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摘要： 《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确指出：科学核心素养的内涵表现为学生逐步形成的、既适应个人终身发展又满足社会发展需求的正确价值观、必备品格和关键能力。小学科学教学强调学生从日常生活中发现科学知识，引导学生用科学的眼光去分析日常生活中的现象，把好奇心转化为对自然科学的探索兴趣，领略科学学科的魅力，激发对科学的热爱之情，培养观察能力、实验能力和创新能力。科学作业是与科学课程学习相关联的练习、实践活动或研究项目，旨在帮助学生巩固课堂上学到的科学知识，提高观察、实验、分析和解决问题的能力，培养创新能力。核心素养在科学教学中具有导航指引的地位，核心素养视域下的小学科学单元作业应该依据新课标、单元编排内容以及实际学情进行系统规划和整体设计，可以从“研读单元教材，确定作业目标；明确作业类型，统整作业内容；搭建学习支架，助力作业创新；构建评价体系，提高作业质量”四个方面展开，使作业目标指向明确、作业流程严密、作业结果能应用于真实情境。

关键词： 无线能量传输   微波整流电路   高效率   小型化   自动测量系统  

摘要： 随着无线能量传输技术的快速发展,整流电路的研究和设计变得尤为重要。本文对微波无线输能系统中整流电路的效率提升、小型化设计以及自动化测试等关键技术进行了较为深入的理论分析、数值仿真和实验研究,旨在通过技术创新推动无线能量传输领域的进步。 首先,本文回顾了无线能量传输和整流电路的基础理论。介绍了无线输能系统中整流电路的基本结构,并分析了高效率整流电路小型化设计过程中能量转换效率、功率密度以及效率密度等关键性能参数。文中还讨论了肖特基二极管的工作机制,基于时域波形对二极管整流理论进行了推导,总结了整流二极管能量转换效率的计算方法,并分析了阻抗匹配对于提高整流电路性能的意义,为整流电路的设计和优化提供了理论指导。 其次,分析研究了影响整流效率的关键因素,主要包括肖特基二极管、介质基板、谐波抑制结构等。重点在于对肖特基二极管的特性进行分析,结合仿真软件研究了其关键参数对整流效率的影响,并对常见的几种二极管的参数进行了比较。还通过参数提取方法获取了二极管的实测模型,提升了整流电路仿真的准确度。 再次,在小型化设计方面,针对2.45 GHz和5.8 GHz频段的微波整流电路展开了研究,提出了一种使用集总元件替代传统微带传输线的设计策略。通过分析集总元件的寄生效应及其优化方法,成功实现了高效率整流电路的小型化。尤其是在2.45 GHz频段,通过集总参数匹配技术,设计出的集总整流电路尺寸仅为0.92cm×0.5 cm,最大整流效率为73.7%。在300 m W/cm2的射频输入下,实现了217m W/cm2的直流输出,效率密度达到了1.58 cm?2,均高于其他文献中的对比设计,显著提高了整流电路的能量转换效率和小型化程度。 最后,为解决整流电路传统手动测试过程中的局限和不足,进一步设计并实现了一套整流电路效率-频率-功率自动测量系统。该系统采用自动化测试策略,不仅显著提高了测试效率和精度,还有效减少了人为误差,并通过实验测试验证了其高效性和可靠性,为整流电路的性能评估和优化提供了强大的工具。

关键词： 航空航天用天线   PMI泡沫材料   空气腔体   PTFE  

摘要： 近年来，随着5G通讯、航空航天、气象预报以及军事通信等领域对于小型化、轻量化、高增益、高精度天线的迫切需求，基于印制电路板材料（PCB）的天线设计备受关注，相较于传统的波导或微带天线，航空航天用PCB天线具有集成化、智能化、轻量化等优势。然而，在传统航空航天用PCB天线中，馈电层与天线层之间通常采用固体介质（如FR4、PTFE等）填充，这会导致严重的介质损耗，从而降低天线效率。针对这一问题，本文提出了在馈电层与天线层之间引入空气腔结构或低介电常数的PMI泡沫材料替代传统的固体介质的创新设计方案，从而实现航空航天用PCB天线高增益、低延迟、大容量等通信性能的需求。

关键词： 双燃料内燃机   大型发动机控制器   控制电路设计   功能验证  

摘要： 近年来随着双碳政策的普及、国际油价的攀升以及发动机排放法规的日益严苛,使用低碳代用燃料并发展双燃料技术是未来内燃机领域的研究趋势。氨燃料具备低碳、低价、安全等独特优势,是一种理想的可再生代用燃料。本文对一台改装后大型氨-柴发电机组内燃机进行控制器硬件设计,并就其中的关键技术开展了研究。 利用柴油机样机搭建了测试台架,开展了纯柴油模式下的发动机性能试验。基于试验所获取的数据以及氨供给系统参数,在GT-POWER中搭建了双燃料模式下的一维性能仿真模型,并对模型进行了校核。 利用性能仿真模型对不同氨能替代率下的指定内燃机工况点进行仿真,分析了氨能替代率对部分发动机动力性、经济性、排放性参数的影响。使用Box-Behnken法设计了三因素三水平四响应实验,拟合出了对应响应的曲面,并根据不同指标的重要性以及权重,进行了参数寻优,确定了最佳喷射参数,为后续控制电路开发奠定数据基础。 依据16缸双燃料电控单体泵内燃机所需实现的功能分析,结合所需传感器和执行器的类型与数量,对微控制器引脚资源进行了合理分配。确定了控制电路的总体设计方案。使用高集成度的芯片分模块设计了MCU最小系统、功率器件电源模块、信号调理电路、功率驱动电路以及通讯调试电路,设计了外围电路并制造了PCB样板。 通过SPI通讯向功率驱动芯片写入微代码,以对其寄存器进行功能配置。搭建了控制电路测试平台,测试了各模块的工作信号波形。曲轴/凸轮轴位置传感器信号模块,能根据预设电压门限值将入信号处理为满足对应处理芯片输入需求的方波。电控单体泵电磁阀与电磁气体喷射阀,均可根据MCU输出的驱动信号时间做出及时响应,并满足预定喷射策略脉宽要求。氨气计量单元电磁阀可根据MCU引脚提供的不同占空比信号保持对应开度。实验与测试表明,控制电路设计方案达到了预期功能要求。

关键词： 产业学院   应用型   产教融合   人才培养  

摘要： 产业学院的建设是地方应用型本科高校促进区域产业与人才培养对接、推进产教融合的一项重要举措。以淮阴工学院印制电路板产业学院为例，从建设学科专业集群、构建多元办学体制、建立产学研深度合作平台、提高人才培养和社会需求的契合度等方面，探索了产业学院的建设路径，从而为地方应用型高校构建“产、学、研、用”全方位全过程深度融合的协同育人长效机制提供参考。

关键词： 模拟电路   故障诊断   卷积神经网络   哈里斯鹰优化算法   特征选择  

摘要： 模拟电路被广泛应用在国防、航天及计算机等多个领域,是保障机器设备正常运行的重要组成部分。模拟电路发生故障会削弱整个电路系统的性能,造成不可估计的经济损失,甚至出现人员伤亡情况。因此,模拟电路故障诊断研究成为该领域的重点。但由于模拟电路受到元件容差性和数据噪声的影响,模拟电路故障诊断存在困难。为减小元件容差和数据噪声对故障诊断结果的干扰,提高诊断准确率,本文提出一种基于卷积神经网络的模拟电路故障诊断方法。 首先,根据电路元件物理结构和所受环境应力,分析元件故障机理和故障类型。其次,针对传统机器学习算法依赖特征提取技术的问题,提出基于一维卷积神经网络(1DCNN)的故障诊断方法。将采集的时域电路信号直接输入到基础1DCNN中,引入批归一化和Dropout等优化技术,设计了一种单通道的1DCNN结构。该方法避免了人工提取特征,可以将特征学习和分类进行联合。然后,结合多尺度卷积和注意力机制,通过改进的哈里斯鹰优化(HHO)算法优化网络参数,设计了可以自动寻找最优参数的多尺度注意力卷积网络模型。该模型可以避免人工调节参数,提高特征提取能力。最后,为了增强模型的抗噪性能,在多尺度网络的基础上引入了时域和频域双通道输入的设计思想,并对数据进行特征选择,提出了基于特征选择和双通道卷积的模拟电路故障诊断方法。该方法有效增加了重要特征信息量,提高了特征利用率,提高了模型抗噪声干扰能力。 本文采用三个仿真电路对所提方法进行评估和验证,实验结果表明,本文提出的方法相较于对比方法具有更高的诊断精度,在添加噪声的数据中也验证了所提方法具有良好的泛化性和抗噪声干扰能力。

关键词： 超导纳米线单光子探测器   时间抖动   时间数字转换   现场可编程门阵列  

摘要： 自首次报道超导纳米线单光子探测器(Superconducting Nanowire Single-Photon Detector,SNSPD)以来,经过二十多年的发展,其性能得到了显著提高,被广泛应用于飞行时间激光测距、光时域反射仪和量子密钥分发等领域。时间抖动是SNSPD应用在各领域的一个重要参数,因此对SNSPD时间抖动精准测量就显得尤为重要。但现有时间抖动测量设备存在功能单一难拓展、笨重不易集成和价格昂贵等问题。本文针对SNSPD应用领域中对时间抖动测量的需求和现有时间抖动测量设备存在的问题,提出两种应用于不同性能的SNSPD系统时间抖动测量方案。具体设计方案及测试结果如下: 1、针对低性能SNSPD系统,提出以商用时间数字转换(Time-to-Digital Conversion,TDC)芯片为核心设计时间抖动测量方案。设计了包含数字化单元、TDC单元和现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)单元的TDC电路。其中,数字化单元负责将SNSPD响应信号和电脉冲信号转化为TDC单元可检测的START信号和STOP信号;TDC单元负责将START和STOP两路模拟信号转化为以时间表示的数字信号;FPGA单元负责整个模块的控制、数据处理和数据传输。对该方案的分辨率、线性度和精度分别标定,测试结果表明分辨率好于55 ps,测量数据呈线性,100 ns以内时间精度优于36 ps。 2、针对高性能SNSPD系统,提出以FPGA芯片为核心设计时间抖动测量方案。采用脉冲计数法和延迟链法为实现原理,设计了主要包含“粗”计数模块和“细”计数模块的TDC电路。为提高编码效率,设计了以折半法编码为核心的编码模块;为减少测量误差,设计了以码密度校准法为核心的校准模块;为适应SNSPD阵列化发展,利用模块化的设计思想设计多通道TDC电路。对该方案的分辨率、非线性度和精度分别标定,测试结果如下:平均分辨率为21.26 ps;4条延迟链平均DNL为(-0.15,2.52)LSB,平均INL为(-4.26,5.44)LSB;1000 ns以内测试精度优于50 ps。 最后,两方案与实用化SNSPD系统实现联调测试,成功表征100 ps左右时间抖动,并将测试结果与商用时间相关单光子计数(Time-Correlated Single-Photon Counter,TCSPC)模块对比,验证两方案对于SNSPD系统时间抖动测量的可行性。

关键词： 分级多孔结构   中空多壳层结构   微波气体传感器   氨气   气体扩散  

摘要： 氨气（NH3）是一种无色、具有高度腐蚀性和刺激性气味的有毒气体,其传感器在与氨气相关的工业泄露、环境污染监测和医疗诊断中有广泛需求。其中,微波NH3传感器由于具有室温工作、低功耗和非接触式检测等优势,吸引了众多研究者的关注。然而,目前研究的微波NH3传感器大多基于平面谐振电路,存在分辨率和灵敏度较低的问题。选用矩形波导谐振腔作为微波气体传感器的电路结构,电磁场集中在谐振窗位置,具有高Q因子和高分辨率,有助于构建高灵敏度的微波气体传感器。但是,对于立体电路结构,敏感材料的涂装是关系到器件性能的关键问题。 近年来,分级纳米结构凭借其丰富的气体吸附位点和优异的气体扩散能力在气体传感领域展现出巨大的潜力。在众多分级纳米结构中,具有分级多孔结构的整体材料与波导谐振腔具有良好的适配度,避免了常规粉体材料需要涂装的问题。整体材料可以精确放置在波导腔的强电磁场区域,分级多孔结构有效增强气体扩散;此外,敏感材料的微观结构对传感性能提高有积极作用,中空纳米微球因其高比表面积、可调控的形貌和丰富的内部空腔,广泛应用于气体传感领域。本论文以开发高性能NH3传感器为目标,基于分级纳米结构和波导谐振腔,从敏感材料结构设计出发,研究了敏感材料的微观结构与传感性能的关系,分别讨论了基于分级多孔结构和中空多壳层结构敏感材料的微波传感器增感机理。具体研究内容如下: （1）通过溶胶凝胶法结合水热法制备了具有分级多孔结构的In2O3/Al2O3整体材料;采用聚合物辅助溶胶凝胶冷冻干燥技术并调控聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone,PVP）组分合成具有不同孔径的分级多孔In2O3整体材料,结合矩形波导谐振器组装了微波传感器。系统研究了In2O3/Al2O3和In2O3整体材料对NH3的传感性能。基于In2O3/Al2O3整体材料的NH3传感器在室温下具有低检测限（10 ppb）、出色的选择性和可重构性,NH3浓度低于50 ppb时灵敏度高达106.1 d B/ppm,表明分级多孔结构可以有效增强气体扩散,提高传感性能;使用3.0 g PVP制备的分级多孔In2O3传感器对NH3展现出宽检测范围（0.01～2000ppm）、低检测限（7 ppb）和卓越的选择性,在0.01～100 ppm浓度范围内灵敏度为0.0477 d B/ppm,这可能是由于合适孔径对气体的限制作用。 （2）采用次序模板法结合水热法制备了HoMS-Ba Ti O3敏感材料,以石英纤维滤膜和矩形波导谐振器分别作为基底和传导结构,组装了微波NH3传感器。研究了Ba Ti O3的壳层数和敏感材料质量对气敏性能的影响。结果表明,单壳层Ba Ti O3空心球和双壳层Ba Ti O3空心球分别在低浓度（10 ppb～0.15 v/v%）和高浓度（0.15～0.55 v/v%）表现出最佳响应,敏感材料的质量越低,响应越高。与Ba Ti O3纳米颗粒相比,HoMS-Ba Ti O3在较宽浓度范围内（10 ppb～0.55 v/v%）对NH3具有高响应,这可能归功于较大比表面积提供更多的活性位点、内部空腔的限域富集作用以及少量HoMS-Ba Ti O3敏感材料有利于气体扩散。