第一篇：褐煤的等溫干燥特性及其脫水動力學研究論文

由于經濟的快速穩(wěn)定發(fā)展，我國能源需求趨勢逐年增長，從而導致優(yōu)質煤資源大量消耗，以至于難以滿足能源安全和環(huán)境保護的要求，因此如何對資源儲量相對豐富的低階煤(尤其是褐煤)進行清潔利用無疑成為能源和化工領域的研究重點。但褐煤中高水分含量(2500-6000)是其大規(guī)模加工利用的最大難題，因此要實現(xiàn)對褐煤的高效轉化首先必須對其進行脫水提質處理。褐煤是一種類似膠質體的毛細多孔性物質，水分存在于其多樣的孔結構中，而其豐富的親水性含氧官能團也以氫鍵的形式與水分結合，隨孔結構及含氧官能團的不同，褐煤與水之間的結合力有所區(qū)別，從而使得脫除不同賦存形態(tài)的水所需能量不同。國內外諸多學者為探索褐煤干燥特性進行了研究，如印尼褐煤煤粉、馬來西亞褐煤顆粒、寧夏褐煤顆粒及錫盟褐煤的干燥動力學等口習。在熱風干燥過程中褐煤干燥受擴散機理控制，有效水分擴散系數隨溫度升高、相對濕度及樣品質量的減小而增大比。也有學者利用體積平均法對褐煤干燥建立了單顆粒及干燥理論模型。利用掃描電鏡檢測發(fā)現(xiàn)錫盟褐煤經干燥后表而會出現(xiàn)斷裂、粉化等現(xiàn)象叫，而蒙東褐煤孔體積在熱壓作用下略有減小，但其受壓力的影響不如比表而積受壓力的影響明顯。目前，對煤低溫干燥中水分脫除行為與其結構變化間的關聯(lián)尚無明確了解，筆者擬通過兩種不同升溫方式的等溫薄層干燥對褐煤進行干燥脫水研究，并進行相應的動力學計算和擬合分析，由于低溫干燥條件下褐煤內部的官能團不會發(fā)生明顯改變，故主要表征了干燥過程中的物理結構變化，即比表而積和孔結構的變化情況，旨在分析干燥過程中煤中水分的變遷行為，為褐煤脫水提質干燥工藝的設計提供一定的理論參考。

1實驗部分

1.1煤樣的選擇

選取一種內蒙古褐煤為實驗用樣，煤樣的工業(yè)分析與元素分析。為避免煤樣在制備過程中的氧化，將其在氮氣保護下進行破碎、研磨、篩分，選取粒徑為0.18-0.25 mm的煤粒作為實驗用樣。

1.2儀器及方法

干燥實驗采用美國的MB45水分快速測定儀，其加熱方式為鹵素加熱，速度為紅外水分測定儀的兩倍，在干燥過程中能夠持續(xù)測量樣品重量并在電腦上顯示結果。每次取樣約59，采用兩種升溫方式進行褐煤干燥，方法a是樣品直接快速升溫到指定溫度(60, 80, 100, 120 0C)進行樣品的恒溫干燥;方法b是將樣品在50℃恒溫20 min，隨后快速升溫到指定溫度，然后進行恒溫干燥實驗。當1 min內質量減少小于1 mg時被認為達到干燥平衡，干燥實驗在持續(xù)穩(wěn)定的氮氣流(400 mImin)保護下進行。

不同干燥程度煤樣的孔結構特性及其比表面積采用北京精微高博科學技術有限公司的J W-BK122 W靜態(tài)氮吸附儀進行測定，為保證所得數據的可靠性和基準一致性，測定前需將煤樣在 60℃下加熱270 min進行預處理。

2實驗結果與討論之褐煤干燥過程中孔結構及比表面積的變化

為了探究兩種干燥方式對煤孔結構造成的影響，用低溫氮吸附法對不同溫度條件下干燥所得煤樣的孔結構和比表面積的變化情況進行表征。

顯示了依照方法a干燥所得煤樣的孔體積V隨溫度升高而增大，100℃時達到最大值，繼續(xù)升溫至120℃有所降低，其平均孔徑在60℃和80℃干燥時變化不大，100℃時升高，而在120℃時又有所降低，這應該是由于低溫下，褐煤干燥主要脫除外水而騰空了部分大孔隙，導致其孔體積增大，而隨溫度升高，褐煤的類膠質體特性導致其失去內在水分時體積發(fā)生收縮造成的。另外，褐煤內部的孔徑范圍主要是大中孔，平均孔徑的變化程度較大程度上取決于大孔的變化，如前所述，低溫干燥時煤樣主要脫除外水，致使在大孔范圍內，較大孔先均勻塌陷成較小的孔，但表現(xiàn)為平均孔徑變化不明顯，當120℃干燥時內水的脫除引發(fā)強度更大的收縮，大孔部分塌陷至中孔，故平均孔徑有減小的趨勢。方法b制得樣品的平均孔徑均小于方法a制得的樣品，其在80℃時最大、100℃時最小，而孔體積則明顯大于方法a干燥制得的煤樣，且隨溫度升高呈逐漸增大的趨勢，這可能是由于在恒溫干燥過程中，經過50℃干燥預處理后的煤樣其孔結構的破壞程度大于直接干燥所得煤樣。

兩種方法下煤樣干燥過程中，比表面積均是隨溫度升高而略有增大，而方法b制得樣品的數值相對較大，低階煤的表而積主要由中孔決定?？梢赃@樣理解，溫度升高，煤樣的干燥程度加深，導致大孔坍塌成為中孔，中孔比例略有增多，從而使得比表面積增大。方法a的最可幾孔徑隨干燥溫度升高呈現(xiàn)略增的趨勢，預處理煤樣方法b制得樣品的最可幾孔徑隨溫度升高而略有減小。因此，不同的升溫方式對煤樣干燥過程的物理結構變化具有顯著影響。

2.1褐煤等溫干燥特性

引入無量綱水分比進行褐煤干燥特性的考察，定義為某時刻待除去的水與初始水含量之比。這是因為其表示的干燥曲線與濕物料的初始水含量無關，為干燥實驗數據的分析提供方便。

3結論

褐煤薄層干燥脫水過程可以用升速干燥階段和降速干燥段來描述。隨溫度升高，干燥速率增大，但升溫方式不同，對干燥速率的影響各不相同。脫水過程中，溫度升高，干燥煤樣的孔體積呈先增大后減小，比表面略有增大，平均孔徑的變化較能反應大孔的變化情況。先經50℃預處理，然后進行恒溫干燥的方法對褐煤孔結構的破壞相對顯著。修正的Henderson and Pabi模型能較好地用于實驗所用褐煤等溫薄層干燥過程的描述，采用Arrheniu方程計算所得褐煤脫水的平均表觀活化能約為25 kJ /mol，脫除吸附水的活化能約為31 kJ/mol。

第二篇：辣椒滲透脫水處理及滲后熱風干燥特性及品質分析

辣椒滲透脫水處理及滲后熱風干燥特性及品質分析

尹曉峰，楊明金，張引航，高 博，謝守勇，楊 玲*（西南大學工程技術學院，丘陵山區(qū)農業(yè)裝備重慶市重點實驗室，重慶 400715）摘 要：以脫水率、固形物獲取率、脫水率與固形物獲取率比值、有效水分擴散系數、活化能、VC保留率、辣度、復水比、復原率和感官評價為考察指標，通過滲透脫水實驗、滲后熱風干燥實驗和復水實驗，考察了辣椒的滲透脫水特性、滲后熱風干燥特性、復水特性和品質。結果表明：隨著滲透溫度的升高或滲透液中食鹽含量的增加，辣椒的脫水率和固形物獲取率增大。對滲透后的辣椒樣品進行熱風干燥處理發(fā)現(xiàn)，熱風溫度是影響熱風干燥的最主要因素，其次是風速。辣椒樣品的有效水分擴散系數隨著溫度的升高而增大，在風速為1.8 m/s的條件下，直接熱風干燥辣椒樣品和滲后熱風干燥辣椒樣品的活化能分別為（53.25±1.08）kJ/mol和（44.42±0.88）kJ/mol。滲后熱風干燥樣品的有效水分擴散系數、VC保留率、辣度、復水比和復原率均高于直接熱風干燥樣品，滲后熱風干燥樣品的復水特性和品質更好。關鍵詞：滲透脫水；熱風干燥；復水；品質；辣椒

辣椒作為蔬菜、調味品和保健食品，含有酚類化合物和VC等活性物質，營養(yǎng)豐富，藥用價值高，辣椒產業(yè)的發(fā)展空間很大[1]。為避免長時間自然貯存引起的腐爛、霉變，需要對新收獲的辣椒進行有效的干燥處理[2]。傳統(tǒng)辣椒干燥處理常采用自然晾曬、風干，然而自然干燥易受到天氣和場地的限制，干燥周期長、效率低、產品色澤差、品質較差[3-4]。而現(xiàn)代干燥主要以單一干燥方法為主，包括熱風干燥、微波干燥、遠紅外干燥、真空干燥和滲透脫水干燥等[5]，雖然能一定程度上給干燥行業(yè)帶來幫助，但是無論任何干燥方法，都存在著自身的缺陷和不足。例如，熱風干燥占據著我國果蔬脫水加工行業(yè)90%的比例，其操作相對簡單，容易控制，對干燥設備要求不高，但是較長的干燥周期和果蔬干燥后較差的品質卻制約著其發(fā)展[6]。滲透脫水雖然節(jié)能環(huán)保，能夠很好地保持果蔬的品質，但是卻只能脫去果蔬大約2%～50%的水分，不能達到國家標準規(guī)定的含水率水平（14%）[7]。真空冷凍干燥可以得到品質較佳的干燥產品，但其高成本、高能耗的特點也限制了它的廣泛應用，一般用來干燥高價值和高附加值的產品[8]。因此，根據果蔬自身特點，可以采用兩種甚至兩種以上的干燥方式進行聯(lián)合干燥，不但能夠縮短干燥時間，減少耗能，而且還可以節(jié)約成本，提高產品品質。Shanna[9]進行了大蒜丁香的微波-熱風聯(lián)合干燥，結果獲得了較高的干品感官品質，而且微波-熱風聯(lián)合干燥比傳統(tǒng)的熱風干燥縮短了80%的干燥時間。Rodrígues等[10]研究表明，相比未滲透脫水干燥工藝，滲透脫水-真空干燥產品細胞結構保持完好、脆度增加、質地多孔復水性好、干燥時間也縮短了很多。None[11]應用滲透-熱風聯(lián)合千燥香蕉片，香蕉片被浸透在兩個連續(xù)不同質量濃度的蔗糖溶液，然后進行熱風干燥（40 ℃、72 h、相對濕度60%），得到水分質量分數16.5%的產品，獲得了較佳的品質。董全[12]對藍莓進行滲透脫水和流化床干燥實驗，結果表明在滲透脫水溫度不超過65 ℃的條件下，經195 min滲透脫水處理的藍莓的含水率可以達到50%以下。田紅萍[13]對胡蘿卜進行了滲透脫水和滲后微波干燥的實驗，得到了胡蘿卜滲透脫水的較佳工藝：65 g/100 mL的蔗糖溶液、料液比1∶10（m/V）、滲透液溫度為32 ℃的脫水效果最好，并且得出了高質量濃度的蔗糖溶液滲透脫水時對果蔬有較好的護色作用的結論。滲后熱風干燥工藝采用先滲透脫水后熱風干燥的處理方案，即先通過滲透液（一般由蔗糖、食鹽和水按一定比例配制而成）對果蔬進行滲透脫水處理，利用細胞膜的半滲透性使樣品中的部分水分轉移到滲透液中，以達到去除果蔬中部分水分的目的，然后進行熱風干燥，從而提高果蔬干燥效率和品質[14-16]。滲透脫水一方面能加快脫水速率，另一方面能增加果蔬樣品的固形物含量，保持果蔬內部結構，減少營養(yǎng)成分和風味物質損失，易于同其他干燥方式進行聯(lián)合，是理想的聯(lián)合干燥前期脫水方式[17-20]。

本研究以脫水率、固形物獲取率、脫水率與固形物獲取率比值、有效水分擴散系數、活化能、VC保留率、辣度、復水比、復原率和感官評價為考察指標，通過滲透脫水實驗、滲后熱風干燥實驗和復水實驗，考察辣椒的滲透脫水特性、滲后熱風干燥特性、復水特性和品質，以期為辣椒的干制探索一種新方法，為辣椒干燥和貯存工藝提供更高效、優(yōu)質和低成本的解決方案，并為辣椒制品工藝優(yōu)化和產業(yè)化提供參考。1 材料與方法 1.1 材料

朝天椒（Capsicum）購買于重慶北碚區(qū)永輝超市；蔗糖 河南豪峰食品有限公司；食鹽 重慶市鹽業(yè)有限公司。1.2 儀器與設備

AL204型電子天平梅特勒托利儀器有限公司；BC-2型薄層干燥試驗臺 長春吉大科學儀器設備有限公司；HH-3型數顯恒溫水浴鍋 上海況盛設備儀器有限公司。1.3 方法 1.3.1 樣品準備

選取新鮮無公害、肉質豐厚的辣椒作為樣品，清水清洗后用吸水紙擦掉表面水分。根據GB/T 8858—1988《水果、蔬菜產品中干物質和水分含量測定方法》測定辣椒樣品的初始含水率。1.3.2 指標測定

滲透脫水時，需將辣椒樣品全部浸入滲透液，滲透脫水后，取出辣椒樣品，先用清水沖洗2～3 遍，除去辣椒表面殘留的滲透液，再用吸水紙進行擦干并稱質量，記錄結果，實驗3 次重復，結果取平均值。

滲透脫水實驗指標包括脫水率、固形物獲取率、脫水率與固形物獲取率比值。其中，脫水率、固形物獲取率按式（1）、（2）計算。

式中：WL為脫水率/%；W0為物料初始質量/g；Wt為滲透t時刻樣品質量/g；Sg為固形物獲取率/%；S0為初始樣品固形物質量/g；St為滲透t時刻樣品固形物質量/g。干燥特性實驗指標包括干燥速率、有效水分擴散系數和活化能，分別按式（3）～（5）計算。

式中：v0為干燥速率/（%/min）；M1為干燥前物料初始含水率/%；Mt為干燥t時刻含水率/%；Δt為干燥時間/min；MR為水分比；Deff為有效水分擴散系數/（m2/s）；L為實驗樣品厚度的一半/m；D0為Arrhenius方程指數前因子/（m2/s）；Ea為活化能/（kJ/mol）；R為氣體常數/（kJ/（mol·K））；T為絕對溫度/K。通過繪制式（4）中l(wèi)nMR相對于t的曲線，將曲線進行線性擬合，由直線的斜率可以計算得到Deff[21]，通過繪制式（5）中l(wèi)nDeff相對于1/T的曲線，將曲線進行線性擬合，由直線的斜率可以計算得到。

復水比是考察干制產品品質的一個重要指標，實驗對熱風干燥及滲后熱風干燥的樣品做了復水實驗。指標為樣品的復水比（R）和復原率（K），分別按式（6）、（7）計算。

式中：R為復水比/（g/g）；K為復原率/%；mf為脫水物料復水后的瀝干質量/g；mg為脫水物料復水前的干品質量/g；mx為脫水物料復水前的干品質量/g。VC保留率按式（8）計算。

式中：C1為樣品干物質中的VC含量/（mg/g）；C0為鮮辣椒物質中的VC含量/（mg/g）。1.3.3 辣椒干燥處理 1.3.3.1 滲透脫水

將預處理好的辣椒進行稱質量、取樣，樣品質量控制在40～50 g之間。按1∶10的料液比（m/V）進行滲透脫水正交試驗[23]。由于Figen等[24]研究表明滲透液通常采用40%～65%（質量分數，下同）蔗糖加5%～15%食鹽（＋水）組合比較適宜，因此本實驗采用的4 種滲透液分別為：45%蔗糖＋0%食鹽（＋水）、45%蔗糖＋2%食鹽（＋水）、45%蔗糖＋6%食鹽（＋水）和45%蔗糖＋10%食鹽（＋水）[25]，配比為質量分數。由于蔗糖不是電解質，擴散系數小，其分子質量大于食鹽，蔗糖含量變化對滲透脫水的影響遠小于食鹽含量對其的影響，因而本實驗僅研究在蔗糖含量（45%）不變的條件下食鹽含量對辣椒滲透脫水的影響[26]。取滲透溫度、滲透液組合和滲透時間為變量因素，其中45%蔗糖＋0%食鹽（＋水）滲透液作為試驗對照組，不選作正交試驗因素。采用正交試驗水平表L9（34）研究不同因素水平對脫水率及脫水率與固形物獲取率比值的影響及影響程度，試驗設計因素水平見表1。表 1 正交試驗因素與水平

Table 1 Factors and levels used in orthogonal array design

水平因素A滲透溫度/℃B滲透液組合C滲透時間/h 1 3045%蔗糖＋2%食鹽（＋水）2 2 4545%蔗糖＋6%食鹽（＋水）4 3 6045%蔗糖＋10%食鹽（＋水）6 1.3.3.2 滲后熱風干燥

經滲透脫水，只能去除樣品20%～50%的水分，不能達到國家標準規(guī)定的含水率水平（≤14%），需要進一步進行干燥處理。采用常壓熱風干燥對辣椒樣品進行干燥。為了考察滲透脫水對熱風干燥性能的影響，對滲透脫水樣品和未經滲透脫水樣品（鮮辣椒樣品）在不同熱風溫度和風速條件下的熱風干燥特性進行比較，并對干燥后的樣品進行復水實驗。滲透脫水的滲透液為45%蔗糖＋10%食鹽（＋水），滲透溫度為45 ℃，滲透時間1 h。干燥的熱風溫度分別取45、50、55、60、65 ℃，風速分別為0.6、1.2、1.8 m/s，在薄層干燥試驗臺中進行，樣品干燥到國家標準規(guī)定的含水率時停止，干燥時每1 h記錄一次數據，熱風干燥前樣品質量約為50 g。對在不同熱風溫度和風速條件下直接熱風干燥樣品和滲后熱風干燥樣品的VC含量和辣度分別采用GB/T 6195—1986《水果、蔬菜維生素C含量測定法 2,6-二氯酚靛酚滴定法》和GB/T 21265—2007《辣椒辣度的感官評價方法》進行檢測分析。1.3.3.3 復水實驗 分別選取風速為1.8 m/s、45 ℃條件下直接熱風干燥和滲后熱風干燥后的樣品各約30 g，浸泡在300 mL溫度為90 ℃熱水中，1 h后將樣品從熱水中取出，用清水洗凈表面，瀝干后稱質量，計算實驗樣品的復水比和復原率。由5 名感官評定員根據色澤、氣味和外形等項目對復水處理后的樣品進行感官評定，評定標準見表2。感官評價總分為色澤、氣味和外形分數之和，總分越高，樣品品質越好。

表 2 辣椒產品感官評定標準

Table 2 Criteria for sensory evaluation of chili pepper products

項目指標色澤新鮮、結構飽滿均勻（25～40 分）顏色變淺，較飽滿均勻（10～25 分）顏色發(fā)暗，結構緊縮（＜10 分）氣味、口感辣味濃郁（20～30 分）辣味一般（10～20 分）無辣味或略帶辣味（＜10 分）外形平整度很好（20～30 分）平整度一般（10～20 分）無平整度或平整度較低（＜10 分）1.4 數據統(tǒng)計分析

各實驗組數據均為3 次重復測定后的平均值，采用Excel軟件進行數據處理和繪圖，數據以±s表示。2 結果與分析 2.1 滲透脫水特性

2.1.1 滲透溫度對滲透脫水特性的影響

圖1 不同滲透溫度條件下的滲透脫水特性

Fig.1 Osmotic dehydration characteristics at different temperatures 在滲透液為45%蔗糖＋10%食鹽（＋水），滲透溫度分別為30、45、60 ℃條件下，通過實驗研究得到滲透溫度對辣椒滲透脫水特性的影響。由圖1可知，隨著滲透溫度的升高，辣椒的WL和Sg均增大，在相同條件下，WL遠大于Sg，滲透溫度對辣椒樣品的WL/Sg影響較?。浑S著滲透時間的延長，辣椒的WL和Sg也增大，但在滲透脫水初期，WL和Sg增加較快，隨著滲透脫水的進行，WL和Sg的增加逐漸趨緩；WL/Sg隨著滲透脫水時間的延長而增大，經溫度為45 ℃的滲透液滲透脫水2、4、6 h，辣椒的WL/Sg分別為4.31±0.12、5.21±0.10和5.74±0.13。由于滲透脫水實際上是利用細胞膜的半透性，在樣品內外液體形成滲透壓差而進行的水分遷移過程，當滲透溫度增加時，滲透液內溶質分子和水分子的運動加快，從而使WL和Sg增大[27]。在滲透脫水初期，樣品和滲透液之間存在較大的滲透壓差，其WL和Sg變化較快，隨著滲透時間的延長，樣品和滲透液之間的滲透壓差減小，從而在滲透脫水后期WL和Sg的增加趨緩。同時，在較高滲透壓差的環(huán)境中，水分子比較小，可以快速從辣椒樣品中進入外部滲透液，實現(xiàn)脫水，而滲透液溶質分子較大（糖分子相對于鹽分子更大），較難通過半透膜進入辣椒樣品內，從而影響辣椒樣品Sg的增加，且WL遠大于Sg[28-31]。隨著滲透溫度的升高，由于滲透液內溶質分子和水分子運動同時加快，使WL和Sg同時最大，從而使?jié)B透溫度對WL/Sg的影響較小。2.1.2 滲透液組合對滲透脫水特性的影響

圖2 不同滲透液組合條件下的滲透脫水特性

Fig.2 Osmotic dehydration characteristics with different osmotic solutions 在滲透溫度為45 ℃，滲透液組合分別為45%蔗糖＋0%食鹽（＋水）、45%蔗糖＋2%食鹽(＋水)、45%蔗糖＋6%食鹽(＋水)和45%蔗糖＋10%食鹽(＋水)的條件下，通過實驗研究得到滲透液組合對辣椒滲透脫水特性的影響。由圖2可知，在滲透液蔗糖含量一定時，隨著食鹽含量的增加，WL和Sg均增加，在相同條件下，WL遠大于Sg；WL/Sg隨著滲透脫水時間的延長而增大，在相同的條件下，WL/Sg隨著食鹽含量的增加而增加。

由于隨著滲透液中食鹽含量的提高，辣椒樣品和滲透液之間因滲透液濃度引起的滲透壓差增大，能加快了滲透脫水的進程，從而WL和Sg均隨著食鹽含量的增加而增大。同樣由于滲透液溶質分子較大，較難通過樣品細胞的半透膜進入辣椒樣品內，使?jié)B透脫水過程WL遠大于Sg。而且滲透液濃度引起的滲透壓差對滲透脫水進程的貢獻大于對辣椒樣品固形物獲取進程的貢獻，從而使WL/Sg隨著食鹽含量的增加而增大。但如果食鹽含量太高，會影響辣椒樣品的口感和品質。

2.1.3 滲透脫水參數對辣椒滲透脫水特性的影響 表 3 正交試驗方案及結果

Table 3 Orthogonal array design with experimental results

試驗號A滲透溫度B滲透液組合C滲透時間D空列WL/%WL/Sg111119.112.84 2122229.144.77 3133344.625.49 4212322.174.51 5223137.455.12 6231225.014.09 7313229.214.42 8321319.133.23 9332146.325.38 表 4 極差分析

Table 4 Range analysis

品質參數水平A滲透溫度B滲透液組合C滲透時間D空列127.62320.16317.75030.960 WL228.21028.57332.54327.787 331.55338.65037.09328.640極差3.93018.48719.3433.173因子主次321 14.4673.9233.3874.447 WL/Sg24.5734.3734.8874.427 34.3435.0875.1104.510極差0.2301.1631.7230.083因子主次321 表 5 方差分析

Table 5 Analysis of variance

注：*.影響顯著（P＜0.05）；**.影響極顯著（P＜0.01）。

品質參數因子自由度平方和均方和F值WL A滲透溫度226.96713.4831.667 B滲透液組合2514.024257.01231.768* C滲透時間2613.710306.85537.929* D空列（誤差）216.1818.0900.030總和81 170.881146.360 WL/SgA滲透溫度20.0790.0407.000 B滲透液組合22.0651.032181.822** C滲透時間25.2702.635464.068** D空列（誤差）20.0110.0060.005總和87.4250.928 由表3～5極差分析可知，各因子對辣椒脫水特性的影響主次順序為C滲透時間＞B滲透液組合＞A滲透溫度，隨著滲透時間和滲透液食鹽含量的增加，WL/Sg均增大；WL最大的最優(yōu)滲透脫水工藝方案是A3B3C3，WL/Sg最大的最優(yōu)方案是A2B3C3。因為WL/Sg是評價辣椒品質的重要指標[32]，即在提高WL的同時，應盡可能保證辣椒品質不受影響或影響較小。綜合考慮，選取A2B3C3為辣椒的最優(yōu)滲透脫水工藝方案，即滲透液組合為45%蔗糖＋10%食鹽（＋水）、滲透時間為6 h、滲透溫度為45 ℃方案。

由方差分析可知，各因子對辣椒WL和WL/Sg的影響主次順序為C滲透時間＞B滲透液組合＞A滲透溫度，與極差分析結果相同。由于F0.25(2,2)=3.0、F0.1(2,2)=9.0、F0.05(2,2)=19.0、F0.01(2,2)=99.01，對于WL，F(xiàn)0.05＜FB＜FC＜F0.01，F(xiàn)A＜F0.25，因子B、C對辣椒WL的影響顯著，因子A無影響；對于WL/Sg，F(xiàn)0.01＜FB＜FC，F(xiàn)0.25＜FA＜F0.1，因子B和C對辣椒WL/Sg影響極顯著，因子A有一定的影響。

由于滲透溫度對辣椒WL和WL/Sg的影響較小，為了保證辣椒品質，不宜選擇太高的滲透溫度，因而上述最優(yōu)滲透脫水工藝方案選取的滲透溫度為45 ℃。

按照最優(yōu)滲透脫水工藝方案，即滲透液組合為45%蔗糖＋10%食鹽（＋水）、滲透時間為6 h、滲透溫度為45 ℃，進行滲透脫水實驗驗證正交試驗結果。最優(yōu)滲透脫水工藝方案得到的辣椒樣品WL為48.3%，Sg為8.7%，WL/Sg為5.56±0.13，結果能很好滿足試驗要求。2.2 滲后熱風干燥特性

2.2.1 不同溫度條件下干燥特性曲線 按1.3.3.2節(jié)的實驗方法，對滲透脫水樣品和未經滲透脫水樣品（鮮辣椒樣品）進行熱風干燥實驗，得到熱風風速恒定、熱風溫度變化條件下樣品的熱風干燥特性曲線，圖3為風速為1.8 m/s，溫度分別45、50、55、60、65 ℃的直接熱風干燥和滲后熱風干燥特性曲線。

圖3 不同溫度條件下樣品干燥特性曲線

Fig.3 Drying curves at different temperatures 由圖3可知，當保持熱風風速一定時，隨著熱風溫度的升高，兩組樣品的含水率都在降低，且溫度越高，干燥時間越短，即干燥速率越快。在干燥前期，樣品隨著干燥的進行，其含水率近似線性下降，由于辣椒樣品干燥前的初始含水率水平較高，該階段的持續(xù)時間較長。在干燥后期，辣椒樣品的含水率下降趨緩。經過干燥實驗結果對比分析可以看出，辣椒在55～65 ℃區(qū)間干燥速率明顯加快，但此溫度區(qū)間干燥后的辣椒顏色呈黑綠色，并有碳化味，品質較差。而在45～50℃溫度區(qū)間干燥后辣椒的顏色鮮亮，外形飽滿，氣味正常，品質較好?？梢?，在較低熱風溫度條件下，雖然干燥速度較慢，但是可以提高辣椒的干燥的品質；較高溫度時則恰恰相反。因此，辣椒干燥適宜的熱風溫度為 45～50 ℃。在相同干燥條件下，滲后熱風干燥樣品要先于直接熱風干燥樣品到達14%的安全含水率水平。這是由于滲透脫水樣品經過1 h的滲透脫水處理，辣椒樣品的含水率由82.4%下降至72.3%，在此基礎上進行熱風干燥可以縮短熱風干燥到達貯存要求含水率水平所需干燥時間1～2 h，從而能降低干燥過程中的能量消耗和處理成本。2.2.2 不同風速條件下干燥特性曲線

圖4 不同風速條件下樣品干燥特性曲線

Fig.4 Drying curves at different air velocities 圖4為熱風溫度為50 ℃，熱風風速分別為0.6、1.2、1.8 m/s條件下的干燥曲線。由圖4可知，當熱風溫度恒定時，兩組樣品的含水率都隨著熱風風速的增大而降低，但變化幅度不大。風速為 0.6 m/s 時辣椒含水率下降最慢，辣椒干燥的風速宜取 1.2～1.8 m/s。在相同干燥條件下，滲后熱風干燥樣品的含水率要先于直接熱風干燥樣品到達安全含水率水平，進一步說明樣品經過滲透脫水在進行熱風干燥，干燥周期變短。2.3 辣椒滲后熱風干燥的Deff和Ea

圖5 不同風速條件下辣椒樣品Deff變化曲線

Fig.5 Curves of effective moisture diffusion coeffcient against air velocity 根據式（4）將lnMR與t的曲線進行線性擬合，由直線的斜率可以計算出直接熱風干燥和滲后熱風干燥樣品的Deff。由圖5可知，在熱風干燥過程中，保持熱風風速恒定，隨著熱風溫度的升高，辣椒樣品Deff相應增大，呈近似線性規(guī)律變化。這是因為當熱風溫度升高時，辣椒樣品內的液相水和蒸氣傳輸的質量都加快，熱量傳輸速度也相應提高，而傳熱又能有效地促進傳質，從而使得辣椒樣品的Deff呈近似線性規(guī)律變化。比較相同熱風溫度，不同熱風風速條件下，風速越高，辣椒樣品的Deff越高，但變化幅度比較小。在同等條件下，滲后熱風干燥辣椒樣品的Deff要高于直接熱風干燥辣椒樣品的Deff。

根據式（5）將lnDeff與1/T的曲線進行線性擬合，由直線的斜率可以計算出辣椒樣品的干燥Ea（表6）。

表 6 直接熱風干燥樣品和滲后熱風干燥樣品的VC保留率Ea Table 6 Activation energy of direct hot-air drying and hot-air drying after osmotic dehydration

處理方式Ea/（kJ/mol）0.6 m/s1.2 m/s1.8 m/s直接熱風干燥58.40±0.9856.23±0.8753.25±1.08滲后熱風干燥48.51±1.1046.12±0.9344.42±0.88 由表6可知，滲后熱風干燥樣品的Ea要小于直接熱風干燥樣品的Ea。這是因為經過滲透過程的樣品再進行熱風干燥，干燥時間進一步縮短，所需能量消耗變小。2.4 滲后熱風干燥辣椒的VC保留率

通過GB/T 6195—1986實驗測得鮮辣椒的VC含量為99.2 mg/100 g。在不同熱風溫度和風速條件下測定并計算直接熱風干燥樣品和滲后熱風干燥樣品的VC保留率（表7）。表 7 直接熱風干燥樣品和滲后熱風干燥樣品的VC保留率

Table 7 VC retention rates of samples processed by direct hot-air drying and hot-air drying after osmotic dehydration

風速/（m/s）處理方式VC保留率/ % 45 ℃50 ℃55 ℃60 ℃65 ℃0.6直接熱風干燥42.51±0.4137.32±0.3831.24±0.5525.12±0.6420.30±0.49滲后熱風干燥51.50±0.5747.76±0.8642.18±0.4636.01±0.6531.23±0.53 1.2直接熱風干燥44.82±0.4439.42±0.6433.69±0.5328.11±0.5822.96±0.45滲后熱風干燥53.47±0.4849.93±0.4344.66±0.5638.51±0.6333.84±0.51 1.8直接熱風干燥46.73±0.5442.05±0.6835.72±0.5931.28±0.4625.22±0.62滲后熱風干燥56.84±0.7251.23±0.7447.10±0.6740.33±0.6134.81±0.53 VC含量是衡量樣品營養(yǎng)成分的一個重要指標，也是最不穩(wěn)定的維生素之一，受到很多因素影響。由表7可知，在有氧的條件下，VC受熱風溫度影響最大。隨著熱風溫度的不斷升高，作用時間越長，其損失越大。其次是熱風風速，當熱風溫度恒定時，隨著熱風風速的提高，VC的損失逐漸變小，但變化幅度較小。這是因為當熱風風速變大時，所需干燥時間變短，減少了VC與氧氣接觸的機會，暴露在高溫環(huán)境的時間變短，減少了VC的損失。在相同條件下，直接熱風干燥樣品的VC保留率與滲后熱風干燥樣品相比，滲后熱風干燥樣品VC保留率較好。這是因為樣品在滲透脫水過程中，滲入了滲透液的溶質因子，其很好地阻礙了VC與氧氣等氧化性物質的接觸，減少了VC的氧化。同時，滲后熱風干燥所需干燥時間較短，縮短了樣品在高溫中暴露的時間，進而提高了VC的保留率。2.5 滲后熱風干燥辣椒的辣度

表 8 直接熱風干燥樣品和滲后熱風干燥樣品的辣度

Table 8 Pungency degree of samples processed by direct hot-air drying and hot-air drying after osmotic dehydration

風速/（m/s）處理方式辣度/ SHU 45 ℃50 ℃55 ℃60 ℃65 ℃0.6直接熱風干燥2 600±1002 400±1522 200±1521 900±2001 600±100滲后熱風干燥3 000±1002 800±2002 600±1002 300±1522 000±200 1.2直接熱風干燥2 700±2002 500±1522 300±1002 000±2001 700±152滲后熱風干燥3 100±1002 900±1522 700±1522 400±1002 100±152 1.8直接熱風干燥2 800±1002 600±2002 400±1522 100±1001 800±200滲后熱風干燥3 200±1523 000±1002 800±1522 500±2002 200±100 通過GB/T 21265—2007實驗測得鮮辣椒的辣度為30 000 SHU。在不同熱風溫度、熱風風速條件下對直接熱風干燥樣品和滲后熱風干燥樣品進行辣度檢測，結果由表8可知，鮮辣椒的辣度要遠遠高于干燥后的辣椒的辣度，這是因為辣椒中引起辛辣的主要成分是辣椒素，影響辣椒素主要因素是熱風溫度、干燥時間和風速。熱風溫度越高，干燥時間越長，辣椒素的損失越大，辣度越低。風速越大，干燥時間越短，辣度越低，但是變化幅度小。比較不同熱風溫度條件下的辣度情況可知，在45 ℃熱風溫度條件下的辣度最高，65 ℃熱風溫度條件下的辣度最低。且滲后熱風干燥樣品的辣度高于直接熱風干燥樣品的辣度。這是由于樣品經過滲透脫水后，減少了熱風干燥時間，辣椒素暴露在高溫環(huán)境下的時間變短，從而提高了樣品的辣度。

2.6 滲后熱風干燥辣椒的復水特性

按1.3.3.3節(jié)的實驗方法，對直接熱風干燥樣品和滲后熱風干燥樣品進行復水實驗，得到兩組樣品的復水特性。由表9可知，相對于直接熱風干燥而言，滲后熱風干燥樣品的復水比和復原率較高，復水特性較好。這是由于在滲透脫水過程中，樣品滲入了滲透液中的溶質（以鹽分為主），使其固形物含量增加，而增加的鹽分又能很好地保持樣品的內部結構；而在復水過程，水分滲入樣品，鹽分滲出，使樣品結構能夠很好地復原。表 9 直接熱風干燥樣品和滲后熱風干燥樣品的復水特性

Table 9 Rehydration characteristics of samples processed by direct hot-air drying and hot-air drying after osmotic dehydration

處理方式復水比/（g/g）復原率/%直接熱風干燥1.71±0.0240.45±0.97滲后熱風干燥3.52±0.0969.58±0.75 2.7 滲后熱風干燥辣椒的品質

對復水實驗后的樣品進行色澤、氣味和外形的感官評價，得到兩組樣品的品質特性（表10）。表 10 直接熱風干燥樣品和滲后熱風干燥樣品的品質特性

Table 10 Quality characteristics of samples processed by direct hot-air drying and hot-air drying after osmotic dehydration

處理方式色澤氣味、口感外形總分直接熱風干燥19±1.5217±1.4716±1.4952±1.50滲后熱風干燥27±1.5322±1.5024±1.5173±1.52 由表10可知，直接熱風干燥復水后樣品的得分較低，品質特性較差；滲后熱風干燥復水后樣品的得分較高，品質特性較好。

兩組樣品復水后的外觀如圖6所示。滲后熱風干燥樣品復水后不但色澤鮮綠，辣味香濃，且較好地保持了原有外形，感官質量好。

圖6 復水后樣品外觀圖

Fig.6 Photographs of chili pepper samples after rehydration 3 結 論

以滲透溫度、滲透液組合和滲透時間為變量因子，通過滲透脫水正交試驗分析得到，滲透時間和滲透液組合對辣椒脫水率的影響顯著，對脫水率與固形物獲取率比值的影響特別顯著，且滲透液組合為45%蔗糖＋10%食鹽（＋水）、滲透時間6 h、滲透溫度45 ℃為最優(yōu)滲透脫水工藝方案。對滲透后辣椒樣品進行熱風干燥實驗可以得出：熱風溫度是影響熱風干燥的最主要因素，適宜的熱風干燥溫度為45～50 ℃，其次是熱風風速。與鮮辣椒直接熱風干燥相比，辣椒滲后熱風干燥所需干燥時間明顯縮短，可以降低干燥過程中的能量消耗。辣椒樣品的Deff隨著熱風溫度的升高而增大，且滲后熱風干燥樣品的Deff高于直接熱風干燥樣品。在熱風風速為1.8 m/s的條件下，直接熱風干燥辣椒樣品和滲后熱風干燥辣椒樣品的Ea分別為（53.25±1.08）kJ/mol和（44.42±0.88）kJ/mol。滲后熱風干燥辣椒樣品的VC保留率、辣度、復水比和復原率均優(yōu)于直接熱風干燥樣品，且滲后熱風干燥樣品的復水特性和品質更好。參考文獻：

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第三篇：Z元件特性研究論文

文章

來源蓮山

課 件 w w w.5y K J.Co m 5

摘要：Z-元件具有進一步的開發(fā)潛力，擴充其特性和應用可形成一些新型電子器件。本文在溫、光、磁敏Z-元件的基礎上，依據對Z-元件工作機理的深入探討，開發(fā)出一些新型的半導體敏感元件，如摻金γ-硅熱敏電阻、力敏Z-元件以及新型V/F轉換器。本文著重介紹了這些新型敏感元件的電路結構與工作原理。這些新型敏感元件都具有生產工藝簡單、體積小、成本低等特點。

關鍵詞：熱敏電阻，摻金γ-硅熱敏電阻，Z-元件，力敏Z-元件，V/F轉換器

一、前言

Z-半導體敏感元件﹙簡稱Z-元件﹚性能奇特，應用電路簡單而且規(guī)范，使用組態(tài)靈活，應用開發(fā)潛力大。它包括Z-元件在內僅用兩個﹙或3個﹚元器件，就可構成電路最簡單的三端傳感器，實現(xiàn)多種用途。特別是其中的三端數字傳感器，已引起許多用戶的關注。

Z-元件現(xiàn)有溫、光、磁，以及正在開發(fā)中的力敏四個品種，都能以不同的電路組態(tài)，分別輸出開關、模擬或脈沖頻率信號，相應構成不同品種的三端傳感器。其中，僅以溫敏Z-元件為例，就可以組合出12種電路結構，輸出12種波形，實現(xiàn)6種基本應用[3]。再考慮到其它光、磁或力敏Z-元件幾個品種，其可供開發(fā)的擴展空間將十分可觀。為了拓寬Z-元件的應用領域，很有從深度上和廣度上進一步研究的價值。

本文在前述溫、光、磁敏Z-元件的基礎上，結合生產工藝和應用開發(fā)實踐，在半導體工作機理上和電路應用組態(tài)上進行了深入的擴展研究，形成了一些新型的敏感元件。作為其中的部分實例，本文重點介紹了摻金g-硅新型熱敏電阻、力敏Z-元件以及新型V/F轉換器，供用戶分析研究與應用開發(fā)參考。這些新型敏感元件都具有體積小、生產工藝簡單、成本低、使用方便等特點。

二、摻金g-硅新型熱敏電阻

1．概述

用g-硅單晶制造半導體器件是不多見的，特別是用原本制造Z-元件這樣的高阻g-硅單晶來制造Z-元件以外的半導體器件，目前尚未見到報導。Z-元件的特殊性能，主要是由摻金高阻g-硅區(qū)﹙也就是n-i區(qū)﹚的特性所決定的，對摻金高阻g-硅的性能進行深入地研究希望引起半導體器件工作者的高度重視。

本部分從對摻金g-硅的特性深入研究入手，開發(fā)出一種新型的熱敏元件，即摻金g-硅熱敏電阻。介紹了該新型熱敏電阻的工作原理、技術特性和應用特點。

2．摻金g-硅熱敏電阻的工作機理

“摻金g-硅熱敏電阻”簡稱摻金硅熱敏電阻，它是在深入研究Z-元件微觀工作機理的基礎上，按新的結構和新的生產工藝設計制造的，在溫度檢測與控制領域提供了一種新型的溫敏元件。

為了熟悉并正確使用這種新型溫敏元件，必須首先了解它的工作機理。Z-元件是其N區(qū)被重摻雜補償的改性pN結，即在高阻硅材料上形成的pN結，又經過重金屬補償，因而它具有特殊的半導體結構和特殊的伏安特性。圖1為Z-元件的正向伏安特性曲線，圖2為Z-元件的半導體結構示意圖。

由圖1可知，Z-元件具有一條“L”型伏安特性[1]，該特性可分成三個工作區(qū)：M1高阻區(qū)，M2負阻區(qū)，M3低阻區(qū)。其中，高阻的M1區(qū)對溫度具有較高的靈敏度，自然成為研制摻金g-硅熱敏電阻的主要著眼點。

從圖2可知，Z-元件的結構依次是：金屬電極層—p+歐姆接觸區(qū)—p型擴散區(qū)—p-N結結面—低摻雜高補償N區(qū)，即n-.i區(qū)—n+歐姆接觸區(qū)—金層電極層?？梢奪-元件是一種改性pN結，它具有由p+-p-n-.i-n+構成的四層結構，其中核心部位是N型高阻硅區(qū)n-.i，特稱為摻金g-硅區(qū)。摻金g-硅區(qū)的建立為摻金g-硅熱敏電阻奠定了物理基礎。

Z-元件在正偏下的導電機理是基于一種“管道擊穿”和“管道雪崩擊穿”的模型[2]。Z-元件是一種pN結，對圖2所示的Z-元件結構可按p-N結經典理論加以分析，因而在p-n-.i兩區(qū)中也應存在一個自建電場區(qū)。該電場區(qū)因在p區(qū)很薄，自建電場區(qū)主要體現(xiàn)在n-.i區(qū)，且?guī)缀跽紦巳縩-.i型區(qū)，這樣寬的電場區(qū)其場強是很弱的，使得Z-元件呈現(xiàn)了高阻特性。如果給Z-元件施加正向偏壓，這時因正向偏壓的電場方向同Z-元件內部自建電場方向是相反的，很小的正向偏壓便抵消了自建電場。這時按經典的pN結理論分析，本應進入正向導通狀態(tài)，但由于Z-元件又是一種改性的pN結，其n-.i型區(qū)是經重金屬摻雜的高補償區(qū)，由于載流子被重金屬陷阱所束縛，其電阻值在兆歐量級，其正向電流很小，表現(xiàn)在“L”曲線是線性電阻區(qū)即“M1”區(qū)。這時，如果存在溫度場，由于熱激發(fā)的作用使重金屬陷阱中釋放的載流子不斷增加，并參與導電，必然具有較高的溫度靈敏度。在M1區(qū)尚末形成導電管道，如果施加的正向偏壓過大，將產生“管道擊穿”，甚至“管道雪崩擊穿”，將破壞了摻金g-硅新型熱敏電阻的熱阻特性，這是該熱敏電阻的特殊問題。

在這一理論模型的指導下，不難想到，如果將Z-元件的n-.i區(qū)單獨制造出來，肯定是一個高靈敏度的熱敏電阻（由于半導體伴生著光效應，當然也是一個光敏感電阻），由此可構造出摻金g-硅新型熱敏電阻的基本結構，如圖3所示。由于摻金g-硅新型熱敏電阻不存在pN結，其中n-.i層就是摻金g-硅，它并不是Z-元件的n-.i區(qū)。測試結果表明，該結構的電特性就是一個熱敏電阻。該熱敏電阻具有NTC特性，它與現(xiàn)行NTC熱敏電阻相比，具有較高的溫度靈敏度。

3．摻金g-硅熱敏電阻的生產工藝

摻金g-硅熱敏電阻的生產工藝流程如圖4工藝框圖所示?？梢钥闯觯撋a工藝過程與Z-元件生產工藝的最大區(qū)別，就是不做p區(qū)擴散，所以它不是改性pN結，又與現(xiàn)行NTC熱敏電阻的生產工藝完全不同，這種摻金g-硅新型熱敏電阻使用的特殊材料和特殊工藝決定了它的性能與現(xiàn)行NTC熱敏感電阻相比具有很大區(qū)別，其性能各有優(yōu)缺點。

4．摻金g-硅熱敏電阻與NTC熱敏電阻的性能對比

從上述結構模型和工藝過程分析可知，摻金g-硅層是由金擴入而形成的高補償的N型半導體，不存在pN結的結區(qū)。它的導電機理就是在外電場作用下未被重金屬補償的剩余的施主電子參與導電以及在外部熱作用下使金陷阱中的電子又被激活而參與導電，而呈現(xiàn)的電阻特性。由于原材料是高阻g-硅，原本施主濃度就很低，又被陷阱捕獲一些，剩余電子也就很少很少。參與導電的電子主要是陷阱中被熱激活的電子占絕對份額。也就是說，摻金g-硅熱敏電阻在一定的溫度下的電阻值，是決定于工藝流程中金擴的濃度。研制實踐中也證明了這一理論分析。不同的金擴濃度可以得到幾千歐姆到幾兆歐姆的電阻值。金擴散成為產品質量與性能控制的關健工序。

我們認為，由于摻金g-硅熱敏電阻的導電機理與現(xiàn)行的NTC熱敏電阻的導電機理完全不同，所以特性差別很大，也存在各自不同的優(yōu)缺點。摻金g-硅熱敏電阻的優(yōu)點是：生產工藝簡單，成本低，易于大批量生產，阻值范圍寬（從幾千歐姆到幾兆歐姆），靈敏度高，特別是低于室溫的低溫區(qū)段比NTC熱敏電阻要高近一個量級。其缺點是：一批產品中電阻值的一致性較差、線性度不如NTC，使用電壓有閾值限制，超過閾值時會出現(xiàn)負阻。

摻金g-硅新型熱敏電阻與NTC熱敏電阻的電阻溫度靈敏度特性對比如圖5所示。

在不同溫度下，溫度靈敏度的實測值對比如表1所示。

摻金g-硅熱敏電阻是一種新型溫敏元件。本文雖作了較詳細的工作機理分析，但現(xiàn)在工藝尚未完全成熟，愿與用戶合作，共同探討，通過工藝改進與提高，使這一新型元件早日成熟，推向市場，為用戶服務。

三、力敏Z-元件

1．概述 “力”參數的檢測與控制在國民經濟中占有重要地位。力敏元件及其相應的力傳感器可直接測力，通過力也可間接檢測許多其它物理參數，如重量，壓力、氣壓、差壓、流量、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、扭矩、振動等，在機械制造、機器人、工業(yè)控制、農業(yè)氣象、醫(yī)療衛(wèi)生、工程地質、機電一體化產品以及其它國民經濟裝備領域中，具有廣泛的用途。

在力參數的檢測與控制領域中，現(xiàn)行的各種力敏元件或力傳感器，包括電阻應變片、擴散硅應變片、擴散硅力傳感器等，嚴格說，應稱為模擬力傳感器。它只能輸出模擬信號，輸出幅值小，靈敏度低是它的嚴重不足。這三種力敏元件或力傳感器，為了與數字計算機相適應，用戶不得不采取附加的數字化方法（即加以放大和A/D轉換）才能與數字計算機相連接，使用極其不便，也增加了系統(tǒng)的成本。

Z-元件能以極其簡單的電路結構直接輸出數字信號，非常適合研制新型數字傳感器[1]，其中也包括力數字傳感器。這種力數字傳感器輸出的數字信號（包括開關信號和脈沖頻率信號），不需A/D轉換，就可與計算機直接通訊，為傳感器進一步智能化和網絡化提供了方便。

我們在深入研究Z-元件工作機理的基礎上，初步研制成功力敏Z-元件，但目前尚不成熟，歡迎試用與合作開發(fā)這一新器件，實現(xiàn)力檢測與控制領域的技術創(chuàng)新。

2．力敏Z-元件的伏安特性

如前所述，力敏Z-元件也是一種其N區(qū)被重摻雜補償的改性pN結。力敏Z-元件的半導體結構如圖6(a)所示。按本企業(yè)標準電路符號如圖6(b)所示，圖中“+”號表示pN結p區(qū)，即在正偏使用時接電源正極。圖6(c)為正向“L”型伏安特性，與其它Z-元件一樣該特性也分成三個工作區(qū)：M1高阻區(qū)，M2負阻區(qū)，M3低阻區(qū)。描述這個特性有四個特征參數：Vth為閾值電壓，Ith為閾值電流，Vf為導通電壓，If為導通電流。

M1區(qū)動態(tài)電阻很大，M3區(qū)動態(tài)電阻很?。ń诹悖?，從M1區(qū)到M3區(qū)的轉換時間很短（微秒級），Z-元件具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)：“高阻態(tài)”和“低阻態(tài)”，工作的初始狀態(tài)可按需要設定。若靜態(tài)工作點設定在M1區(qū)，Z-元件處于穩(wěn)定的高阻狀態(tài)，作為開關元件在電路中相當于“阻斷”。若靜態(tài)工作點設定在M3區(qū)，Z-元件將處于穩(wěn)定的低阻狀態(tài)，作為開關元件在電路中相當于“導通”。在正向伏安特性上p點是一個特別值得關注的點，特稱為閥值點，其坐標為：p(Vth，Ith)。p點對外部力作用十分敏感，其靈敏度要比伏安特性上其它諸點要高許多。利用這一性質，可通過力作用，促成工作狀態(tài)的一次性轉換或周而復始地轉換，就可分別輸出開關信號或脈沖頻率信號。

3．力敏Z-元件的電路結構

力敏Z-元件的應用電路十分簡單，利用其“L”型伏安特性，在力載荷的作用下，很容易獲得開關量輸出或脈沖頻率輸出。力敏Z-元件的基本應用電路如圖7所示。其中，圖7(a)為開關量輸出，圖7(b)為脈沖頻率輸出。其輸出波形分別如圖8和圖9所示。

在圖7所示的應用電路中，電路的結構特征是：力敏Z-元件與負載電阻相串聯(lián)，負載電阻RL用于限制工作電流，并取出輸出信號。Z-元件應用開發(fā)的基本工作原理就在于通過半導體結構內部導電管道的力調變效應，使工作電流發(fā)生變化，從而改變Z-元件與負載電阻RL之間的壓降分配，獲得不同波形的輸出信號。

（1）力敏Z-元件的開關量輸出

在圖7(a)所示的電路中，通過E和RL設定工作點Q，如圖6﹙c﹚所示。若工作點選擇在M1區(qū)時，力敏Z-元件處于小電流的高阻工作狀態(tài)，輸出電壓為低電平。由于力敏Z-元件的閾值電壓Vth對力載荷F具有很高的靈敏度，當力載荷F增加時，閾值點p向左推移，使Vth減小，當力載荷F增加到某一閾值Fth時，力敏Z-元件上的電壓VZ恰好滿足狀態(tài)轉換條件[1]，即VZ=Vth，力敏Z-元件將從M1區(qū)跳變到M3區(qū)，處于大電流的低阻工作狀態(tài)，輸出電壓為高電平。在RL上可得到從低電平到高電平的上跳變開關量輸出，如圖8(a)所示。如果在圖7(a)所示電路中，把力敏Z-元件與負載電阻RL互換位置，則可得到由高電平到低電平的下跳變開關量輸出，如圖8(b)所示。無論是上跳變或下跳變開關量輸出，VO的跳變幅值均可達到電源電壓E的40~50%。

開關量輸出的力敏Z-元件可用作力敏開關、力報警器或力控制器。

（2）力敏Z-元件的脈沖頻率輸出

由于力敏Z-元件的伏安特性隨外部激勵改變而改變，只要滿足狀態(tài)轉換條件，就可實現(xiàn)力敏Z-元件工作狀態(tài)的轉換。如果滿足狀態(tài)轉換條件，實現(xiàn)Z-元件工作狀態(tài)的一次性轉換，負載電阻RL上可輸出開關信號；同理，如果滿足狀態(tài)轉換條件，設法實現(xiàn)力敏Z-元件工作狀態(tài)的周期性轉換，則負載電阻RL上就可輸出脈沖頻率信號。

脈沖頻率輸出電路如圖7(b)所示。在圖7(b)電路中，力敏 Z-元件與電容器C并聯(lián)。由于力敏Z-元件具有負阻效應，且有兩個工作狀態(tài)，當并聯(lián)以電容后，通過RC充放電作用，構成RC振蕩回路，因此在輸出端可得到與力載荷成比例變化的脈沖頻率信號輸出。其輸出波形如圖9(a)所示。輸出頻率的大小與E、RL、C取值有關，也與力敏Z-元件的閾值電壓Vth值有關。當E、RL、C參數確定后，輸出頻率僅與Vth有關，而Vth對力作用很敏感，可得到較高的力靈敏度。初步測試結果表明：電容器C選擇范圍在0.01~1.0mF，負載電阻在5~20kW，較為合適。

同理，若把力敏Z-元件（連同輔助電容器C）與負載電阻RL互換位置，其輸出頻率仍與力載荷成比例，波形雖為鋸齒波，但與圖9﹙a﹚完全不同，如圖9(b)所示。

4．力敏Z-元件的機械結構與施力方式

力敏Z-元件芯片體積很小，施加外力載荷時，必須通過某種彈性體作為依托。當力載荷作用于彈性體時，使芯片內部產生內應力，此內應力可改變力敏Z-元件的工作狀態(tài)（從低阻態(tài)到高阻態(tài)，或者從高阻態(tài)到低阻態(tài)），從而使輸出端產生開關量輸出或脈沖頻率輸出。作為彈性體可以采用條形或園形膜片，材質可以是磷銅、合金鋼或其它彈性材料。無論采用哪種彈性體，力敏Z-元件的受力方式目前理論上可歸結為兩種基本結構：即懸臂式結構和簡支式結構，其示意圖如圖10所示。為便于研究力敏Z-元件受力后的應力應變特征，結構放大示意如圖11所示。

如前所述，Z-元件在外加電場作用下，在N區(qū)可產生“導電管道”，該導電管道在外部激勵作用下，可產生“管道調變效應[2]，由圖11可知，對力敏Z-元件來說，其p區(qū)很薄，N區(qū)相對較厚，焊接層的厚度可忽略不計，因而，在力載荷作用下的管道調變效應必將發(fā)生在N區(qū)。當力載荷作為一種外部激勵作用于彈性體時，使彈性體產生一定的撓度，在半導體晶格內部產生內應力，導電管道受到力調變作用，使N區(qū)電阻發(fā)生變化，改變了力敏Z-元件的伏安特性，使閾值點p產生偏移，閾值電壓Vth將發(fā)生變化。

實驗表明，由于封裝結構和受力方式的不同，可產生如圖12和圖13所示兩種方式的應力應變。若靜態(tài)工作點Q設置在M3區(qū)，施加的力載荷使N區(qū)產生“壓”應力，N區(qū)晶格被壓縮，導電管道變“細”，正偏使用時電阻值將增加，因伏安特性的改變使閾值點p右移，Vth增加。當力載荷F增加到某一特定閾值Fth時，閾值點p向右移至負載線的右側，力敏Z-元件將從低阻M3區(qū)跳變到高阻M1區(qū)，如圖12所示。

同理，若靜態(tài)工作點Q設置在M1區(qū)，施加的力載荷使N區(qū)產生“拉”應力，N區(qū)晶格被拉伸，導電管道變“粗”，正偏使用時電阻值將減小，因伏安特性的變化使閾值點p左移，Vth減小。當力載荷F增加到某一特定閾值Fth時，閾值點p左移至負載線上，力敏Z-元件將從高阻M1區(qū)跳變到低阻M3區(qū)，如圖13所示。

上述分析可知，力敏Z-元件在不同封裝結構和不同受力方式下，可產生工作狀態(tài)的轉換，可按設計需要輸出不同的跳變信號，可用作力敏開關、力報警器或力控制器。在實際應用中，可通過電源電壓E或負載電阻RL來設定力載荷的閾值Fth，但由于跳變閾值與力敏Z-元件的制造工藝、芯片尺寸、封裝結構、彈性體材質與厚度、受力點的位置等諸多因素有關，許多問題尚需進一步研究與探討。

力敏Z-元件具有M2區(qū)的負阻特性，并具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)是脈沖頻率輸出的基礎。借助輔助電容器C，按圖7(b)所示電路，通過RC的充放電作用，可實現(xiàn)力敏Z-元件工作狀態(tài)的周而復始的轉換，采用圖12﹙a﹚、﹙b﹚或圖13﹙a﹚、﹙b﹚的結構和受力方式，都可輸出脈沖頻率信號，輸出頻率與力載荷成比例，其輸出波形如圖9(a)或圖9(b)所示，分析從略。

作為設計實例，力敏Z-元件樣件1#與樣件2#，經加載與卸載實驗，其脈沖頻率輸出的測試結果如下，供分析研究參考： 力敏Z-元件特征參數: Vth=10V, Ith=1mA, Vf=4.5V(測試條件: T=25℃, RL=5kW)

芯片尺寸：2′5′0.3mm，采用簡支式結構，兩支點距離為10mm；中間受力，應力應變方式為N區(qū)受壓應力；條狀p銅彈性體，厚度為0.2mm；試驗環(huán)境溫度為25.4℃。測試數據如表2所示。，樣件2#﹙加載﹚所測數據，經計算機繪圖可得回歸線如圖14所示。由于封裝結構尚未定型測試數據有一定誤差，但初步實驗表明，在這種施力方式下，輸出頻率f與力載荷成正比，在一定施力范圍內近似呈線性關系，且回差較小。隨力載荷量程加大，非線性度要增加?；貧w處理后，力的平均頻率靈敏度SF為：

Hz/g

約每10g 改變1Hz。力靈敏度和回差是力敏Z-元件的重要技術指標。需要指出的是：靈敏度和回差與力敏Z-元件的特征參數、形狀與尺寸、彈性體材質與厚度、封裝結構以及受力方式等諸多因素有關。許多問題也需進一步研究與探討。需按用戶需求進行結構定型與標準化生產。

四、新型V/F轉換器

1．概述

目前正在研制或在線使用的各種傳統(tǒng)傳感器，因只能輸出模擬電壓或模擬電流信號，應稱為模擬傳感器。模擬傳感器是模擬儀表或模擬信訊時代的產物，主要缺點是輸出幅值小，靈敏度低，不能與數字計算機直接通訊。人類進入數字信息化時代后，以數字技術支撐的數字計算機已十分普及，現(xiàn)代數字計算機要求處理數字信號，而模擬傳感器因受材料、器件的限制，仍只能輸出低幅值的模擬信號，不能與計算機直接通訊，已成為制約信息產業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。為了使模擬傳感器能與計算機實現(xiàn)通訊，目前是采取把輸出信號進行放大再加以A/D轉換，即把現(xiàn)行的模擬傳感器加以數字化的方法來與數字計算機相適應。雖然在信息采集與處理過程中電路復雜，硬件成本增加，但由于目前能直接輸出數字信號的數字傳感器為數不多，這種模擬傳感器數字化的方法仍發(fā)揮著巨大的作用。

本部分利用Z-元件構成一種新型的V/F轉換器，它能把模擬傳感器輸出的電壓信號變成能被數字計算機識別的頻率信號，提供了一種模擬傳感器數字化的新方法。該方法與采用A/D轉換器方案相比，具有電路簡單、成本低、體積小、輸出幅值大、靈敏度高、輸出線性度好、能與計算機直接通訊等一系列優(yōu)點，可做為模擬傳感器與計算機之間的重要接口，在信息產業(yè)中具有廣泛的應用前景。

2．電路組成與工作原理

Z-元件是一種新型的半導體開關元件，當其兩端電壓達到一定閾值(即閾值電壓Vth)時，可從高阻狀態(tài)跳變到低阻狀態(tài)；而當其兩端電壓小于一定閾值(即導通電壓Vf)時，又可從低阻狀態(tài)跳變到高阻狀態(tài)。利用這一特性可方便地開發(fā)V/F轉換器。

由Z-元件構成的V/F轉換器如圖15(a)所示，圖15(b)為其中Z-元件的電路符號。在圖15(a)所示電路中以電壓E為輸入，由于RL、C和Z-元件之間的充、放電作用，使電路始終處于自激振蕩狀態(tài)，其振蕩頻率f與輸入電壓E成正比，波形為鋸齒波，其輸出幅值可以很大，由選定的Z-元件參數而定。實現(xiàn)了模擬信號(電壓E)到數字信號(頻率f)的轉換，可用于數字系統(tǒng)的觸發(fā)。由于輸出幅值大，它不需放大就可實現(xiàn)與計算機的直接通訊。

3．V/F轉換器的傳輸特性

當基準溫度TS=20℃時，輸入電壓E與輸出頻率f之間的傳輸特性如圖16所示。由圖16可知該傳輸特性具有良好的線性關系，其中Emin~Emax(相應于MN區(qū)間)是工作電壓的極限范圍，AB區(qū)間為可靠的工作量程范圍，它決定于模擬傳感器的輸出和V/F轉換電路的參數設計。

由于Z-元件是半導體開關元件，構成V/F轉換器時，對溫度也具有一定的靈敏度，即溫度漂移。該溫度漂移具有正溫度系數，一般小于10Hz∕°C，當環(huán)境溫度變化較大時，將引起檢測誤差。

如果該誤差在允許范圍內，可不做溫度補償。如果要求檢測精度較高，特別是在高精度計量使用時，應考慮溫度補償技術。

由溫漂引起的相對誤差與輸出頻率范圍(即量程)有關。若輸出頻率較高，相對誤差較小，若輸出頻率較低，則相對誤差較大。如果假定環(huán)境溫度有±10℃的變化，引起輸出頻率變化的絕對誤差為Df=100Hz，按全量程輸出頻率的平均值為f=2000Hz設計，這時由溫漂引起的相對誤差d=±0.5%/℃，可滿足一般計量精度要求。為進一步提高計量精度，必須采取溫度補償技術[4]。

參考文獻：

[1].傅云鵬等，Z-半導體敏感元件原理與應用-(1)Z-元件及其應用開發(fā)綜述，傳感器世界，2001．2

[2].周長恩等，Z-半導體敏感元件原理與應用-(2)Z-元件的研制實踐與工作機理的定性分析，傳感器世界，2001．4

[3].王健林等，Z-半導體敏感元件原理與應用-(3)溫敏Z-元件及其應用，傳感器世界，2001．6

[4].傅云鵬等，Z-半導體敏感元件原理與應用-(5)Z-元件的溫度補償技術，傳感器世界，2001．10

The Review of Z-element-(6)

Extension of Z-element’s Characteristics and Applications

Abstract：The Z-elements possess potential ability for further development.By researching the characteristics deeply, some new application can be developed.In this paper , some new type sensitive semiconductor are introduced such as impure gold g-Si thermistor, force-Z-sensor and V/F converter, which are developed by researching the work mechanism of Z-element deeply on the basis of Z-thermistor, photo-Z-element and magnito-Z-element.These elements possess many advantages such as simpler manufacturing technique, smaller volume and lower cost.In this paper, the characteristics, typical circuits and work principles of these new products are thoroughly introduced too.Keywords：Thermistor, Impure gold g-Si thermistor, Z-element, Force-Z-sensor, V/F converter..文章

來源蓮山

課 件 w w w.5y K J.Co m 5

第四篇：論文題目多自由度非線性機械系統(tǒng)的全局分叉和混沌動力學研究

論文題目：多自由度非線性機械系統(tǒng)的全局分叉和混沌動力學研究 作者簡介：姚明輝，女，1971年11月出生，2002年09月師從于北京工業(yè)大學張偉教授，于2006年06月獲博士學位。

中

文

摘要

在機械系統(tǒng)中，有許多問題的數學模型和動力學方程都可用高維非線性系統(tǒng)來描述，對于高維非線性動力系統(tǒng)來說，其研究難度比低維非線性動力系統(tǒng)要大得多，不僅理論方法上有困難，幾何描述和數值計算都有困難。目前研究高維非線性系統(tǒng)的全局分叉和混沌動力學的理論方法還不是很多，國際上處于發(fā)展階段，國內尚處于起步階段，因此發(fā)展處理高維非線性動力學系統(tǒng)的理論研究方法是非常重要和迫切的。在高維非線性動力學的全局分叉和混沌動力學問題中，除了單脈沖混沌運動外，還有多脈沖混沌運動，目前研究多脈沖混沌運動的解析方法主要有兩種，即廣義Melnikov方法和能量相位法。

本論文改進和推廣了Kovacic、Haller和Wiggins等人提出的廣義Melnikov方法和能量相位法，利用這兩種全局攝動解析方法首次研究了非線性非平面運動懸臂梁、粘彈性傳動帶非平面運動和面內載荷和橫向載荷聯(lián)合作用下四邊簡支薄板的多脈沖軌道和Shilnikov型混沌運動。理論研究發(fā)現(xiàn)這些系統(tǒng)存在多脈沖混沌運動；利用數值方法模擬、驗證了理論分析的結果。論文的研究內容及取得的創(chuàng)新性成果有以下幾個方面。

(1)綜述了高維非線性系統(tǒng)的分叉和混沌動力學的國內外研究現(xiàn)狀；簡要介紹了Melnikov方法的發(fā)展，高維Melnikov方法的應用，以及廣義Melnikov方法的提出和建立；概括了能量相位法的國內外主要研究進展；介紹了研究高維非線性系統(tǒng)的全局分叉和混沌運動的其它方法。總結了能量相位法和廣義Melnikov方法的研究進展、成果及存在的不足和有待深入研究的問題。

(2)介紹了由Haller和Wiggins提出的能量相位法；以及由Kovacic等人提出的廣義Melnikov方法。由于能量相位法和廣義Melnikov方法提出和發(fā)展的時間較短，而且一直是獨立的兩種解析方法，在本論文中，首次詳細地研究了兩種全局攝動解析方法的區(qū)別和聯(lián)系。

(3)Haller和Wiggins提出的能量相位法在計算能量差分函數時，所引入的變換改變了原來系統(tǒng)的拓撲結構。為了使原來系統(tǒng)的拓撲結構不發(fā)生變化，我們改進了能量相位法。利用改進的能量相位法，首次研究了非線性非平面運動懸臂梁、粘彈性傳動帶和四邊簡支薄板的全局分叉和混沌動力學，發(fā)現(xiàn)這些系統(tǒng)存在多脈沖混沌運動。

(4)由于廣義Melnikov方法在理解、計算和開折條件的證明上，存在很大的難度，因此，一直沒有應用到實際工程中分析一些具體的模型。本文首次把廣義Melnikov方法推廣到實際工程中，利用廣義Melnikov方法研究具有實際工程背景的三個高維非線性機械系統(tǒng)，從理論上給出了這些系統(tǒng)產生Shilnikov型混沌運動的必要條件。

(5)首次研究了非線性非平面運動懸臂梁的多脈沖異宿軌道和混沌動力學。在主共振-主參數共振-1:2內共振情形的平均方程的基礎上，利用規(guī)范形理論進行化簡；利用能量相位法，首次從理論上得到了非線性非平面運動懸臂梁產生Shilnikov型混沌的必要條件，發(fā)現(xiàn)在這個系統(tǒng)中存在著Shilnikov型混沌運動。數值分析表明非線性非平面運動懸臂梁的平均方程確實存在Shilnikov型多脈沖混沌運動，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的阻尼和激勵兩個參數對系統(tǒng)出現(xiàn)多脈沖混沌運動影響較大，進一步驗證了理論分析的結果，在三維相空間里存在Shilnikov型多脈沖混沌運動軌線。

(6)首次研究了變張力粘彈性傳動帶非平面運動時多脈沖同宿軌道和混沌動力學。建立了粘彈性傳動帶非平面運動的偏微分方程，應用Galerkin法和多尺度方法得到主參數共振-1:1內共振情形的平均方程，利用規(guī)范形理論化簡平均方程；首次利用能量相位法研究粘彈性傳動帶的多脈沖同宿軌道和混沌動力學，驗證Shilnikov多脈沖軌道的存在性。數值模擬了粘彈性傳動帶的多脈沖同宿軌道的混沌運動，數值計算脈沖個數、區(qū)域直徑和相位漂移之間的關系，發(fā)現(xiàn)隨著脈沖個數的增加，Shilnikov型多脈沖軌道的區(qū)域直徑減小。

(7)首次研究了面內載荷和橫向載荷聯(lián)合作用下四邊簡支矩形薄板的多脈沖異宿軌道和混沌動力學。在四邊簡支矩形薄板的運動偏微分方程基礎之上，應用Galerkin法和多尺度方法得到主參數共振-基本參數共振-1:2內共振情形的平均方程，利用規(guī)范形理論進行化簡，首次利用能量相位法研究薄板的Shilnikov型多脈沖異宿軌道和混沌動力學，理論分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在多脈沖跳躍而導致的Smale馬蹄意義的混沌。數值分析表明四邊簡支矩形薄板的平均方程存在Shilnikov型多脈沖混沌運動，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的阻尼和激勵兩個參數對系統(tǒng)出現(xiàn)多脈沖混沌運動影響較大，進一步驗證了理論研究的結果，在三維相空間里存在Shilnikov多脈沖混沌運動。

(8)首次利用近可積Hamilton系統(tǒng)的廣義Melnikov方法研究懸臂梁的多脈沖同宿軌道和混沌動力學，得到了在共振情況下判斷非線性非平面運動懸臂梁產生多脈沖混沌運動的廣義Melnikov函數，求解滿足開折條件的零點。從理論上給出了這個系統(tǒng)產生Shilnikov型混沌的必要條件。數值模擬了非線性非平面運動懸臂梁的多脈沖混沌運動。

(9)利用近可積Hamilton系統(tǒng)的廣義Melnikov方法首次研究了粘彈性傳動帶空間運動和面內載荷與橫向載荷聯(lián)合作用下四邊簡支矩形薄板的多脈沖異宿軌道和混沌動力學。得到了在共振情況下判斷這些系統(tǒng)產生多脈沖混沌運動的廣義Melnikov函數，求解滿足開折條件的零點，從理論上給出了這些系統(tǒng)產生Shilnikov型混沌的必要條件。理論分析發(fā)現(xiàn)這些系統(tǒng)存在多脈沖跳躍而導致的Smale馬蹄意義的混沌。數值結果說明了理論結果的正確性，并且發(fā)現(xiàn)一些參數和初始條件對于這些系統(tǒng)產生多脈沖混沌運動有著較大的影響。

(10)用數值方法研究了一個二自由度機械系統(tǒng)的多脈沖混沌運動，發(fā)現(xiàn)了一種新的多脈沖混沌吸引子。

能量相位法和廣義Melnikov方法提出和發(fā)展的時間較短，理論體系較新而復雜，能量相位法是從多脈沖跳躍軌道的能量耗散方面來研究多脈沖混沌運動，而廣義Melnikov方法則是從多脈沖奇異橫截面中的穩(wěn)定流形和不穩(wěn)定流形來研究多脈沖混沌運動。研究表明，這兩種方法分別只研究了多脈沖軌道的一個方面，如果能夠把兩者結合起來研究多脈沖混沌運動，則其結論將更加完整。

本論文的創(chuàng)新點有以下幾個方面。

(1)首次利用能量相位法和廣義Melnikov方法研究了非線性非平面運動懸臂梁、粘彈性傳動帶非平面運動和面內載荷與橫向載荷聯(lián)合作用下四邊簡支薄板的多脈沖軌道和Shilnikov型混沌運動，發(fā)現(xiàn)在三個機械系統(tǒng)中存在著Shilnikov型混沌運動。

(2)Haller與Wiggins利用能量相位法計算能量差分函數時，他們所引入的變換改變了原系統(tǒng)的拓撲結構。為了使原系統(tǒng)的拓撲結構不發(fā)生變化，我們改進了能量相位法。

(3)由于廣義Melnikov方法在理解、計算和開折條件的證明上，存在很大的難度，因此，一直未應用于實際工程系統(tǒng)。本文首次把廣義Melnikov方法應用于三個機械系統(tǒng)，從理論上給出了這些系統(tǒng)產生Shilnikov型混沌運動的必要條件。

(4)用數值方法研究了一個二自由度非線性機械系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了一種新的多脈沖混沌吸引子。

本論文利用能量相位法和廣義Melnikov方法研究了非線性非平面運動懸臂梁、粘彈性傳動帶非平面運動和面內載荷與橫向載荷聯(lián)合作用下四邊簡支矩形薄板的多脈沖軌道和混沌動力學。通過本文的研究，發(fā)現(xiàn)能量相位法和廣義Melnikov方法有一些有待于進一步改進和完善的方面。下述幾個問題值得進一步的研究。

(1)如何把能量相位法和廣義Melnikov方法推廣到高維非自治系統(tǒng)和高于四維的更高維非線性系統(tǒng)。

(2)利用能量相位法分析非線性系統(tǒng)的多脈沖軌道和混沌動力學的關鍵在于定義耗散因子，而耗散因子是阻尼與外激勵的比值。目前，能量相位法只能用來分析單阻尼、單激勵單耗散因子的系統(tǒng)，如何把能量相位法擴展到多阻尼、多激勵多耗散因子的系統(tǒng)，有待進一步的研究。

(3)能量相位法和廣義Melnikov方法理論體系比較復雜，不利于工程科學家用來解決工程實際問題。如何進一步改進和簡化這兩種方法，提出新的多脈沖軌道和混沌動力學的判定準則，使這兩種全局攝動方法更好地應用于工程實際問題。

關鍵詞：

廣義Melnikov方法，能量相位法，Shilnikov型多脈沖軌道，全局分叉，混沌動力學，規(guī)范形，懸臂梁，粘彈性傳動帶，薄板

Studies on Global Bifurcations and Chaotic Dynamics in Multi-Degree of Freedom Nonlinear Mechanical Systems

Yao Minghui ABSTRACT

The governing equations of motion for a number of engineering problems can be described by high-dimensional nonlinear systems.Comparing with low-dimensional nonlinear systems, the theory method, geometrical description and numerical simulation on the complicated dynamic behavior of high dimensional nonlinear systems were more difficult.The global bifurcations and chaotic dynamics of high-dimensional nonlinear systems have been at the forefront of nonlinear dynamics for the last two decades.Due to lack of analytical tools and methods to study the global bifurcations and chaotic dynamics for high-dimensional nonlinear systems, it is extremely challenging to develop the theories of the global bifurcations and chaotic dynamics for high-dimensional nonlinear systems and to give systematic applications to engineering problems.Therefore, the global bifurcations and chaotic dynamics of high-dimensional nonlinear systems are important theoretical problems in science and engineering applications as they can reveal the instabilities of motion and complicated dynamical behaviors in high-dimensional nonlinear systems.Besides the Shilnikov type single-pulse global bifurcations and chaotic dynamics of high-dimensional nonlinear systems, the Shilnikov type multi-pulse homoclinic and heteroclinic bifurcations and chaotic dynamics were investigated.Two main methods for studying the Shilnikov type multi-pulse homoclinic and heteroclinic orbits in high-dimensional nonlinear systems are the energy-phase method and the generalized Melnikov method.In this dissertation, we improve and expand the energy-phase method and the generalized Melnikov method presented by Haller, Kovacic and Wiggins.These two methods are utilized to investigate the Shilnikov type multi-pulse heteroclinic and homoclinic bifurcations and chaotic dynamics for three high-dimensional nonlinear mechanical systems which the nonlinear non-planar oscillations of a cantilever beam, a parametrically excited viscoelastic moving belt and a parametrically and externally excited thin plate.The analysis of global dynamics indicates that there exist the multi-pulse jumping orbits in the perturbed phase space of the averaged equation for three high-dimensional nonlinear mechanical systems.These results show that the multi-pulse Shilnikov orbits chaotic motions can occur for three high-dimensional nonlinear mechanical systems.Numerical simulations are also given to verify the analytical predictions.The research contents and the innovative contributions of this dissertation are as follows:(1)We give a review of the researches on the global bifurcations and chaotic dynamics of high-dimensional nonlinear systems and summarize the developments and results achieved on studies the Shilnikov type multi-pulse chaotic dynamics with the energy-phase method and the generalized Melnikov method in the past two decades.We indicate the unsolved problems at present and the developing directions in the energy-phase method and the generalized Melnikov method in the future.(2)We give a briefly description on the energy-phase method and the generalized Melnikov method based on the research work given by Haller, Kovacic and Wiggins et al.in the theoretical frame.Due to the short time of the development and independence of the two methods, we analyze the difference and relation between the two global singular perturbation methods in detail for the first time.(3)Based on research obtained in this dissertation, we think that the symplectic transformations used by Haller et al.do not have topological equivalence because they will change the topology of the phase space and the types of multi-pulse connections.The energy-phase method is further improved to ensure the equivalence of topological structure for the phase portraits.The multi-pulse Shilnikov orbits and chaotic dynamics with the energy-phase method in three high-dimensional nonlinear mechanical systems are studied in this dissertation for the first time.These results show that the multi-pulse Shilnikov orbits chaotic motions can occur for three high-dimensional nonlinear mechanical systems.(4)Due to difficulties of comprehension and computation of the generalized Melnikov method, it is not always applied to engineering problems.We expand and apply the generalized Melnikov method to study the Shilnikov type multi-pulse orbits to resonance bands in three high-dimensional nonlinear mechanical systems for the first time.These results show that the multi-pulse Shilnikov orbits chaotic motions can occur for three high-dimensional nonlinear mechanical systems.(5)The many pulses orbits with the energy-phase method chaotic dynamics for the nonlinear non-planar oscillations of a cantilever beam are studied in this dissertation for the first time.The resonant case considered here is principal parametric resonance-1/2 sub-harmonic resonance for the first mode and fundamental parametric resonance-primary resonance for the second mode.Based on normal form obtained, the improved energy-phase method is utilized to analyze the multi-pulse global heteroclinic bifurcations and chaotic dynamics for the nonlinear non-planar oscillations of the cantilever beam for the first time.The chaotic motions of the nonlinear non-planar oscillations of a cantilever beam are also found by using numerical simulation.(6)The multi-pulse orbits and chaotic dynamics of parametrically excited viscoelastic moving belt are studied in detail for the first time.Using Kelvin-type viscoelastic constitutive law, the equations of motion for viscoelastic moving belt with the external damping and parametric excitation are determined.The four-dimensional averaged equation under the case of 1:1 internal resonance and primary parametric resonance is obtained by directly using the method of multiple scales and Galerkin’s approach to the partial differential governing equation of viscoelastic moving belt.From the averaged equations obtained here, the theory of normal form is used to give the explicit expressions of normal form with a double zero and a pair of pure imaginary eigenvalues.Based on the normal form, the improved energy-phrase method is employed to analyze the global homoclinic bifurcations and chaotic dynamics in parametrically excited viscoelastic moving belt.The global analysis indicates that there exist the Shilnikov type multi-pulse orbits in the averaged equation.The results obtained above mean the existence of the chaos for the Smale horseshoe sense in motion of parametrically excited viscoelastic moving belt.The chaotic motions of viscoelastic moving belts are also found by using numerical simulation.It is also found from the results of numerical simulation of the relationship of the width of the layers and the lowest number of pulses that the width of the layers decreases with the augment of the lowest number of pulses.(7)The multi-pulse Shilnikov orbits and chaotic dynamics in a parametrically and externally excited thin plate are studied in this dissertation for the first time.The thin plate is subjected to transversal and in-plane excitations, simultaneously.The formulas of the thin plate are derived from the von Kármán equation and Galerkin’s method.The method of multiple scales is used to find the averaged equation.The theory of normal form, based on the averaged equation, is used to obtain the explicit expressions of normal form associated with a double zero and a pair of purely imaginary eigenvalues from the Maple program.Based on the normal form obtained above, the dissipative version of the improved energy-phase method is utilized to analyze the multi-pulse global heteroclinic bifurcations and chaotic dynamics in a parametrically and externally excited thin plate.The global dynamics analysis indicates that there exist the multi-pulse jumping orbits in the perturbed phase space of the averaged equations for a parametrically and externally excited thin plate.These results show that the chaotic motions of the multi-pulse Shilnikov type can occur in a parametrically and externally excited thin plate.Numerical simulations are given to verify the analytical predictions.It is also found from the results of numerical simulation that the multi-pulse Shilnikov type orbits exist in a parametrically and externally excited thin plate.(8)The generalized Melnikov method of near-integral Hamiltonian system is applied to study the multi-pulse global homoclinic bifurcations and chaotic dynamics for the nonlinear non-planar oscillations of the cantilever beam for the first time.The analysis of global dynamics indicates that there exist the multi-pulse jumping orbits in the perturbed phase space of the averaged equation for the nonlinear non-planar oscillations of the cantilever beam.Numerical simulations are given to verify the analytical predictions.It is also found from the results of numerical simulation in three-dimensional phase space that the multi-pulse orbits exist for the nonlinear non-planar oscillations of the cantilever beam.(9)The generalized Melnikov method of near-integral Hamiltonian system is applied to study the multi-pulse global heteroclinic bifurcations and chaotic dynamics for parametrically excited viscoelastic moving belt and a parametrically and externally excited thin plate for the first time.The analysis of global dynamics indicates that there exist the multi-pulse jumping orbits in the perturbed phase space of the averaged equation for these systems.Numerical simulations are given to verify the analytical predictions.It is also found from the results of numerical simulation in three-dimensional phase space that the multi-pulse orbits exist for these systems.(10)The results of numerical simulation show that the chaotic motion of the new Shilnikov type multi-pulse orbits can occur for a two-degree-of-freedom nonlinear mechanical system.Generalized Melnikov method and the energy-phase method developed in the short time.The energy-phase method studies dissipative energy of multi-pulse orbits, while generalized Melnikov method analyses the distance of the stable manifold and unstable manifold of multi-pulse orbits.They have merit and defect respectively.If we can combine these both methods to study multi-orbits, we will draw a conclusion completely.The innovative achievements of this dissertation mainly are as follows:(1)The Shilnikov type multi-pulse orbits with the energy-phase method and generalized Melnikov method chaotic dynamics for the nonlinear non-planar oscillations of a cantilever beam, parametrically excited viscoelastic moving belt and a parametrically and externally excited thin plate are studied in this dissertation for the first time.The Shilnikov type chaotic dynamics are found in the three high-dimensional nonlinear mechanical systems.(2)Based on research obtained in this dissertation, we think that the symplectic transformations used by Haller et al.do not have topological equivalence because they will change the topology of the phase space and the types of multi-pulse connections.The energy-phase method is further improved to ensure the equivalence of topological structure for the phase portraits.(3)Due to difficulties of comprehension and computation of the generalized Melnikov method, it is not always applied to engineering problems.We expand and apply the generalized Melnikov method to study the Shilnikov type multi-pulse orbits to resonance bands in three high-dimensional nonlinear mechanical systems for the first time.These results show that the multi-pulse Shilnikov orbits chaotic motions can occur for three high-dimensional nonlinear mechanical systems.(4)The results of numerical simulation show that the chaotic motion of the new Shilnikov type multi-pulse orbits can occur for a two-degree-of-freedom nonlinear mechanical system.The Shilnikov type multi-pulse orbits with the energy-phase method and generalized Melnikov method chaotic dynamics for the nonlinear non-planar oscillations of a cantilever beam, parametrically excited viscoelastic moving belt and a parametrically and externally excited thin plate are studied in this dissertation.We find the energy-phase method and generalized Melnikov method needing to improve further through our research.The three aspects as follows need further study:(1)How to expand the energy-phase method and generalized Melnikov method to high-dimensional non-autonomous nonlinear systems and high-dimensional which are higher than four dimensional nonlinear systems?(2)Using the energy-phase method to analyze multi-pulse orbits for high-dimensional nonlinear systems is important to define a dissipative factor which is the ratio of the damping coefficient to the excited force.Until now the energy-phase method can only study single dissipative factor, while can not analyze many dissipative factors which are the ratio of the damping coefficients to the excited forces.How to deal with many dissipative factors?(3)The theory of the energy-phase method and generalized Melnikov method is too complicated to apply to engineering problems conveniently.How to improve and simplify these two methods to apply engineering field well? How to present new criterion of the multi-pulse orbits?

Key words: Generalized Melnikov method, the energy-phase method, Shilnikov type multi-pulse, global bifurcations, chaotic dynamics, theory of normal form, cantilever beam, viscoelastic moving belt, thin plate