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基于Tamm等离激元效应ITO多层薄膜设计及光场调控

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中国激光 2024年

作者：孙宇昊洪瑞金陶春先张大伟上海理工大学光电信息与计算机工程学院

Tamm等离激元效应由于其在多层薄膜纳米薄膜中能增强特定频率的光场，可以用于光电探测器设计。本论文采用COMSOL Multiphysics光电物理场仿真，设计了一种新型的金属银与ITO和SO2堆砌的分布式布拉格光栅组成的复合薄膜结构，用于559.6... 详细信息

Tamm等离激元效应由于其在多层薄膜纳米薄膜中能增强特定频率的光场，可以用于光电探测器设计。本论文采用COMSOL Multiphysics光电物理场仿真，设计了一种新型的金属银与ITO和SO2堆砌的分布式布拉格光栅组成的复合薄膜结构，用于559.6 nm附近波段的完美吸收。基于传输矩阵法建立了Tamm等离激元形成的边界条件，并进一步提出通过调控结构吸收特性，改变结构的接触层厚度可实现Tamm等离激元吸收峰在527 nm至560 nm范围内调控。

关键词：薄膜 Tamm等离激元完美吸收物理场仿真吸收调控

基于松质骨超声背散射的物理场仿真与算法优化

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基于松质骨超声背散射的物理场仿真与算法优化

作者：陈自立南京大学

学位级别：硕士

众多研究表明,人体骨质疏松不仅会表现为骨矿物质密度（BMD）的减少,也会体现在松质骨微结构的退化上。当前,市面上用于临床早期检测人体骨质疏松的仪器多以测量骨矿物质密度（BMD）为主,较少能反映松质骨微结构的变化情况,这不利于骨... 详细信息

众多研究表明,人体骨质疏松不仅会表现为骨矿物质密度（BMD）的减少,也会体现在松质骨微结构的退化上。当前,市面上用于临床早期检测人体骨质疏松的仪器多以测量骨矿物质密度（BMD）为主,较少能反映松质骨微结构的变化情况,这不利于骨质疏松症的全面诊断。近年来,随着超声背散射技术的发展,人们发现,使用超声背散射法可以获得人体松质骨微结构方面的信息。但由于松质骨背散射信号微弱、信号处理算法不完善、缺乏有效的仿真验证环境等原因,目前该技术还尚未达到临床应用的要求。本文以有限元分析法和多物理场仿真技术为支撑,根据人体跟骨结构、人体跟骨各组织的声学及固体力学特征,构建了人体跟骨部位的声固耦合模型。为松质骨超声背散射领域的研究提供了更接近真实场景的仿真验证环境,降低了算法预研的成本,提高了研究效率。在上述仿真模型的基础上,本文以松质骨微结构的重要评价参数——骨小梁平均间距（MTBS）为切入点,对已有的MTBS测量算法（匹配滤波-基频估计法和二次变换法）进行了仿真分析。并针对这两种算法分别存在的二次谐波过大问题与低频泄漏现象,本文提出了一种将两种算法频谱相乘的优化方案。经仿真分析与实测验证,得出结论:经本文优化后的方案能够在保持测量精度的情况下提高现有算法的测量范围,满足人体实测的需求。基于以上算法优化方案,本文对现有的超声背散射式骨密度测量系统进行了改进,并以改进后的系统为基础进行了大量的实物模型验证与人体实测研究。依据实测结果,得出结论:本文优化后算法所测得的MTBS参数,能够在一定程度上反映出人体的骨质情况,且与其他设备测得的结果无明显相关性,具有一定的临床诊断意义和开展进一步研究的价值。

关键词：超声背散射松质骨平均骨小梁间距有限元分析法物理场仿真匹配滤波二次变换基频估计

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基于差分磁场技术的大电流检测方法研究

基于差分磁场技术的大电流检测方法研究

作者：胡珩华中师范大学

学位级别：硕士

配电箱和开关柜是电力系统中起控制、输配或保护作用的重要节点,这些节点电流通常高达上千安培、可能是交流也可能是直流。然而传统的电流互感器只能测量交流电流,且体积大,不利于安装在空间有限的配电柜中。基于磁传感器的新型电流测... 详细信息

配电箱和开关柜是电力系统中起控制、输配或保护作用的重要节点,这些节点电流通常高达上千安培、可能是交流也可能是直流。然而传统的电流互感器只能测量交流电流,且体积大,不利于安装在空间有限的配电柜中。基于磁传感器的新型电流测量技术具有小体积、高精度等优点,但高精度磁传感器的磁场测量范围有限,且易受外部环境干扰。因此提高电流测量量程、抑制外部磁场干扰是基于磁场测量电流传感器研究的重点问题。本文针对上述问题研究了一种基于差分磁场技术的大电流检测方法。该方法是在铜排母线中心处开孔,这样,孔的左右两边电流在开孔处产生差分磁场,而该差分磁场相对于原磁场,其强度将明显降低,使得测量磁场范围受限的高精度磁传感器可用于大范围的电流测量。在此基础上,再将磁传感器组成差分对,实现对差分磁场的差分对测量,从而进一步提高大电流测量的抗干扰能力。本文主要的研究工作如下:(1)研究了差分磁场的构造方法。通过对母线结构的建模,导出了差分磁场分布的数学表达,分析了母线尺寸与结构对磁场分布的影响。利用有限元仿真软件仿真了差分磁场的分布,并研究了电流频率对测量方法的影响,同时对母线结构进行了热平衡仿真分析。(2)差分磁场测量的抗干扰设计。使用一对磁传感器对差分磁场进行差分测量,从理论上分析了该测量方法的抗干扰性能,并仿真分析了实际应用中三相交流电的相电流间干扰情况,理论和仿真分析结果表明对磁场的差分测量能有效消除外部磁场干扰。(3)在分析磁通门传感器性能的基础上,设计了测量差分磁场的磁通门差分传感器电路及信号调理电路,优化了磁通门传感器在差分磁场中的安装位置及电流传感器整体结构,并加工制造了铜排母线和PCB固定装置,分别制作了单相电流传感器和三相电流传感器样机,对电流测量方法进行了验证。最后对基于差分磁场测量的电流传感器样机进行了测试,测试结果表明,样机的最大电流量程高达±1.7kA,灵敏度为1.47mV/A,线性度为0.156%,测量精度可达0.5级。在三相交流系统中相电流之间的干扰仅为1.3%,抗干扰性能优越。

关键词：差分磁场大电流检测磁通门传感器物理场仿真三相电流测量

铝电解槽电磁流强耦合仿真及其在新型阴极上的应用

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有色金属科学与工程 2017年第5期8卷 26-33页

作者：张红亮梁金鼎徐宇杰李劼中南大学冶金与环境学院长沙410083

已在工业应用的各新型阴极结构铝电解槽的电磁流场行为仍未完全明晰.论文首先在ANSYS平台上建立铝电解槽瞬态三维三相磁流体模型,并应用该模型对采用3种新型阴极结构的某420 k A槽开展电磁流场强耦合计算.结果表明,相较于普通阴极,3种... 详细信息

已在工业应用的各新型阴极结构铝电解槽的电磁流场行为仍未完全明晰.论文首先在ANSYS平台上建立铝电解槽瞬态三维三相磁流体模型,并应用该模型对采用3种新型阴极结构的某420 k A槽开展电磁流场强耦合计算.结果表明,相较于普通阴极,3种新型阴极方案均可使槽内铝液、电解质流速下降,其中,凸台型阴极对应的电解质流速降幅较大,不利于氧化铝颗粒的熔解和扩散;在降低铝液-电解质界面波动方面,3种方案均有一定程度的效果,凸台型结构可使得界面大变形面积减小;此外,在电流效率上,应用凸台型阴极结构将使电流效率略微降低.该模型可为大型铝电解槽结构方案的选型提供基础工具.

关键词：铝电解新型阴极磁流体物理场仿真

200kA级铝电解槽综合节能技术的开发和应用

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200kA级铝电解槽综合节能技术的开发和应用

作者：李有国中南大学

学位级别：硕士

我国铝电解工业面临着巨大的节能减排压力。在国内产能已经过剩的情况下,对现行槽的生成工艺及控制技术进行改进,开发针对现行槽的综合节能技术是实现节能减排目标的现实且有效的途径。本文开发了200kA级铝电解槽综合节能技术,并得到了... 详细信息

我国铝电解工业面临着巨大的节能减排压力。在国内产能已经过剩的情况下,对现行槽的生成工艺及控制技术进行改进,开发针对现行槽的综合节能技术是实现节能减排目标的现实且有效的途径。本文开发了200kA级铝电解槽综合节能技术,并得到了成功实施。本文的主要研究成果如下： (1)开发了一套以“五低-三窄-一高”(即：低温、低过热度、低氧化铝浓度、低槽电压、低阳极效应系数、高电流密度、窄物料平衡工作区、窄热平衡工作区、窄磁流体稳定性调节区、高阳极电流密度)为主要特征的200kA级铝电解槽节能工艺技术,经仿真计算表明,该技术条件下,电解槽各物理场合理可靠。 (2)开发了与节能工艺技术相配套的智能多环协同控制技术,实现了多目标(高电效、低电耗、低排放、高稳定)综合优化函数计算、电解槽多参数临界状态(包括临界极距、临界过热度和临界氧化铝浓度)动态智能辨识及智能多环(物料平衡控制环、热平衡控制环和稳定性控制环)协同优化与控制,为确保电解槽长期在“临界状态”附近稳定运行奠定了基础。 (3)综合节能技术(包括节能工艺技术和节能控制技术)在200kA电解系列上成功实施,该系列平均槽电压降至3.85V,电流效率维持在93～94%之间,直流电耗降至12700kWh／t·Al,节能成效显著;同时,实测表明采用综合节能技术的200kA电解槽槽膛内形规整、槽温大幅降低、氧化铝浓度控制合理、槽电压平稳,具备良好的生产稳定性。

关键词：铝电解槽节能工艺物理场仿真智能多环协同控制

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基于多物理场特征的舰船目标识别技术研究

基于多物理场特征的舰船目标识别技术研究

作者：赵琪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

我国领海面积广阔,近年来经常与邻国发生海上争端,故亟需大力发展海上军事力量。本课题来源于总装武器预研基金,以舰船目标识别技术为研究对象,区分舰船目标是军舰还是商船,以提高舰船识别率为研究目标,对舰船物理场仿真方法、特征提取... 详细信息

我国领海面积广阔,近年来经常与邻国发生海上争端,故亟需大力发展海上军事力量。本课题来源于总装武器预研基金,以舰船目标识别技术为研究对象,区分舰船目标是军舰还是商船,以提高舰船识别率为研究目标,对舰船物理场仿真方法、特征提取及融合算法、分类器设计方法展开深入研究。对舰船的探测和识别通常是基于舰船物理场进行的。常用的舰船物理场包括声场、磁场、水压场等,它们都含有大量的判别信息。然而,现有的舰船识别方法大都是基于单一物理场,极少数利用了舰船的两种物理场,这限制了分类器模型的性能。本论文旨在提高舰船目标识别率,提出了一种基于多物理场-声场、磁场和水压场的舰船识别方法,据作者所知,这是首次进行的基于三种物理场的舰船识别研究工作。本文的研究内容包括以下几个部分:在MATLAB开发平台上构建舰船声场、磁场、水压场三场联动仿真模型,仿真得到有效的舰船物理场信号,以克服实际舰船物理场信号不易获取的问题。由于舰船辐射噪声包络谱中含有线谱特征,故选用包络谱模型对舰船声场进行仿真。对于舰船磁场,本文选用了近年来最常用的三轴线圈磁体模型实现对磁场的仿真。对于舰船水压场,本文选用了仿真结果最接近真实信号的浅水亚临界模型实现对水压场的仿真。经查阅资料获得实际舰船参数作为仿真模型的输入,包括119个军舰样本和17个商船样本,对每个样本参数加一随机扰动,将总样本数扩充至680个;由于小波变换具有良好的时频分析特性,本文采用基于小波变换的舰船物理场信号特征提取算法,获取含有舰船类别信息的特征;采用基于特征层融合及决策层融合的特征融合算法,将多物理场特征融合,以提升特征的区分能力;由于支持向量机(SVM)有很好的泛化能力且适用于小样本分类问题,故本文构建基于支持向量机的分类器,分别对提取的单场特征及经过各种融合算法得到的多场融合特征进行分类。比较分类结果可知,当综合三场特征时可达到最高识别率为92.6%,比基于单一场的最高识别率提升了4.1%,比基于两场的最高识别率提升了0.4%,从而验证了基于多物理场的舰船识别的有效性。

关键词：舰船识别物理场仿真特征提取特征融合支持向量机

HVDC电缆终端电场分布特性及试验终端的设计

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HVDC电缆终端电场分布特性及试验终端的设计

作者：高德健哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

高压直流输电在长距离、大容量输电方面具有明显优势,是实现我国“西电东送,南北互供,全国联网”的电力资源优化配置目标的优良技术手段。在引起电力电缆系统故障的诸多因素中,电缆终端作为电力电缆系统的基本结构出现故障所占的比例最... 详细信息

高压直流输电在长距离、大容量输电方面具有明显优势,是实现我国“西电东送,南北互供,全国联网”的电力资源优化配置目标的优良技术手段。在引起电力电缆系统故障的诸多因素中,电缆终端作为电力电缆系统的基本结构出现故障所占的比例最大。当对电缆终端施加直流叠加冲击电压时,本体绝缘与增强绝缘界面处易于聚集空间电荷,导致局部电场发生畸变,严重时会使绝缘发生击穿,在一定程度上限制了直流电缆系统的发展。在直流电缆出厂前要对其进行不同试验的检测,如果试验时使用不合适的终端很容易造成错误的结果,在以往的试验中通常采用商品终端进行检测,然而其不可反复使用,造价高,因而需要一类性能可靠、安装方便、经济实用的试验终端对直流电缆进行检测。综上所述,研制合理的直流电缆终端和试验终端具有重要的现实意义。利用COMSOL Multiphysics仿真软件计算了以不同硅橡胶为增强绝缘,不同XLPE绝缘为电缆本体绝缘时电缆终端内的电场分布,选择出最优增强绝缘和本体绝缘组合,发现以普通硅橡胶作为增强绝缘,SiO2/XLPE复合绝缘作为电缆本体绝缘时,电缆终端内的电场分布较合理,并计算了其在稳态电场和暂态电场下的电场分布。其结果表明在负荷循环试验电压、雷电冲击电压、操作过电压作用下电缆终端内的电场分布合理。继而,对该电缆终端进行负荷循环试验以及冲击电压试验,试验过程中电缆终端未出现击穿以及闪络现象,表明该种绝缘配合的电缆终端具有优异的长期可靠性,满足使用要求。设计了均压环型、充油型、应力锥型HVDC电缆试验终端,并以此分别建立仿真模型,利用COMSOL Multiphysics软件计算了稳态电场和暂态电场下HVDC电缆试验终端内的电场分布,仿真结果表明:试验终端可明显改善电缆外屏蔽端部的电场分布,试验终端内和电缆端部的电场分布合理。

关键词：高压直流电缆电缆终端电导率物理场仿真

基于高通量实验的LLZO固态电解质正三价过渡金属氧化物掺杂效应研究

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基于高通量实验的LLZO固态电解质正三价过渡金属氧化物掺杂效应研...

作者：吴帅电子科技大学

学位级别：硕士

锂离子电池是一种高效的电能存储技术,被广泛应用于人类社会的各大领域中,例如新能源汽车和便携式电子设备。传统锂离子电池大多采用液态电解质作为锂离子的传输媒介,使用过程中存在漏液、易燃和爆炸等安全隐患。采用安全性更高的固态... 详细信息

锂离子电池是一种高效的电能存储技术,被广泛应用于人类社会的各大领域中,例如新能源汽车和便携式电子设备。传统锂离子电池大多采用液态电解质作为锂离子的传输媒介,使用过程中存在漏液、易燃和爆炸等安全隐患。采用安全性更高的固态电解质替代液态电解质则有可能解决这一问题。在众多的无机固态电解质材料中,石榴石型锂镧锆氧化物(LiLaZrO,LLZO)无机固态电解质因其优良的热稳定、高离子电导率和较宽的电化学窗口等特点,而受到广泛关注。然而,具有良好离子导电性的立方相LLZO在室温下极不稳定。金属阳离子掺杂是稳定LLZO室温下立方相和提高离子电导率的有效途径,但由于可掺杂元素种类众多、工艺参数变量复杂,基于传统“试错”的掺杂实验方法效率低下,难以满足对LLZO固态电解质材料离子电导率进一步提高的研发需求。高通量实验是近年来兴起的材料研究新方法,其本质是在一次实验中同时制备多个不同组分和工艺参数的样品,然后通过高通量表征技术实现对材料性能的快速测试,从而大大提升实验效率。高通量制备和高通量表征是高通量实验的两个核心环节,前者的关键在于将多种元素系统性的混合,然后使材料之间充分扩散形成晶体或非晶结构;后者基于现代化表征方法对制备的高通量组合材料样品库进行串行或并行的快速测试。本文基于高通量实验方法对正三价过渡金属氧化物掺杂的LLZO固态电解质材料进行研究,主要研究内容和创新点包括以下几个方面:1、基于磁控溅射方法发展了一种LLZO-InO(In掺杂LLZO)高通量组合材料样品库制备工艺。针对大面积薄膜均匀沉积问题,通过物理场仿真的方法对磁控溅射阴极物理场进行建模仿真,并根据仿真结果对靶材的有效沉积区域进行优化,实现了薄膜均匀分布,满足高通量组合薄膜样品库的制备需求。针对LLZO材料真空沉积过程中出现的贫锂问题和样品库多层膜扩散不均匀问题,设计了基于多层膜叠层结构的前驱体,在保证正确的化学计量比前提下,采用LiCO膜层有效补充Li源。通过将单层膜厚度控制在10 nm以下,并经过低温扩散退火热处理,实现了LLZO-InO高通量组合材料样品库多层膜之间的均匀扩散。2、研究了不同结晶热处理温度对InO掺杂LLZO高通量样品晶体结构和电学性能的影响。XRD、SEM和交流阻抗谱测试结果表明,600℃、700℃和800℃退火条件下,所有样品均形成了c-LLZO相,随着退火温度升高,样品晶粒生长,薄膜中孔隙也随之增大,导致离子电导率降低。此外,通过800℃下退火的InO掺杂样品和无掺杂样品的对比发现,In掺杂可以撑大立方LLZO晶格尺寸,减弱相邻Li之间电荷排斥力作用,从而稳定其立方相结构。3、基于所开发的高通量合成工艺制备了LLZO-InO高通量组合材料样品库,并研究了InO掺杂含量对LLZO离子电导率的影响规律。结果表明,LLZO-InO离子电导率随着InO掺杂含量的增加呈现先增大后减小的趋势,适量掺杂可以撑大晶格尺寸减小Li传输势垒,过量掺杂则会导致晶格畸变加剧,晶界阻抗增大,离子电导率降低。综合来看,最优掺杂含量在80 at.%范围内,其中掺杂含量为8 at.%的样品具有最高的离子电导率1.1×1044 Scm。

关键词：高通量实验物理场仿真 LLZO固态电解质 In2O3掺杂磁控溅射

复合绝缘套管和电流互感器的多物理场分布与绝缘老化特性研究

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复合绝缘套管和电流互感器的多物理场分布与绝缘老化特性研究

作者：刘进源西南交通大学

学位级别：硕士

近年来,采用复合绝缘外套的电力设备逐步在电网中得到广泛应用。对于油浸式套管和油浸式电流互感器,其外部绝缘通常是用瓷外套,但瓷外套爆炸、瓷片飞出的故障时有发生,使瓷质绝缘设备存在较大安全隐患。由复合硅橡胶材料构成的复合外套... 详细信息

近年来,采用复合绝缘外套的电力设备逐步在电网中得到广泛应用。对于油浸式套管和油浸式电流互感器,其外部绝缘通常是用瓷外套,但瓷外套爆炸、瓷片飞出的故障时有发生,使瓷质绝缘设备存在较大安全隐患。由复合硅橡胶材料构成的复合外套能够有效释放设备内部绝缘故障产生的压力,是降低瓷质外套爆炸风险的有效技术手段。同时,复合绝缘外套已在绝缘子和绝缘支柱上进行了大量的应用,具备替换瓷外套的技术可行性。因此,研究复合绝缘油浸式套管和电流互感器的多物理场分布与复合绝缘外套的耐老化特性是进一步理解复合绝缘油浸式套管、电流互感器的运行状态和绝缘老化过程,增强复合绝缘套管、电流互感器可靠性的基础和关键技术。本文首先以复合绝缘油浸式套管和电流互感器为对象,基于套管和互感器的实际尺寸结构建立了其有限元仿真分析模型开展了多物理场有限元计算,研究了套管和电流互感器在稳定运行时电场、磁场、温度场分布特性,确定了运行过程中套管和电流互感器各导体中分布的感应电流与其产生的损耗大小,套管和电流互感器内部及表面最大电场的大小和位置,套管和电流互感器各部分的温度大小。其次,针对复合外绝缘材料老化情况严重的问题,以套管和电流互感器使用的复合绝缘材料为研究对象,通过在实验室中开展热应力加速老化实验,研究了高温硫化硅橡胶热老化后的性能变化,重点是硅橡胶表面的憎水性与污闪特性,并解析其作用机理。同时对比了不同厂家硅橡胶材料的憎水性和闪络特性。利用傅里叶红外光谱对比分析了硅橡胶中常见填料,如氢氧化铝(ATH)、白炭黑(Si O)与硅橡胶基体聚二甲基硅氧烷分子和普通硅橡胶的光谱特征与化学结构差异。结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)从微观层面对硅橡胶性能变化进行解释与分析,为不同配方硅橡胶的选型提供了理论基础。最后,以复合绝缘套管和电流互感器样机为研究对象,搭建了针对真型样机的紫外老化实验平台,通过对真型样机硅橡胶伞裙的紫外老化,研究了样机HTV硅橡胶伞裙的性能变化,重点是硅橡胶伞裙表面憎水性与绝缘性能如耐压情况与局部放电水平。本文针对复合绝缘设备与油浸式设备在实际运行中的故障,以复合绝缘套管和电流互感为对象,开展了其多物理场分布特性的仿真计算与复合绝缘外套的绝缘老化实验,为特高压等级的复合绝缘套管、电流互感器的制造与可靠运行提供了理论基础。

关键词：套管电流互感器物理场仿真 HTV硅橡胶老化绝缘性能