件的微惯性测量组合(MIMU)的发展也日益蓬勃。但是陀螺的精度却越来越适应不了更高要求的应用场合。针对石英音叉微陀螺的微弱信号检测技术,本文通过仿真表明:利用数字相关解调方法提取陀螺信号可以很好地提高检测精度。本文主要在压缩信号带宽提高信噪比和分析误差源以减小系统误差两个方面展开分析研究,主要内容如下:1.阐述陀螺的工作机理,说明压电效应的物理机制,根据电极优化配置的电场强度分布分析微观晶元的所受应力,说明了石英音叉各种振动模式的动力来源2.仿真分析微弱信号数字检测技术在提高信号检测精度方面的优越之处,验证其利用压缩带宽提高信噪比的方法在陀螺信号解调上的可行性;对不同数字滤波器进行性能比较优化选择3.详细分析了温度变化对谐振频率、机械品质因素等的影响,得到谐振频率随温度变化趋势曲线,指出补偿温度变化对稳定信号输出的重要性4.利用声卡设计实用的数据采集系统,将声卡实际采集的数据结合仿真程序进行数字相关解调分析,零位偏值过大,线性度也不够理想,因此要合理选取前置放大系数,信号中的非线性误差也需要进一步消除5.分析了导致陀螺系统产生零位偏值、零位漂移、相位偏移以及随机噪声的原因,具体分析了几种主要因素(如质心偏离、不正交等)产生的机械耦合对系统的影响本文的仿真分析充分表明数字相关解调可以有效提高微弱信号检测精度,将之应用于石英音叉陀螺的信号检测是切实可行的;系统误差源的分析也为今后改进加工工艺,进行系统优化设计奠定了基础和提供了方向指导。
韩丽丽, 孙宝元, 钱敏, 高长银[5]2006年在《压电石英晶体扭转效应的ANSYS分析》文中提出在通过各向异性弹性理论和麦克斯韦理论研究Y 0°切型石英晶片的扭转效应,得出其扭转应力场和非线性极化电场分布的基础上,利用AN SY S的耦合场分析验证了压电扭转效应的存在.通过建模、划分网格、求解和后处理几个典型的步骤得到Y 0°切型石英晶片的应力值和极化电压,显示其与所加载的扭矩值成明显的线性关系.而采用分割电极的方法进行实验,其数据也证明了理论分析及有限元分析的正确性.
高长银, 吴晓铃, 钱敏[6]2011年在《基于晶体变形的压电石英测试理论研究与应用》文中认为对基于晶体变形的压电效应的研究现状和应用进行阐述和讨论。介绍了压电弯曲、扭转效应理论的研究进展,给出了在弯矩、扭矩作用下的束缚电荷和极化电场的分布规律;在理论研究的基础上,对所研发的新型微雕笔式执行器、扭矩传感器、钻削测力仪进行了介绍。基于晶体变形的压电效应的探索与开发对压电学体系的发展与完善以及工程应用都有重要的实用价值。
杨博[7]2014年在《基于光子晶体光纤的谐振式陀螺关键技术研究》文中进行了进一步梳理作为新一代的惯性传感器件,谐振腔光纤陀螺(RFOG)是利用谐振腔中相向传输光波的谐振频率偏差正比于角速度的原理,实现对旋转角速度的测量。相比于较为成熟的干涉式光纤陀螺,谐振式光纤陀螺所需光纤长度仅为干涉式光纤陀螺的几十到几百分之一,而且检测精度高、动态范围大,引起了美、日、欧洲等惯性技术发达国家的重视。但是,目前谐振式光纤陀螺技术发展并不成熟,主要原因是光纤谐振腔受磁场、温度的影响大,偏振相关噪声和瑞利背向散射噪声等问题难以解决,限制了谐振式光纤陀螺的发展。本文提出将光子晶体光纤应用于谐振式光纤陀螺的研究中,从高性能光纤设计、温度和磁场效应抑制、偏振噪声抑制、背向散射噪声抑制等方面展开研究,以提高谐振式光纤陀螺的整体性能。主要研究内容如下:1、高性能光子晶体光纤设计及温度效应研究首先介绍了光子晶体光纤的原理,在此基础上对光子晶体光纤的双折射进行优化设计,得到双折射达10-3量级、具有双零色散点的八边形混合结构光子晶体光纤,在此基础上又对纤芯进行优化,得到双折射达10-2量级的混合纤芯结构光子晶体光纤,并分析了光纤结构参数对色散和双折射特性的影响。其次,通过有限元数值分析方法研究温度对光子晶体光纤性能的影响,重点研究了有效折射率、双折射和非线性系数随温度的变化趋势,并通过曲线拟合的方法得到了光纤特性随温度的变化系数。结果表明,光子晶体光纤的特性随温度的变化远远低于传统光纤,如:光纤折射率随温度的变化系数比传统光纤降低2个数量级,双折射降低1个数量级等。2、谐振腔偏振特性研究及法拉第相位误差抑制技术研究首先分析了基于传统光纤和全内反射型光子晶体光纤谐振腔的谐振曲线、精细度和灵敏度与光纤和耦合器特性的关系。结果表明,基于全内反射型光子晶体光纤谐振腔在提高谐振腔整体性能方面和传统光纤相当,能够代替传统光纤在谐振式光纤陀螺中得到应用。其次,通过琼斯矩阵理论建立了谐振腔的偏振模型,分析了温度对谐振曲线的影响,结果表明,谐振曲线包含两个本征偏振态,温度改变将会导致谐振腔两个偏振态之间的间隔发生改变,严重时将会导致两个本征偏振态之间发生重迭,导致谐振曲线发生畸变。经对比发现,光子晶体光纤谐振腔的谐振曲线两个本征偏振态之间的间隔要比传统光纤的大,具有优于传统光纤谐振腔的抗温度干扰能力。同时,对由磁场引起的法拉第相位误差进行了建模分析,结果表明,光纤长度和扭转率的增大将会导致法拉第相位误差增大,给陀螺的测量带来误差,而高双折射和低双折射都具有抑制法拉第误差的作用。进一步的分析表明,高双折射比低双折射在抑制法拉第相位误差方面要好至少一个数量级。最后,提出一种双环谐振腔以降低温度对谐振曲线偏振态的影响,并通过实验测试了不同温度下谐振腔的谐振曲线,实验结果与仿真结果相一致。通过对比单环谐振腔和双环谐振腔的谐振曲线和偏振误差可以发现,双环谐振腔两个本征偏振态在抗温度干扰方面比单环谐振腔要好,同时其偏振误差比单环谐振腔要低两个数量级。3、双叁角波调制的背向散射噪声抑制技术研究首先对光纤环形谐振腔的动态响应特性进行研究,分析了叁角波、正弦波和锯齿波相位调制技术下的光纤环形谐振腔归一化输出曲线随时间的变化特性,重点研究了调制方式、调制频率和调制系数对谐振腔输出的影响。通过对比,施加叁角波相位调制后谐振腔的输出特性要优于正弦波和锯齿波调制。其次,提出基于双叁角波相位调制技术抑制谐振式光纤陀螺中的背向散射噪声,并和双正弦波相位调制技术进行对比。结果表明,双叁角波相位调制技术比双正弦波调制技术能够更好地进行载波抑制背向散射噪声的影响。仿真结果还表明,双相位调制系统中两个相位调制器的调制频率和相位调制系数将会影响解调信号的线性区域,根据理论分析得到了相位调制频率的最优解,并进行了仿真验证。结果表明,双叁角波相位调制技术下的谐振式光纤陀螺系统存在良好的线性工作区域。
张俪园[8]2016年在《基于双梁结构的石英振梁加速度计系统》文中研究指明石英振梁加速度计自问世以来就是惯导仪表的一个重要发展方向,它将力敏石英谐振梁作为敏感元件,能直接输出数字信号(频率),在成本、体积、功耗、重量、精度等方面具有突出优点,有着非常广泛的应用前景。本文在对现有加速度计结构充分对比分析的基础上,设计了一种分体式振梁加速度计。利用双端固定梁的振动方程,对加速度计的谐振频率进行简化求解,借助基于控制变量法的仿真辅助,确定了该分体式加速度计各部分的结构尺寸。为提高灵敏度,根据有限元分析软件的仿真结果对底座-质量块结构的尺寸和振梁结构进行了优化。根据振梁的振动模态和压电效应的工作原理,为降低振梁谐振时的等效阻抗,结合微加工工艺,优化设计了分段式双面激励电极图案。使用基于光刻技术、湿法腐蚀的微加工技术完成了两个微结构的制备,同时创新性地提出了使用倒装焊技术实现简单精确的装配的方法,克服现有装配工艺中的错位问题,实现了高灵敏度的振梁并提高了加速度计的精度。在对称式石英晶体多谐振荡器的基础上,设计了高阻抗石英振梁加速度计的谐振电路——双反相器-双共射极串联谐振电路,并搭建了系统测试平台。在常压环境下测试,加速度计灵敏度最高为82.356 Hz/g,线性度>0.99,偏置稳定性为1.19 mg。
黄亮[9]2008年在《压电式四维力传感器的有限元仿真分析和设计》文中提出随着计算机运算能力越来越强,数值模拟方法被广泛地应用在了工程技术领域。目前常用的数值模拟方法有:有限单元法、有限差分法、边界元法和离散单元法。而有限单元法是实用性较强、应用性较广的一种数值模拟方法。本文为了研制一种新型压电式四维力传感器,利用有限元软件ANSYS对该传感器的静态、模态特性开展了仿真分析研究,并在此基础上通过优化设计方法进一步研究了该压电传感器的弹性变形环节-弹性膜片的设计对传感器性能的影响。本文的主要工作包括:①分析研究了多维力传感器的国内外发展概况,以及有限元分析法在多维力传感器设计中的应用现状。②选用石英作为压电敏感元,根据石英特定的切割形式和排列方式设计出了无耦合测量空间四方向上力和力矩的晶片组布局形式,完成了压电式四维力传感器的基本结构设计。③探讨了有限元分析法的基本概念,优化设计的基本理论,利用有限元分析法开展多维力传感器关键性能参数及其影响量的仿真分析与优化设计。④运用有限元分析软件ANSYS对压电式四维力传感器的设计模型进行了仿真分析,研究对传感器原型开发有着重要影响的静态、模态性能指标:灵敏度、维间干扰、转换效率、固有频率,验证了传感器设计的合理性和传感器自身的新颖性。⑤运用ANSYS软件的优化设计方法,将传感器的灵敏度和固有频率作为目标变量,将传感器中弹性膜片的弹性模量和尺寸作为设计变量,将石英晶片的极限强度作为状态变量,研究了弹性膜片的弹性模量和宽度对传感器性能的影响,为新传感器的设计开发提供了重要的依据。本文的研究工作为新型压电式四维力传感器的研制提供了重要的依据。
陈相逸[10]2016年在《2μm人眼安全双频固体激光器的研究》文中研究指明光载微波激光雷达是利用在光学频率上相差极微的两个频率的光波作为探测光束的一种新型激光雷达,它兼备普通激光雷达和传统微波雷达的优点,具有很好的应用和发展前景。半导体激光二极管泵浦的频差可调双频固体激光器具有结构简单、大功率输出,且可以实现频差大范围连续调谐等优势,所以它成为光载微波雷达系统中的理想光载微波源。本论文提出研制人眼安全2μm波段双频固体激光器。本论文所进行的主要研究内容包括:围绕2μm双频激光产生的关键技术问题,调研了2μm固体激光器和频差可调双频固体激光器的发展现状和应用。从激光原理出发,分析并比较了多种选单频方法的技术特点,详细讨论了不同激光频率分裂技术的特点,此基础上提出利用F-P标准具和耦合腔两种方法进行选模,双λ/4波片产生激光频率分裂的LD泵浦双频固体激光器的设计方案。完成了LD泵浦2μm双频固体激光器的整体设计。计算并确定了激光器系统的各个参数,包括谐振腔的腔长,增益介质的尺寸,耦合输出镜曲率等参数。利用LASCAD仿真软件分析对理论设计的单频Tm:YAP激光器进行了性能仿真和参数优化。采用FEA的算法对仿真激光器系统进行了建模分析,比较了谐振腔内不同位置处的泵浦光和振荡激光的模式分布,仿真了单频激光器的吸收效率。
参考文献：
[1]. 石英晶体扭转效应的仿真与优化[D]. 郭莉. 大连理工大学. 2002
[2]. 压电材料多次压电效应理论模型的仿真研究[D]. 江亮. 大连理工大学. 2007
[3]. 集成式压电六维力传感器测量原理与技术研究[D]. 李东. 大连理工大学. 2015
[4]. 石英音叉微机械陀螺的微弱信号数字检测技术的仿真与系统误差研究[D]. 余亮琴. 国防科学技术大学. 2005
[5]. 压电石英晶体扭转效应的ANSYS分析[J]. 韩丽丽, 孙宝元, 钱敏, 高长银. 大连理工大学学报. 2006
[6]. 基于晶体变形的压电石英测试理论研究与应用[J]. 高长银, 吴晓铃, 钱敏. 中国机械工程. 2011
[7]. 基于光子晶体光纤的谐振式陀螺关键技术研究[D]. 杨博. 哈尔滨工程大学. 2014
[8]. 基于双梁结构的石英振梁加速度计系统[D]. 张俪园. 东南大学. 2016
[9]. 压电式四维力传感器的有限元仿真分析和设计[D]. 黄亮. 重庆大学. 2008
[10]. 2μm人眼安全双频固体激光器的研究[D]. 陈相逸. 北京理工大学. 2016
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