低频电化学地震计反应腔热噪声的模型研究

发布时间：2017-04-01 08:07

  本文关键词：低频电化学地震计反应腔热噪声的模型研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：地震计是直接和地面接触的将接收到的地面的震动信号通过数据采集器转化为数字信号的传感器。随着各种新技术的出现和应用,各种新型地震计也在逐渐地被研发出来,电化学地震计是近些年研发的一种新型地震计。与已有地震计的工作原理如电磁感应原理不同,电化学地震计是基于电化学惯性传感技术原理工作的,它主要由外部调理电路和电化学反应腔构成,电化学反应腔内嵌有一个由两对多孔电极和多孔绝缘层组成的多孔敏感元件,腔体内填充满一定浓度的混合电解液,利用电化学反应腔内混合电解液的对流效应和电化学反应所引起的感应电流的变化来测量振动。地震计工作时,给四个电极施加一定的电压,当有振动信号时,电化学反应腔内部电解液流过敏感元件孔道,在敏感元件阴阳极发生可逆的电化学反应,进而导致电极输出电流大小改变,通过测量两个阴极输出电流之差的变化就可以测出对应的外界加速度大小。其转换系数十分高,非常少量的电解液(数百毫克到数克)即可产生很高的增益,这一特性使得电化学地震计在很低的工作频率下依然可以保持很高的灵敏度。但是作为一种新型产品,目前其技术尚未完全成熟,需要继续研发。由于传感器自身的输出信号也十分微小,很容易被噪声信号淹没。因此,设计传感器时必须重点研究噪声,找寻有效方法抑制噪声,减少噪声对测试结果的影响。本文针对电化学地震计反应腔内部噪声展开研究,总体来说,本文主要进行了以下几方面的研究:(1)电化学地震计反应腔噪声产生机理分析。地震计自身噪声与其性能密切相关,本文作者在大量阅读相关电化学传感器噪声研究论文的基础上,结合自己的研究与总结,从理论上分析了电化学地震计自身噪声的各种成分,分析了其产生机理。(2)电化学地震计反应腔热噪声数学模型的推导与验证。热噪声是反应腔内最主要的噪声之一,其研究对于降低反应腔噪声,提升地震计自身性能非常有意义。本文基于电化学地震计反应腔敏感元件的结构特性与工作原理,给出了敏感元件的等效电路,并在此基础上,通过理论推导,得到了反应腔热噪声的数学模型。随后构建了电化学地震计反应腔噪声测试系统,进行了反应腔热噪声测试,通过实验方式对热噪声的数学模型进行了验证。(3)建立电化学地震计反应腔敏感元件仿真模型,并基于仿真分析了温度、反应腔敏感元件结构参数与电解液特性对反应腔热噪声的影响规律。本文针对电化学地震计反应腔敏感元件特性建立了其多物理场仿真模型,该模型可全面展现电化学地震计反应腔内部多个物理量的详细信息。基于仿真分析了温度、反应腔结构参数与电解液特性对热噪声的影响规律,为电化学地震计反应腔噪声的抑制提供参考。
【关键词】：电化学地震计 多物理场仿真 热噪声
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P315.6;TP212
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 前言10-12
• 1.2 电化学地震计噪声研究现状12-14
• 1.3 课题来源及主要研究内容14-15
• 1.3.1 课题来源14
• 1.3.2 主要研究内容14-15
• 1.4 本章小结15-16
• 第2章 低频电化学地震计工作原理及其噪声16-28
• 2.1 低频电化学地震计的结构及其工作原理16-21
• 2.2 电化学地震计反应腔传递函数21-22
• 2.3 电化学地震计的噪声22-27
• 2.3.1 电路噪声22-23
• 2.3.2 流体动力学噪声23-26
• 2.3.3 热噪声26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 电化学地震计反应腔热噪声模型28-44
• 3.1 热噪声的数学模型28-34
• 3.1.1 电解液中物质传递—迁移电流28-29
• 3.1.2 电解液中物质传递—扩散电流29-31
• 3.1.3 电化学地震计反应腔热噪声数学模型31-34
• 3.2 电化学地震计反应腔热噪声测试34-40
• 3.2.1 电化学地震计反应腔噪声测试系统34-37
• 3.2.2 电化学地震计反应腔噪声测试数据处理37-40
• 3.3 数学模型计算结果与测试结果对比40-41
• 3.4 本章小结41-44
• 第4章 电化学地震计反应腔热噪声仿真分析44-60
• 4.1 COMSOL Multiphysics简介44
• 4.2 电化学地震计反应腔敏感元件仿真模型构建44-50
• 4.2.1 电化学地震计反应腔敏感元件建模分析45-48
• 4.2.2 COMSOL Multiphysics软件建模操作流程48-50
• 4.3 基于多物理场仿真的电化学地震计反应腔热噪声分析50-59
• 4.3.1 温度对热噪声的影响52-53
• 4.3.2 电解液浓度对热噪声的影响53-55
• 4.3.3 电化学反应腔敏感元件孔道半径对热噪声的影响55-56
• 4.3.4 敏感元件电极厚度与绝缘层厚度对热噪声的影响56-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第5章 总结与展望60-64
• 5.1 全文总结60-61
• 5.2 未来展望61-64
• 参考文献64-70
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果70-72
• 致谢72

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