摘要:

摘要:半球谐振陀螺（HRG）具备高精度、高可靠、长寿命等优点，产品已在海、陆、空、天各领域成功应用，相关制造、控制等技术成为振动陀螺领域的热点研究方向，但高精度、工程化 HRG 的研制依然面临较大技术挑战。 结合多年研究基础，首先从理论基础、关键技术及其发展等方面，对 HRG 的动力学模型、结构设计、材料与工艺、控制及误差补偿等技术的现阶段研究成果及存在问题展开了分析和讨论，总结了陀螺制造过程误差辨识及控制方法，提出了性能提升方案。然后介绍了国内外 HRG 典型产品的性能指标及应用情况，最后展望了 HRG 的未来发展趋势。

摘要:针对微型半球陀螺测控电路的小型化使用需求，通过高精度载波调制与 Σ-Δ 模数转换技术实现高精度电容检测，通过多级 Σ-Δ 调制和动态权重平均技术实现高精度力反馈，采用 CPU 结合硬件加速器实现闭环控制、 正交误差抑制、温度补偿的软件算法，解决了微型半球陀螺高精度、集成化、小型化测控难题，研制出了高精度的微型半球陀螺力反馈测控应用特定集成电路（ASIC）。在室温条件下，对采用该 ASIC 的微型半球陀螺进行了性能测试，实测陀螺零偏稳定性达到 0. 06（°）/h，量程为±5（°）/s，带宽为 5 Hz。较传统的分立测控电路，陀螺的 SWaP 性能有明显提升。

摘要:标度因数的稳定性对半球谐振陀螺的测量精度有很大的影响。为提升半球谐振陀螺的标度因数稳定性，讨论了半球谐振陀螺标度因数的影响因素，分析了电路增益、温度和电荷迁移对标度因数的影响。经理论分析及测试数据表明，温度变化会影响电路增益及谐振频率，进而影响标度因数，半球谐振陀螺的标度因数与温度成线性关系。电荷迁移对标度因数同样具有显著影响，其进行及恢复过程均非常缓慢，且难以进行建模补偿。通过电极优化设计，可将标度因数的变化量降低几十倍，大幅提升了标度因数的稳定性。

摘要:半球谐振陀螺是一种高精度的陀螺仪，谐振子和电极基座是其关键结构件。半球谐振陀螺的装配电容均匀性是影响陀螺性能的关键指标之一。在已有的半球谐振陀螺装配误差影响机理研究中，尚未建立装配误差与电容信号的定量关系模型，故建立了非理想位姿下的半球谐振陀螺装配误差与电容之间的数学模型，并利用 COMSOL 有限元分析软件建立了装配位姿误差与电容之间的仿真模型。通过仿真分析了装配位姿误差对电容的影响规律。研究成果对谐振子与电极基座的装配工艺改进、装配精度提升具有一定的指导意义。

摘要:基于三件套结构的半球谐振陀螺开展星用姿态敏感器的研制。采用 FPGA“一拖三”的数字控制电路结构和力平衡控制模式对空间正交的 3 轴陀螺进行控制，完成角速度测量，实现了零偏稳定性优于 0. 003（°）/h，陀螺输出噪声＜1. 3×10^-4 （°）/s，标度因数非线性度＜20×10^-6 的技术指标。针对空间粒子的辐照损伤问题，进行了姿态敏感器电路结构和系统控制的抗辐射加固设计，并通过辐照试验完成了对姿态敏感器抗辐照性能的验证。

摘要:亚表面损伤层是半球谐振子最主要的振动损耗来源，为评价损伤深度并揭示损伤层在腐蚀过程中的演化特征规律，利用差动腐蚀法处理石英玻璃样品的亚表面损伤层。通过对腐蚀过程中的检测数据进行拓展分析和修正，能较准确地评价亚表面损伤层深度。采用共聚焦扫描的方法记录了腐蚀过程中样品表面形貌的演化全过程。结果显示样品的缺陷形态与所提理论模型较为吻合，样品的损伤层演化趋势相同，但具体形貌和损伤深度却有较大差异，其演化规律受到加工条件的直接影响。

摘要:聚焦石英玻璃在半球陀螺谐振子上的应用，分析了石英玻璃主要性能对半球陀螺谐振子的影响。通过对石英玻璃的杂质含量、气泡条纹等网格缺陷、弹性模量、羟基浓度等性能参数进行差异分析，揭示了材料特性与加工工艺、谐振子关键指标 Q 值和频率裂解的关联性。对其主要性能参数分别开展控制变量实验，实测结果数据在一定程度上验证了理论影响分析。研究结果为高精度半球陀螺谐振子的石英玻璃材料选择提供了参考，同时提出了未来石英玻璃在惯性器件领域中的应用发展方向及行业标准制定的研究方向。

摘要:微半球谐振陀螺工作在全角模式时，其标度因数误差、零偏误差随驻波方位角变动造成偶次项谐波误差变化。在微半球谐振陀螺转动过程中，由于驻波方位角相关误差不能得到完全补偿，陀螺零偏发生非线性变化， 从而产生陀螺非高斯噪声，导致传统扩展卡尔曼滤波性能降低。最大相关熵扩展卡尔曼滤波算法采用鲁棒最大相关熵准则作为最优性准则，能够降低异常噪声带来的不良影响。对于某微半球谐振陀螺旋转惯导，通过对比双位置转位与往复旋转调制两种初始对准方式，发现往复旋转调制在静态条件下可使初始对准后 3 min 纯惯导位置误差降低 25. 16%，展现出更优的误差调制效果。进一步结合往复旋转调制方案，对比验证了最大相关熵扩展卡尔曼滤波的鲁棒性优势：静态实验数据显示其相较常规扩展卡尔曼滤波可额外降低位置误差 17. 45%，动态车载实验中位置误差降幅达到 11. 07%，验证了该算法在陀螺复杂非高斯噪声条件下的工程适用性。

摘要:宽带声光偏转器是一种高效光束调控器件，具有高速、高精度、无惯性等优势，在多个新兴领域具有重要应用。介绍了声光偏转器的工作原理，并探讨了提高声光偏转器工作带宽的技术途径。提出了多片换能器超声跟踪技术方案，并回顾了国内外宽带声光偏转器最新研究进展。最后对宽带声光偏转器的主要应用方向和前景进行了展望。

摘要:针对温度补偿型声表面波滤波器 SiO2平坦化后存在的膜厚均匀性问题，设计并对比了 4 种不同的工艺路线。结果表明，化学机械抛光工艺会降低 SiO2膜厚均匀性，而利用扫描式离子束刻蚀技术可优化其均匀性。其中，仅在化学机械抛光之后或之前进行扫描刻蚀可将膜厚均匀度由 5. 4% 分别提升至 3. 3% 和 3. 1%，而在化学机械抛光前后均进行扫描刻蚀，则可以将 SiO2膜厚均匀度提升至 2%。

摘要:针对 5G 通信毫米波段的应用需求，设计了一种采用薄膜工艺的 Ka 波段微带带通滤波器。首先选择合适的滤波器模型并设计电路模型的初值，然后在此基础上通过在输入端口增加一段耦合线引入传输零点，在要求的频点提高带外抑制度。详细分析了在薄膜加工过程中常规激光打孔工序对滤波器性能的影响，并提出了工艺改进方法。改进后的实物测试结果表明，该滤波器带内损耗＜2. 0 dB，带外 3 GHz 频点抑制度超过 45 dBc。测试结果与仿真结果表现出较高的一致性，证明了设计理论和工艺改进方法的有效性。

摘要:针对新一代北斗导航系统对声表面波滤波器提出的低插损、高抑制需求，设计了一种单晶薄膜晶圆膜层结构，并建立了 COM 数据库和全三维电磁模型。将高频谐振器接入并联电路，在滤波器高端引入一个零点，在不改变原有插损、矩形度的情况下，提升了滤波器的高端带外抑制。所研制的薄膜声表面波滤波器，其中心频率为 1 650 MHz，插入损耗为 0. 65 dB，带外抑制高达 61. 3 dBc，矩形系数（BW_{-40 dB}/BW_{-1 dB}）为 1. 78，相对带宽为 4. 15%。

摘要:针对 B25 SAW 双工器设计需求，基于压电复合单晶薄膜（POI）衬底开展了仿真、实测与性能对比研究。首先通过有限元仿真和实测对比了 42°LT-POI 与 50°LT-POI 谐振器的主模和远端杂波特性；然后对 B25 双工器的发射端（TX）和接收端（RX）分别进行了拓扑结构设计；最后通过实测对比了两种不同切型 POI 衬底的 B25 双工器电性能参数。结果显示，在其他指标相当的情况下，相较于 50°LT-POI，采用 42°LT-POI 衬底的 B25 双工器具有更优的远端抑制性能。

摘要:为了适应 5G 新频段的发展，研究了 SMR SAW 谐振器中小锤结构对谐振器性能的影响。通过二维和三维有限元仿真，研究了谐振器结构参数对性能的影响，并通过流片验证了仿真结果。仿真结果表明，在三小锤结构下，当小锤长度为 1. 6 倍半周期时，谐振器的横向模态杂散较弱。提出一种新型的双小锤加权结构，通过在谐振器的上、下半部分分别设置不同长度的小锤，进一步抑制了带内杂散，提高了谐振器的性能。实验结果表明，双小锤加权结构在抑制带内杂散方面效果明显，谐振器的机电耦合系数和阻抗比得到提升。

摘要:湿度作为环境监测和工业过程控制的关键参数，在多领域具有重要的应用价值，尤其在核电站中安全壳内湿度控制对设备稳定及放射性物质管理意义重大。以声表面波（SAW）谐振器为传感平台，用磁控溅射法沉积 TiO₂薄膜作为湿敏薄膜，研究了 TiO2薄膜沉积时间对 SAW 湿度传感器性能的影响。实验采用具有高品质因数 （Q）值的 SAW 单端对谐振器，通过磁控溅射系统在不同溅射时间下制备 TiO₂薄膜。采用扫描电子显微镜、X 线衍射和能谱对材料进行表征分析，搭建检测系统对湿度性能进行测试。结果表明，在 SAW 谐振器上成功制备了 TiO₂ 薄膜，其为结晶性多晶薄膜。沉积 60 min，TiO₂ 薄膜的 SAW 传感器感湿能力较好，该传感器平均灵敏度约为 -5. 22 kHz/%，湿滞为 9. 0%，当相对湿度从 10% 快速增加至 70% 时，响应时间约为 14. 3 s，从 70% 快速降低至 10% 的恢复时间约为 11. 5 s，与已报道的基于 TiO₂材料的湿度传感器相比，其具有更快的响应恢复速度。

摘要:维修高压线路故障时，通过测量周围电场对故障原因做出快速判断至关重要。基于逆压电效应原理设计的压电-压阻耦合式电场传感器可以完成复杂环境下的非接触测量，且具备安全性高、灵敏度和线性度好的优点。通过有限元仿真和实测实验，实现了该电场传感器与所测电场强度取向夹角为 0°~75°时的场强测量。实验结果表明，当取向夹角在 45°内时，实测结果与仿真结果差距在 1 mV 内。在实验基础上，经理论分析和仿真论证了利用无人机携带该电场传感器扫过输电线路来监测故障原因并定位故障位置的应用可行性。

摘要:采用移相器实现锁相源相位控制。由于移相器存在相位分辨率低、误差难控制等问题，无法实现锁相源相位的精准控制，故提出了一种基于直接数字合成（DDS）+锁相环的多环锁相的控制方法。该方法通过锁相环输出时钟供给 DDS，并级联锁相环电路的方式，实现锁相环输出信号相位的精准控制。通过电路验证了当锁相环输出 S 波段信号时，相位分辨率≤0. 1°，误差≤5%，满足使用要求，同时证实了该方法的可行性。

摘要:针对新一代通信、雷达、卫星等领域对射频开关矩阵小型化、通用化的应用需求，设计了一种射频开关矩阵，采用基于高温共烧陶瓷（HTCC）工艺的系统级封装（SiP）技术，在仅 18 mm×10. 5 mm×3 mm 尺寸下实现了 3×2 射频开关矩阵的高度集成，具有高隔离、低插损、体积小、成本低、可扩展性与复用性强等特点。经仿真计算与实物测试验证，该射频开关矩阵性能满足工程多样化应用场景的需求，具有较高的工程应用价值。

摘要:梁宽作为驰振式磁耦合压电俘能器（GMPEH）的主要结构参数，对 GMPEH 的性能优化具有重要意义。一方面，梁宽过大会导致系统刚度过高，增大起振所需的外部激励阈值；另一方面，梁宽过小则会导致压电材料的有效面积不足，降低输出电压。由此构建了 GMPEH 的数学模型并利用输出解析解进行参数分析，提出了利用梁宽对 GMPEH 性能优化的方法。首先建立 GMPEH 的常微分动力学方程并利用谐波平衡法得到输出响应解析解，再通过数值计算和实验对比分析，探究 GMPEH 的输出特性并确定梁宽与输出功率的影响关系，提出性能优化方法，最后对比两种不同梁宽 GMPEH 的输出功率，验证方法的正确性。结果表明，当压电梁的宽度变小时，压电耦合系数的绝对值变小，进而减小系统耦合电阻尼的极大值，增大平均输出功率的极小值。

摘要:针对工业废热回收问题，设计了一种基于形状记忆合金（SMA）弹簧驱动的压电旋转俘能器。利用 SMA 吸收热能驱动压电振子振动转化为电能，从而实现废热回收利用。构建机械结构模型并阐述其工作原理，建立系统发电模型并进行仿真分析，探究压电振子参数对发电性能的影响，最终制作实验样机进行测试。试验结果表明，在水温 100 ℃下，当压电振子长 60 mm，输出电压最大为 6. 005 V；当压电振子厚度比为 0. 4 时，发电性能最好，输出电压为 6. 174 V；当压电旋转俘能器啮合距离为 3 mm、发电单元组数设置为 4 组时，达到了输出功率为 0. 174 mW 的发电效果，验证了基于 SMA 驱动的压电旋转俘能器实现热能转化电能的可行性。

摘要:为了解决传统的单压电变形镜谐振频率随口径增加而降低的矛盾，提出了一种基于单压电结构的复合式变形镜，通过单压电致动器阵列的约束作用使其谐振频率不依赖于口径。通过有限元仿真设计了变形镜结构并制备了 67 单元 40 mm 口径变形镜样机，搭建了基于 Shack-Hartmann 传感器自适应光学系统对变形镜性能进行测试。实验结果表明，典型致动器在电压 50 V 下波前变形幅值可达到 10 μm，重构的前 15 项归一化残差均在 10% 内，初始镜面校平后均方根值（RMS）仅为 18 nm，变形镜的一阶固有频率为 2. 8 kHz。所提出的变形镜既具有高变形量高致动器数目，也具有高工作带宽以及低成本高性能的特点，为天文望远镜提供了一种新的波前校正器。

摘要:设计了一种基于 VO₂和石墨烯的可调谐太赫兹吸波器，通过电磁仿真软件 CST 验证其性能。该器件结合 VO₂的绝缘体-金属相变特性与石墨烯的电可调特性，实现了宽带-窄带及双宽带吸收模式的可控切换。仿真结果表明，VO₂ 在金属态下可实现 3. 61~7. 43 THz 范围 90% 以上的宽带吸收；绝缘态下则在 6. 4、7. 35、8. 29 和 9. 20 THz 处呈现 4 个窄带吸收峰，峰值吸收率均高于 90%。通过调节石墨烯费米能级（0~0. 7 eV）可动态调控吸收特性。金属态下，吸收带从低频（3. 61~7. 43 THz）向高频（6. 88~8. 99 THz）迁移；绝缘态下可实现四窄带至准单窄带模式的转换。由于结构的对称性，该器件表现出优异的偏振不敏感性和宽入射角稳定性，在太赫兹开关、电磁屏蔽、隐身技术及传感等领域具有重要的应用价值。

摘要:随着可穿戴设备与高密度集成电路的微型化演进，32. 768 kHz 石英音叉谐振器作为电子系统的“心脏”，在微型化进程中面临着品质因数急剧衰减的问题。基于 Itoh 热弹性阻尼理论与 Hao 支撑阻尼模型的尺寸依赖性关系，探究了两种微型音叉结构的品质因数与特征尺寸之间的关联机制。通过多物理场耦合仿真，揭示了两种音叉结构热弹性阻尼和支撑阻尼的变化规律。仿真结果表明，支撑阻尼对真空中品质因数的影响小于 2%，几乎可以忽略不计。因此，基于对热弹性阻尼的仿真数据构建了真空中品质因数的经验性公式。采用石英微加工工艺和真空封装技术，成功制备了 5 种不同叉指宽度的石英音叉谐振器。结果表明，品质因数的实验测量值与经验性公式之间的平均误差小于 3%，二者之间的决定系数为 0. 970 1，证明了经验性公式的有效性，进一步验证了理论模型对于两种微型音叉结构的普适性，为微型音叉的品质因数设计提供了参考。

摘要:为实现八输出压电式六维加速度传感器在复杂静态载荷环境下高精度及稳定测量，开展了传感器的静态维间耦合特性分析与解耦研究。首先分析了传感器的结构特点和工作原理，根据加速度在传感器内部的传递规律推导了传感器标定矩阵与灵敏度矩阵解析数学模型；然后对传感器结构、测量原理和灵敏度矩阵进行分析，揭示了由结构设计、敏感元件灵敏度差异以及制造与安装误差引发的静态耦合机理，同时制定了基于线性矩阵的静态解耦算法；最后基于团队自主研制的多维加速度传感器标定系统进行静态标定实验，对静态耦合机理与解耦算法进行了验证。实验结果表明，在多次实验中所有维度加速度的标准值与解耦值均较接近，解耦误差均控制在 0. 15%~3. 47%，且 A_y，A_z，α_x，α_y，α_z 5 个维度的误差均低于 2. 5%；在高负载条件下，解耦误差整体呈下降趋势，表明解耦算法在复杂环境下依然保持较高的准确性。

摘要:针对复杂运动下惯性传感器在模态识别中存在特征区分度不足的问题，提出了一种基于实时动态定位（RTK）辅助的行人模态识别方法。通过采集惯性传感器在不同运动模态下的数据并提取时域特征作为模态识别特征量，结合 RTK 输出的速度与高度信息作为特征补充，引入动态约束机制，进一步增强特征区分能力，采用动态时间规整（DTW）算法实现不同运动模态的匹配与识别。实验结果表明，该方法在屈身、蹲伏等复杂模态的识别率较单一惯性传感器提升 5. 9%，适用于复杂运动中的模态识别。

摘要:针对单一传感器的局限以及视觉惯性融合算法计算复杂度等问题，提出一种基于深度估计半直接视觉里程计（SVO）与惯性测量单元（IMU）融合的定位算法。将深度估计模块集成至 SVO 中，采用扩展卡尔曼滤波器构建松耦合融合框架，融合视觉位姿信息与 IMU 加速度、角速度数据，实现状态估计与位姿校正。在 KITTI 数据集以及真实环境中验证表明，该算法的绝对轨迹误差低于纯视觉算法，且在复杂场景下预测轨迹与真实轨迹高度贴合。

摘要:针对在激发兰姆波进行液滴操控实验时，不同体积液滴的运动距离因激发参数的噪声干扰而导致无法准确定位的问题，提出了一种加入贝叶斯优化算法的机器学习模型（MLBO）与 K 折交叉验证（KCV）相结合的 MLBO-KCV 算法。该算法拥有自动寻找模型最佳超参数组合的能力，通过高斯函数和采集函数提高模型的预测精准度，利用预定义的验证函数多次评估模型的预测结果。实验结果表明，MLBO-KCV 算法的均方误差（MSE） 和平均绝对误差（MAE）较经典单模型算法分别降低了 40. 39%~78. 03%、26. 77%~51. 35%，决定系数（R2 ）提高了 5. 23%~14. 58%，且 R2 最高值为 0. 98。MLBO-KCV 算法提高了液滴运动距离的预测精度及可靠性，为基于机器学习精准控制液滴进行定向药物输送和微流体芯片等领域提供了依据。

摘要:为提高大曲率电缆绝缘层超声测厚声时（ToF）估计的精度和实时性，提出了一种结合短时傅里叶变换（STFT）、改进灰狼算法（IGWO）和匹配追踪算法（MP）的 ToF 快速估计方法。该算法基于 Gabor 函数模型，以 MP 为基础拟合超声回波信号，先利用 STFT 优化回波参数搜索范围，再利用 IGWO 替代匹配追踪中的遍历计算， 提高回波参数的搜索效率和估计精度。仿真和物理实验结果表明，所提算法在强干扰下厚度估计平均误差不超过 5 μm，是传统算法的 28. 4%、搜索算法的 31. 2%，单次计算时间仅为 31 ms，在频散和相移的声学系统中精度和稳定性更优，满足实时在线测厚的应用需求。

摘要:为了应对现代战场电磁环境复杂化对相控阵天线波控系统的实时性挑战，提出了一种基于 FPGA 架构的改进型波控系统。该方案采用查表与实时计算的混合控制策略，通过分布式解算架构将波控码生成任务分解至多级处理单元，与传统查表方案相比，在保障波束指向精度的同时，FPGA 存储需求减少了 76. 6%。此外，该方案突破传统解算效率瓶颈，与 DSP 浮点计算方法相比，运算速度相对提升了 37. 7%，波束重构响应时间缩短至微秒量级。数值仿真和板级联试结果表明，该方案在动态幅相调控中表现出强鲁棒性，其多维度性能指标满足复杂电磁环境下快速波束赋形的工程需求，为相控阵雷达系统优化提供了有效解决方案。