10Gb/s高速光器件激光器端耦合模型设计与优化

为提高半导体激光器与单模光纤的耦合效率,提高信噪比,延长光信号在光纤中传输的距离,利用光学仿真软件首先针对10G-EPON(万兆光无源网络)光器件建立了一种新的耦合模型并对其进行了仿真优化,其次分析了新模型与原有模型耦合效率出现差异的原因,最后探讨了透镜封装尺寸误差与耦合效率的关系,并对结果进行了归一化处理。研究发现:经过百万次光线追迹,模型的最大耦合效率为63.53%,在光电器件同样采用同轴型封装的情况下,与传统的球透镜耦合相比,改进模型的耦合效率提高了约16.68%;耦合效率的高低取决于半导体激光器整形后光斑的模场与单模光纤模场的匹配程度;耦合效率对透镜距离变化的敏感程度依次为快轴准直透镜非球面透镜慢轴准直透镜。研究结果可为10Gb/sEML光器件的实物设计封装提供尺寸参考和建议。     

大光斑离轴式光纤旋转连接器的耦合性能

针对直接对准型离轴式光纤旋转连接器中自聚焦透镜准直器出射光斑小、光纤耦合损耗大和有效对准时间短的问题,本文提出了一种由双合透镜和热扩芯光纤构成的大光斑光纤准直器。基于出射光斑在相对旋转过程中重叠面积的周期性变化规律,分析了准直器间存在径向误差和角向误差时的耦合损耗变化。根据转子圆环和出射光斑尺寸得到耦合损耗为3 dB时的理论有效对准时间。为此搭建了光纤耦合实验平台测试其耦合性能及有效对准时间。实验结果表明,光纤准直器采用的单模光纤模场直径越大耦合损耗越低,其中模场直径为28μm时耦合损耗低至0.22 dB。在转速为60 r/min时,通过光电转化和函数拟合得到四种模场直径光纤准直器的有效对准时间。模场直径为17μm时最大有效对准时间为7.05 ms,与理论值7.1672 ms基本一致。最后应用光纤布拉格光栅传感实现无接触式传输光信号。这种设计为大光斑离轴式光纤旋转连接器的研究及其在光纤传感领域的应用提供了理论和技术支撑。     

异步电主轴三维热误差多物理场耦合分析及计算

为综合考虑高速异步电主轴径向形变及轴向形变对其热误差的影响,分析电主轴各部分损耗。计及径向及轴向形变热误差,提出一种基于电磁-热-机械多物理场耦合的电主轴形变分析方法。分析电主轴机械结构、损耗、温升、电磁等物理场的耦合关系,设计多物理场耦合热误差分析模型计算流程。对异步电主轴进行三维有限元建模,并对其采样点的温升进行计算,并通过实验得出采样点的温升曲线,对比两条电主轴采样点的温升曲线可以验证有限元仿真的准确性。在有限元模型基础上进行多物理场计算,计算结果表明,电主轴由于机械和电磁损耗产生轴向热误差为6.54μm,由于径向形变而产生的基频气隙磁感应强度畸变率为7.6%,基于Maxwell张力张量法得到径向热误差为39μm。研究结果为机床误差分析及优化设计提供了理论基础。     

高功率高耦合效率光纤模场匹配器

为了提高大模场面积光纤到单模光纤的耦合效率,利用加热扩芯的方法,对单模光纤进行了热扩芯处理,实现了大模场面积双包层光纤15/130μm到单模光纤6/125μm的模式匹配。对进行热扩芯处理的模场匹配器的传输损耗进行了理论分析;利用自行搭建的中心波长为1 064nm的激光光源分别测量了商用及自制的模场匹配器的传输损耗。实验结果表明:采用加热扩芯的方法极大地提高了大模场面积光纤到单模光纤的模场匹配器的模式耦合效率。与商用的模场匹配器相比,自制的模场匹配器具有更高的耦合效率和运行功率,其热处理能力更强,可靠性也更好,运行功率可以达到100W;在进行风冷的情况下,稳定工作时间累计为120min,最终可以获得73W的单模光输出,热处理能力为27W。模场匹配器性能的提高满足了高功率光纤元器件发展的需要,有利于实现光纤激光系统的全光纤化。     

基于耦合源误差分析的转子振动信号识别方法

转子振动信号实时监测是保障旋转机械健康运行的关键,转子圆度误差和电涡流位移传感器误差的耦合源误差在以往的研究和振动监测中很少考虑,使得转子振动信号有一定的失真,甚至会引起误判。以实际转子为例,提出了圆度误差测量表达式;测量和分析了两种常用电涡流位移传感器的误差,利用傅里叶拟合方法构建了圆度误差和电涡流位移传感器耦合源误差表达式,建立了耦合源误差与转子振动信号之间的映射关系。提出了点-点法、平均值法与最大值法3种转子振动信号识别方法,3种方法都能有效识别转子振动信号,其中点-点法最精确,识别误差占比约20%;平均值法计算简便,识别误差占比约10%;最大值法偏保守,但可有效避免误判,识别误差占比约32%。     

单端弧面类零件三销定位双向夹紧钻模

介绍了一种装夹一端为圆弧面零件的钻模的工作原理，给出了其定位误差计算的一般公式和微分近似计算公式。与V形块定位夹具相比，该夹具具有结构简单、制造及装配工艺性好等特点。     

硅微陀螺仪的机械耦合误差分析

机械耦合误差是硅微陀螺仪的主要误差之一,为了向减小或消除机械耦合误差提供理论依据,研究了机械耦合误差的产生机理。本文以z轴硅微陀螺仪为研究对象,以动力学方程和矩阵理论为基础,分析了由于加工非理想性产生的不等弹性、阻尼不对称和质量不平衡产生的误差信号,建立了机械耦合误差信号的数学模型,并定量分析了z轴硅微陀螺仪样品的机械耦合误差信号。结果表明,机械耦合误差信号包含了正交耦合误差和与有用信号同相位的误差信号,其中正交耦合误差为主要误差信号,且主要由不等弹性产生。最后,测试了z轴硅微陀螺仪的正交耦合误差信号,为342.59 º/s,且与理论结果相吻合。因此,抑制和补偿正交耦合误差是减小机械耦合误差的关键技术之一。     

碟式太阳能光热系统光-机-热多场耦合建模及其聚光性能预测应用

针对碟式光热系统中机械位移场对吸热腔能流分布的影响,提出以光-机-热多场耦合角度建立热腔能流分布数学模型。分析系统光机热多场耦合机制,确定不同位移场模式对聚光器的影响尺度。基于镜面单元的刚体假设,提出将宏观机械位移场(安装误差、跟踪误差和机架承载位移)作用等效为镜面单元的刚体系列运动,推导宏观机械位移场对镜面单元内任意点位置的影响矩阵,并引入面形误差得到了镜面各点法线矢量的影响矩阵。考虑机架承载后镜面单元与吸热器的空间位移协调性,基于光线跟踪方法,建立光能传输与腔式吸热器能流分布的光-机-热多场耦合数学模型。在Matlab 7.0平台编制能流分布求解及数据接口程序,融合Fluent 6.3和ANSYS 12.0搭建了聚光性能预测的仿真平台。并针对光线与热腔求交效率低,提出采用包围盒实现快速碰撞检测,且以多段锥曲面拟合并替代高次热管曲面的方法进一步加速求交计算。以在研的38 k W级碟式系统为实例,基于搭建的仿真平台开展典型风载工况与跟踪误差对热腔能流分布的影响,对仿真平台进行验证,为后续碟式机架面向聚光性能的综合优化提供理论基础。     

光纤传感测量中耦合系统的设计

根据光纤传感测量中光源的选取原则,将半导体激光器作为光纤传感器的光源并选取单模光纤作为尾纤,基于光学设计软件Zemax纯非序列光学系统,设计了一种半导体激光器与单模光纤的耦合系统。通过分析半导体激光器的光束特性及半导体激光器与单模光纤的耦合模场理论,由一个球透镜和一个准直透镜构成组合透镜耦合方式,达到提高耦合效率和容忍度的目的。设计时在非序列光学系统下进行了百万次光线追迹,仿真得到所设计系统的耦合效率为78%左右,而实验测试结果为69.11%,由此对误差产生的原因进行了分析。     

基于简化热源的金刚石磨粒高频感应连续钎焊温度场仿真研究

针对高频感应连续钎焊温度场有限元仿真多场耦合计算复杂、效率低的问题,提出一种基于高斯分布的高频感应钎焊简化热源模型代替复杂的耦合计算,该模型的参数与感应器结构尺寸以及加热率密切相关。通过与传统电磁场—温度场耦合模型以及试验结果进行对比发现：相对于电磁场—温度场耦合模型,简化热源模型的网格数量和运算时间分别减少26.4%和44.6%,两者的计算结果误差最大为8.02%,而电磁场—温度场耦合模型获得的温度分布和加热曲线更接近试验测试结果;基于简化热源模型的高频感应连续钎焊温度场仿真结果与试验值之间的误差为10.1%,表明该模型能较好地预测移动感应加热的温度;移动感应钎焊仿真结果显示,扫描速度对工件残余应力的影响比较显著,而钎焊温度对工件残余应力的影响不明显。     

Optimization studies of the ITER low field side reflectometer

Microwave reflectometry will be used on ITER to measure the electron density profile, density fluctuations due to MHD/turbulence, edge localized mode (ELM) density transients, and as an L-H transition monitor. The ITER low field side reflectometer system will measure both core and edge quantities using multiple antenna arrays spanning frequency ranges of 15-155 GHz for the O-mode system and 55-220 GHz for the X-mode system. Optimization studies using the GENRAY ray-tracing code have been done for edge and core measurements. The reflectometer launchers will utilize the HE11 mode launched from circular corrugated waveguide. The launched beams are assumed to be Gaussian with a beam waist diameter of 0.643 times the waveguide diameter. Optimum launcher size and placement are investigated by computing the antenna coupling between launchers, assuming the launched and received beams have a Gaussian beam pattern.     

传输线耦合下的差分对共模特性分析

基于差分信号奇模和偶模特性,分析和研究了传输线耦合对差分传输线的影响,研究表明由于传输线间的边缘场耦合,差分传输线的特性阻抗和传输时延均发生改变,从而引发阻抗不连续和信号错位,并最终导致共模噪声和EMI等信号完整性问题。传输线与差分传输线的耦合距离越小,耦合电容的不对称性就越大,引发的共模噪声也就越大。最后通过频域和时域实验验证了共模特性理论分析,实验结果表明,传输线与差分传输线间的两倍线宽间距将有效减小传输线与差分传输线耦合的差异,从而降低共模噪声和阻抗不连续以提高信号传输质量。     

还原炉挠性夹套的焊接残余应力有限元模拟

夹套是广泛运用在化工、医药等行业设备上的加热冷却装置,夹套焊缝是常常发生开裂泄漏的失效部位,焊接残余应力是导致开裂泄漏的重要因素之一。利用有限元技术对一种新型多晶硅还原炉挠性冷却夹套的焊接过程的温度场、残余应力和塑性应变场进行了数值模拟。借助ANSYS的APDL编程和单元生死技术,采用热-结构直接耦合法,传热分析采用含高斯热源的瞬态过程、应力分析为稳态,材料本构为随温度变化的双线性随动强化弹塑性模型。通过模拟获得焊缝区域残余应力和塑性应变的分布规律,为同类夹套的焊接强度评定提供了有效方法。     

Modal interactions in an autoparametric vibration absorber to narrow band random excitation

The main objectives of this study are to examine the random responses of a vibration absorber system with autoparametric coupling in the neighborhood of internal resonance subjected to narrow band random excitation by Gaussian closure scheme and to compare the results with those obtained by Monte Carlo simulation. The Monte Carlo simulation is found to support the main features of the nonlinear modal interaction in the neighborhood of internal resonance conditions. The jump phenomenon of the cantilever mode and saturation phenomenon of the main system are shown to occur if the excitation bandwidth is sufficiently small.     

我国干线轨道谱理论分析及试验研究

运用车辆、轨道耦合大系统思想,将轨道高低、水平、方向和轨距四种不平顺视为平稳的各态历经随机过程,进行了车辆、轨道系统的动力学分析,仿真计算了250 km/h速度的高速铁路轨道不平顺管理的安全目标值。同时利用线路试验和滚动振动台试验探讨我国干线轨道谱与国外典型轨道谱的区别与联系。     

锥形光纤在空间光通信耦合系统中的应用

为了提高自由空间光通信的接收端耦合效率,将锥形光纤应用于光耦合,依据BPM算法的仿真结果使用熔融拉锥法制备了满足低损传输条件的锥形光纤。在实验上研究了锥形光纤和双锥形光纤模场传输特性。通过静态空间光-光纤耦合实验,对比了多/单模熔接光纤和锥形光纤光耦合效率和传输效率的差异,并研究了以上两种光纤结构耦合效率的横向偏移量容差。结果表明,锥形光纤的传输效率约为70%,具有低损传输特性、用于匹配后端单模光电子器件的良好滤波特性以及相比普通光纤更高的横向偏移量容差特性,因此可以广泛应用于自由空间光通信接收端光耦合、模式转换器等方面。     

Vacuum electron acceleration and bunch compression by a flat-top laser beam

The field intensity distribution and phase velocity characteristics of a flat-top laser beam are analyzed and discussed. The dynamics of electron acceleration in this kind of beam are investigated using three-dimensional test particle simulations. Compared with the standard (i.e., TEM(00) mode) Gaussian beam, a flat-top laser beam has a stronger longitudinal electric field and a larger diffraction angle. These characteristics make it easier for electrons to be trapped and accelerated by the beam. With a flat-top shape, the laser beam is also applicable to the acceleration of low energy electron and bunch compression.     

空调列车室内三维紊流流场和温度场数值模拟

基于计算流体动力学对某列车车厢内部的速度场与温度场的分布进行了数值模拟。采用稳态不可压缩雷诺平均N-S方程,紊流模型选择两方程模型,应用有限体积法计算了车厢内气固耦合传热问题。研究了送风方式和送风速度对空调列车室内流场的影响,以及送风温度对列车室内温度场的影响,为空调列车室内气流组织优化设计及舒适性研究提供依据。     

K-band high-pressure cell for ENDOR studies

This article describes a versatile high-pressure K-band EPR-ENDOR system, designed for the examination of the effects of hydrostatic pressure on F-center hyperfine interactions. Dielectric filling is used to minimize the inner dimensions of the pressure cell. Cavity mode and coil geometry permit the same system to be used either for high-frequency field modulation EPR or for ENDOR by rotating the magnetic field. The pressure seal is also part of a rotatable microwave joint permitting the microwave coupling to be varied by rotating the cavity-pressure cell assembly. The beryllium-copper high-pressure vessel is separated from the pressure generating device by high-pressure transmitting tubing. It has been tested to 18 kilobars.     

永磁涡流耦合传动特性研究

永磁涡流耦合传动技术采用非接触传动方式,能实现较软的传动特性,应用在一些特殊场合有非常好的效果。永磁涡流耦合器采用永磁涡流耦合传动技术,具有节能、过载保护、允许较大的对中误差、结构简单、使用寿命长等优点。为实现永磁涡流耦合传动特性研究,针对油田应用设计永磁涡流耦合器。对耦合驱动原理进行理论分析,建立永磁涡流耦合的数学模型;利用Ansoft仿真软件建立三维有限元模型,对耦合器的传动特性进行仿真研究,得到传递转矩与间隙、转速差之间的对应关系,随着间隙的减小,转速差的增大,耦合器传递转矩增加;建立耦合器传动试验平台,对样机进行试验研究,验证有限元仿真可以作为耦合器传动特性的研究方法,同时从试验结果曲线上确定耦合器合理的工作区间,在此工作区间内,耦合器具有高效率和较高的启动转矩,能够缓冲负载波动,传动性能良好。