褐煤的等温干燥特性及其脱水动力学研究论文（5篇可选）

第一篇：褐煤的等温干燥特性及其脱水动力学研究论文

由于经济的快速稳定发展，我国能源需求趋势逐年增长，从而导致优质煤资源大量消耗，以至于难以满足能源安全和环境保护的要求，因此如何对资源储量相对丰富的低阶煤(尤其是褐煤)进行清洁利用无疑成为能源和化工领域的研究重点。但褐煤中高水分含量(2500-6000)是其大规模加工利用的最大难题，因此要实现对褐煤的高效转化首先必须对其进行脱水提质处理。褐煤是一种类似胶质体的毛细多孔性物质，水分存在于其多样的孔结构中，而其丰富的亲水性含氧官能团也以氢键的形式与水分结合，随孔结构及含氧官能团的不同，褐煤与水之间的结合力有所区别，从而使得脱除不同赋存形态的水所需能量不同。国内外诸多学者为探索褐煤干燥特性进行了研究，如印尼褐煤煤粉、马来西亚褐煤颗粒、宁夏褐煤颗粒及锡盟褐煤的干燥动力学等口习。在热风干燥过程中褐煤干燥受扩散机理控制，有效水分扩散系数随温度升高、相对湿度及样品质量的减小而增大比。也有学者利用体积平均法对褐煤干燥建立了单颗粒及干燥理论模型。利用扫描电镜检测发现锡盟褐煤经干燥后表而会出现断裂、粉化等现象叫，而蒙东褐煤孔体积在热压作用下略有减小，但其受压力的影响不如比表而积受压力的影响明显。目前，对煤低温干燥中水分脱除行为与其结构变化间的关联尚无明确了解，笔者拟通过两种不同升温方式的等温薄层干燥对褐煤进行干燥脱水研究，并进行相应的动力学计算和拟合分析，由于低温干燥条件下褐煤内部的官能团不会发生明显改变，故主要表征了干燥过程中的物理结构变化，即比表而积和孔结构的变化情况，旨在分析干燥过程中煤中水分的变迁行为，为褐煤脱水提质干燥工艺的设计提供一定的理论参考。

1实验部分

1.1煤样的选择

选取一种内蒙古褐煤为实验用样，煤样的工业分析与元素分析。为避免煤样在制备过程中的氧化，将其在氮气保护下进行破碎、研磨、筛分，选取粒径为0.18-0.25 mm的煤粒作为实验用样。

1.2仪器及方法

干燥实验采用美国的MB45水分快速测定仪，其加热方式为卤素加热，速度为红外水分测定仪的两倍，在干燥过程中能够持续测量样品重量并在电脑上显示结果。每次取样约59，采用两种升温方式进行褐煤干燥，方法a是样品直接快速升温到指定温度(60, 80, 100, 120 0C)进行样品的恒温干燥;方法b是将样品在50℃恒温20 min，随后快速升温到指定温度，然后进行恒温干燥实验。当1 min内质量减少小于1 mg时被认为达到干燥平衡，干燥实验在持续稳定的氮气流(400 mImin)保护下进行。

不同干燥程度煤样的孔结构特性及其比表面积采用北京精微高博科学技术有限公司的J W-BK122 W静态氮吸附仪进行测定，为保证所得数据的可靠性和基准一致性，测定前需将煤样在 60℃下加热270 min进行预处理。

2实验结果与讨论之褐煤干燥过程中孔结构及比表面积的变化

为了探究两种干燥方式对煤孔结构造成的影响，用低温氮吸附法对不同温度条件下干燥所得煤样的孔结构和比表面积的变化情况进行表征。

显示了依照方法a干燥所得煤样的孔体积V随温度升高而增大，100℃时达到最大值，继续升温至120℃有所降低，其平均孔径在60℃和80℃干燥时变化不大，100℃时升高，而在120℃时又有所降低，这应该是由于低温下，褐煤干燥主要脱除外水而腾空了部分大孔隙，导致其孔体积增大，而随温度升高，褐煤的类胶质体特性导致其失去内在水分时体积发生收缩造成的。另外，褐煤内部的孔径范围主要是大中孔，平均孔径的变化程度较大程度上取决于大孔的变化，如前所述，低温干燥时煤样主要脱除外水，致使在大孔范围内，较大孔先均匀塌陷成较小的孔，但表现为平均孔径变化不明显，当120℃干燥时内水的脱除引发强度更大的收缩，大孔部分塌陷至中孔，故平均孔径有减小的趋势。方法b制得样品的平均孔径均小于方法a制得的样品，其在80℃时最大、100℃时最小，而孔体积则明显大于方法a干燥制得的煤样，且随温度升高呈逐渐增大的趋势，这可能是由于在恒温干燥过程中，经过50℃干燥预处理后的煤样其孔结构的破坏程度大于直接干燥所得煤样。

两种方法下煤样干燥过程中，比表面积均是随温度升高而略有增大，而方法b制得样品的数值相对较大，低阶煤的表而积主要由中孔决定。可以这样理解，温度升高，煤样的干燥程度加深，导致大孔坍塌成为中孔，中孔比例略有增多，从而使得比表面积增大。方法a的最可几孔径随干燥温度升高呈现略增的趋势，预处理煤样方法b制得样品的最可几孔径随温度升高而略有减小。因此，不同的升温方式对煤样干燥过程的物理结构变化具有显著影响。

2.1褐煤等温干燥特性

引入无量纲水分比进行褐煤干燥特性的考察，定义为某时刻待除去的水与初始水含量之比。这是因为其表示的干燥曲线与湿物料的初始水含量无关，为干燥实验数据的分析提供方便。

3结论

褐煤薄层干燥脱水过程可以用升速干燥阶段和降速干燥段来描述。随温度升高，干燥速率增大，但升温方式不同，对干燥速率的影响各不相同。脱水过程中，温度升高，干燥煤样的孔体积呈先增大后减小，比表面略有增大，平均孔径的变化较能反应大孔的变化情况。先经50℃预处理，然后进行恒温干燥的方法对褐煤孔结构的破坏相对显著。修正的Henderson and Pabi模型能较好地用于实验所用褐煤等温薄层干燥过程的描述，采用Arrheniu方程计算所得褐煤脱水的平均表观活化能约为25 kJ /mol，脱除吸附水的活化能约为31 kJ/mol。

第二篇：辣椒渗透脱水处理及渗后热风干燥特性及品质分析

辣椒渗透脱水处理及渗后热风干燥特性及品质分析

尹晓峰，杨明金，张引航，高 博，谢守勇，杨 玲*（西南大学工程技术学院，丘陵山区农业装备重庆市重点实验室，重庆 400715）摘 要：以脱水率、固形物获取率、脱水率与固形物获取率比值、有效水分扩散系数、活化能、VC保留率、辣度、复水比、复原率和感官评价为考察指标，通过渗透脱水实验、渗后热风干燥实验和复水实验，考察了辣椒的渗透脱水特性、渗后热风干燥特性、复水特性和品质。结果表明：随着渗透温度的升高或渗透液中食盐含量的增加，辣椒的脱水率和固形物获取率增大。对渗透后的辣椒样品进行热风干燥处理发现，热风温度是影响热风干燥的最主要因素，其次是风速。辣椒样品的有效水分扩散系数随着温度的升高而增大，在风速为1.8 m/s的条件下，直接热风干燥辣椒样品和渗后热风干燥辣椒样品的活化能分别为（53.25±1.08）kJ/mol和（44.42±0.88）kJ/mol。渗后热风干燥样品的有效水分扩散系数、VC保留率、辣度、复水比和复原率均高于直接热风干燥样品，渗后热风干燥样品的复水特性和品质更好。关键词：渗透脱水；热风干燥；复水；品质；辣椒

辣椒作为蔬菜、调味品和保健食品，含有酚类化合物和VC等活性物质，营养丰富，药用价值高，辣椒产业的发展空间很大[1]。为避免长时间自然贮存引起的腐烂、霉变，需要对新收获的辣椒进行有效的干燥处理[2]。传统辣椒干燥处理常采用自然晾晒、风干，然而自然干燥易受到天气和场地的限制，干燥周期长、效率低、产品色泽差、品质较差[3-4]。而现代干燥主要以单一干燥方法为主，包括热风干燥、微波干燥、远红外干燥、真空干燥和渗透脱水干燥等[5]，虽然能一定程度上给干燥行业带来帮助，但是无论任何干燥方法，都存在着自身的缺陷和不足。例如，热风干燥占据着我国果蔬脱水加工行业90%的比例，其操作相对简单，容易控制，对干燥设备要求不高，但是较长的干燥周期和果蔬干燥后较差的品质却制约着其发展[6]。渗透脱水虽然节能环保，能够很好地保持果蔬的品质，但是却只能脱去果蔬大约2%～50%的水分，不能达到国家标准规定的含水率水平（14%）[7]。真空冷冻干燥可以得到品质较佳的干燥产品，但其高成本、高能耗的特点也限制了它的广泛应用，一般用来干燥高价值和高附加值的产品[8]。因此，根据果蔬自身特点，可以采用两种甚至两种以上的干燥方式进行联合干燥，不但能够缩短干燥时间，减少耗能，而且还可以节约成本，提高产品品质。Shanna[9]进行了大蒜丁香的微波-热风联合干燥，结果获得了较高的干品感官品质，而且微波-热风联合干燥比传统的热风干燥缩短了80%的干燥时间。Rodrígues等[10]研究表明，相比未渗透脱水干燥工艺，渗透脱水-真空干燥产品细胞结构保持完好、脆度增加、质地多孔复水性好、干燥时间也缩短了很多。None[11]应用渗透-热风联合千燥香蕉片，香蕉片被浸透在两个连续不同质量浓度的蔗糖溶液，然后进行热风干燥（40 ℃、72 h、相对湿度60%），得到水分质量分数16.5%的产品，获得了较佳的品质。董全[12]对蓝莓进行渗透脱水和流化床干燥实验，结果表明在渗透脱水温度不超过65 ℃的条件下，经195 min渗透脱水处理的蓝莓的含水率可以达到50%以下。田红萍[13]对胡萝卜进行了渗透脱水和渗后微波干燥的实验，得到了胡萝卜渗透脱水的较佳工艺：65 g/100 mL的蔗糖溶液、料液比1∶10（m/V）、渗透液温度为32 ℃的脱水效果最好，并且得出了高质量浓度的蔗糖溶液渗透脱水时对果蔬有较好的护色作用的结论。渗后热风干燥工艺采用先渗透脱水后热风干燥的处理方案，即先通过渗透液（一般由蔗糖、食盐和水按一定比例配制而成）对果蔬进行渗透脱水处理，利用细胞膜的半渗透性使样品中的部分水分转移到渗透液中，以达到去除果蔬中部分水分的目的，然后进行热风干燥，从而提高果蔬干燥效率和品质[14-16]。渗透脱水一方面能加快脱水速率，另一方面能增加果蔬样品的固形物含量，保持果蔬内部结构，减少营养成分和风味物质损失，易于同其他干燥方式进行联合，是理想的联合干燥前期脱水方式[17-20]。

本研究以脱水率、固形物获取率、脱水率与固形物获取率比值、有效水分扩散系数、活化能、VC保留率、辣度、复水比、复原率和感官评价为考察指标，通过渗透脱水实验、渗后热风干燥实验和复水实验，考察辣椒的渗透脱水特性、渗后热风干燥特性、复水特性和品质，以期为辣椒的干制探索一种新方法，为辣椒干燥和贮存工艺提供更高效、优质和低成本的解决方案，并为辣椒制品工艺优化和产业化提供参考。1 材料与方法 1.1 材料

朝天椒（Capsicum）购买于重庆北碚区永辉超市；蔗糖 河南豪峰食品有限公司；食盐 重庆市盐业有限公司。1.2 仪器与设备

AL204型电子天平梅特勒托利仪器有限公司；BC-2型薄层干燥试验台 长春吉大科学仪器设备有限公司；HH-3型数显恒温水浴锅 上海况盛设备仪器有限公司。1.3 方法 1.3.1 样品准备

选取新鲜无公害、肉质丰厚的辣椒作为样品，清水清洗后用吸水纸擦掉表面水分。根据GB/T 8858—1988《水果、蔬菜产品中干物质和水分含量测定方法》测定辣椒样品的初始含水率。1.3.2 指标测定

渗透脱水时，需将辣椒样品全部浸入渗透液，渗透脱水后，取出辣椒样品，先用清水冲洗2～3 遍，除去辣椒表面残留的渗透液，再用吸水纸进行擦干并称质量，记录结果，实验3 次重复，结果取平均值。

渗透脱水实验指标包括脱水率、固形物获取率、脱水率与固形物获取率比值。其中，脱水率、固形物获取率按式（1）、（2）计算。

式中：WL为脱水率/%；W0为物料初始质量/g；Wt为渗透t时刻样品质量/g；Sg为固形物获取率/%；S0为初始样品固形物质量/g；St为渗透t时刻样品固形物质量/g。干燥特性实验指标包括干燥速率、有效水分扩散系数和活化能，分别按式（3）～（5）计算。

式中：v0为干燥速率/（%/min）；M1为干燥前物料初始含水率/%；Mt为干燥t时刻含水率/%；Δt为干燥时间/min；MR为水分比；Deff为有效水分扩散系数/（m2/s）；L为实验样品厚度的一半/m；D0为Arrhenius方程指数前因子/（m2/s）；Ea为活化能/（kJ/mol）；R为气体常数/（kJ/（mol·K））；T为绝对温度/K。通过绘制式（4）中lnMR相对于t的曲线，将曲线进行线性拟合，由直线的斜率可以计算得到Deff[21]，通过绘制式（5）中lnDeff相对于1/T的曲线，将曲线进行线性拟合，由直线的斜率可以计算得到。

复水比是考察干制产品品质的一个重要指标，实验对热风干燥及渗后热风干燥的样品做了复水实验。指标为样品的复水比（R）和复原率（K），分别按式（6）、（7）计算。

式中：R为复水比/（g/g）；K为复原率/%；mf为脱水物料复水后的沥干质量/g；mg为脱水物料复水前的干品质量/g；mx为脱水物料复水前的干品质量/g。VC保留率按式（8）计算。

式中：C1为样品干物质中的VC含量/（mg/g）；C0为鲜辣椒物质中的VC含量/（mg/g）。1.3.3 辣椒干燥处理 1.3.3.1 渗透脱水

将预处理好的辣椒进行称质量、取样，样品质量控制在40～50 g之间。按1∶10的料液比（m/V）进行渗透脱水正交试验[23]。由于Figen等[24]研究表明渗透液通常采用40%～65%（质量分数，下同）蔗糖加5%～15%食盐（＋水）组合比较适宜，因此本实验采用的4 种渗透液分别为：45%蔗糖＋0%食盐（＋水）、45%蔗糖＋2%食盐（＋水）、45%蔗糖＋6%食盐（＋水）和45%蔗糖＋10%食盐（＋水）[25]，配比为质量分数。由于蔗糖不是电解质，扩散系数小，其分子质量大于食盐，蔗糖含量变化对渗透脱水的影响远小于食盐含量对其的影响，因而本实验仅研究在蔗糖含量（45%）不变的条件下食盐含量对辣椒渗透脱水的影响[26]。取渗透温度、渗透液组合和渗透时间为变量因素，其中45%蔗糖＋0%食盐（＋水）渗透液作为试验对照组，不选作正交试验因素。采用正交试验水平表L9（34）研究不同因素水平对脱水率及脱水率与固形物获取率比值的影响及影响程度，试验设计因素水平见表1。表 1 正交试验因素与水平

Table 1 Factors and levels used in orthogonal array design

水平因素A渗透温度/℃B渗透液组合C渗透时间/h 1 3045%蔗糖＋2%食盐（＋水）2 2 4545%蔗糖＋6%食盐（＋水）4 3 6045%蔗糖＋10%食盐（＋水）6 1.3.3.2 渗后热风干燥

经渗透脱水，只能去除样品20%～50%的水分，不能达到国家标准规定的含水率水平（≤14%），需要进一步进行干燥处理。采用常压热风干燥对辣椒样品进行干燥。为了考察渗透脱水对热风干燥性能的影响，对渗透脱水样品和未经渗透脱水样品（鲜辣椒样品）在不同热风温度和风速条件下的热风干燥特性进行比较，并对干燥后的样品进行复水实验。渗透脱水的渗透液为45%蔗糖＋10%食盐（＋水），渗透温度为45 ℃，渗透时间1 h。干燥的热风温度分别取45、50、55、60、65 ℃，风速分别为0.6、1.2、1.8 m/s，在薄层干燥试验台中进行，样品干燥到国家标准规定的含水率时停止，干燥时每1 h记录一次数据，热风干燥前样品质量约为50 g。对在不同热风温度和风速条件下直接热风干燥样品和渗后热风干燥样品的VC含量和辣度分别采用GB/T 6195—1986《水果、蔬菜维生素C含量测定法 2,6-二氯酚靛酚滴定法》和GB/T 21265—2007《辣椒辣度的感官评价方法》进行检测分析。1.3.3.3 复水实验 分别选取风速为1.8 m/s、45 ℃条件下直接热风干燥和渗后热风干燥后的样品各约30 g，浸泡在300 mL温度为90 ℃热水中，1 h后将样品从热水中取出，用清水洗净表面，沥干后称质量，计算实验样品的复水比和复原率。由5 名感官评定员根据色泽、气味和外形等项目对复水处理后的样品进行感官评定，评定标准见表2。感官评价总分为色泽、气味和外形分数之和，总分越高，样品品质越好。

表 2 辣椒产品感官评定标准

Table 2 Criteria for sensory evaluation of chili pepper products

项目指标色泽新鲜、结构饱满均匀（25～40 分）颜色变浅，较饱满均匀（10～25 分）颜色发暗，结构紧缩（＜10 分）气味、口感辣味浓郁（20～30 分）辣味一般（10～20 分）无辣味或略带辣味（＜10 分）外形平整度很好（20～30 分）平整度一般（10～20 分）无平整度或平整度较低（＜10 分）1.4 数据统计分析

各实验组数据均为3 次重复测定后的平均值，采用Excel软件进行数据处理和绘图，数据以±s表示。2 结果与分析 2.1 渗透脱水特性

2.1.1 渗透温度对渗透脱水特性的影响

图1 不同渗透温度条件下的渗透脱水特性

Fig.1 Osmotic dehydration characteristics at different temperatures 在渗透液为45%蔗糖＋10%食盐（＋水），渗透温度分别为30、45、60 ℃条件下，通过实验研究得到渗透温度对辣椒渗透脱水特性的影响。由图1可知，随着渗透温度的升高，辣椒的WL和Sg均增大，在相同条件下，WL远大于Sg，渗透温度对辣椒样品的WL/Sg影响较小；随着渗透时间的延长，辣椒的WL和Sg也增大，但在渗透脱水初期，WL和Sg增加较快，随着渗透脱水的进行，WL和Sg的增加逐渐趋缓；WL/Sg随着渗透脱水时间的延长而增大，经温度为45 ℃的渗透液渗透脱水2、4、6 h，辣椒的WL/Sg分别为4.31±0.12、5.21±0.10和5.74±0.13。由于渗透脱水实际上是利用细胞膜的半透性，在样品内外液体形成渗透压差而进行的水分迁移过程，当渗透温度增加时，渗透液内溶质分子和水分子的运动加快，从而使WL和Sg增大[27]。在渗透脱水初期，样品和渗透液之间存在较大的渗透压差，其WL和Sg变化较快，随着渗透时间的延长，样品和渗透液之间的渗透压差减小，从而在渗透脱水后期WL和Sg的增加趋缓。同时，在较高渗透压差的环境中，水分子比较小，可以快速从辣椒样品中进入外部渗透液，实现脱水，而渗透液溶质分子较大（糖分子相对于盐分子更大），较难通过半透膜进入辣椒样品内，从而影响辣椒样品Sg的增加，且WL远大于Sg[28-31]。随着渗透温度的升高，由于渗透液内溶质分子和水分子运动同时加快，使WL和Sg同时最大，从而使渗透温度对WL/Sg的影响较小。2.1.2 渗透液组合对渗透脱水特性的影响

图2 不同渗透液组合条件下的渗透脱水特性

Fig.2 Osmotic dehydration characteristics with different osmotic solutions 在渗透温度为45 ℃，渗透液组合分别为45%蔗糖＋0%食盐（＋水）、45%蔗糖＋2%食盐(＋水)、45%蔗糖＋6%食盐(＋水)和45%蔗糖＋10%食盐(＋水)的条件下，通过实验研究得到渗透液组合对辣椒渗透脱水特性的影响。由图2可知，在渗透液蔗糖含量一定时，随着食盐含量的增加，WL和Sg均增加，在相同条件下，WL远大于Sg；WL/Sg随着渗透脱水时间的延长而增大，在相同的条件下，WL/Sg随着食盐含量的增加而增加。

由于随着渗透液中食盐含量的提高，辣椒样品和渗透液之间因渗透液浓度引起的渗透压差增大，能加快了渗透脱水的进程，从而WL和Sg均随着食盐含量的增加而增大。同样由于渗透液溶质分子较大，较难通过样品细胞的半透膜进入辣椒样品内，使渗透脱水过程WL远大于Sg。而且渗透液浓度引起的渗透压差对渗透脱水进程的贡献大于对辣椒样品固形物获取进程的贡献，从而使WL/Sg随着食盐含量的增加而增大。但如果食盐含量太高，会影响辣椒样品的口感和品质。

2.1.3 渗透脱水参数对辣椒渗透脱水特性的影响 表 3 正交试验方案及结果

Table 3 Orthogonal array design with experimental results

试验号A渗透温度B渗透液组合C渗透时间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 极差分析

Table 4 Range analysis

品质参数水平A渗透温度B渗透液组合C渗透时间D空列127.62320.16317.75030.960 WL228.21028.57332.54327.787 331.55338.65037.09328.640极差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极差0.2301.1631.7230.083因子主次321 表 5 方差分析

Table 5 Analysis of variance

注：*.影响显著（P＜0.05）；**.影响极显著（P＜0.01）。

品质参数因子自由度平方和均方和F值WL A渗透温度226.96713.4831.667 B渗透液组合2514.024257.01231.768* C渗透时间2613.710306.85537.929* D空列（误差）216.1818.0900.030总和81 170.881146.360 WL/SgA渗透温度20.0790.0407.000 B渗透液组合22.0651.032181.822** C渗透时间25.2702.635464.068** D空列（误差）20.0110.0060.005总和87.4250.928 由表3～5极差分析可知，各因子对辣椒脱水特性的影响主次顺序为C渗透时间＞B渗透液组合＞A渗透温度，随着渗透时间和渗透液食盐含量的增加，WL/Sg均增大；WL最大的最优渗透脱水工艺方案是A3B3C3，WL/Sg最大的最优方案是A2B3C3。因为WL/Sg是评价辣椒品质的重要指标[32]，即在提高WL的同时，应尽可能保证辣椒品质不受影响或影响较小。综合考虑，选取A2B3C3为辣椒的最优渗透脱水工艺方案，即渗透液组合为45%蔗糖＋10%食盐（＋水）、渗透时间为6 h、渗透温度为45 ℃方案。

由方差分析可知，各因子对辣椒WL和WL/Sg的影响主次顺序为C渗透时间＞B渗透液组合＞A渗透温度，与极差分析结果相同。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，对于WL，F0.05＜FB＜FC＜F0.01，FA＜F0.25，因子B、C对辣椒WL的影响显著，因子A无影响；对于WL/Sg，F0.01＜FB＜FC，F0.25＜FA＜F0.1，因子B和C对辣椒WL/Sg影响极显著，因子A有一定的影响。

由于渗透温度对辣椒WL和WL/Sg的影响较小，为了保证辣椒品质，不宜选择太高的渗透温度，因而上述最优渗透脱水工艺方案选取的渗透温度为45 ℃。

按照最优渗透脱水工艺方案，即渗透液组合为45%蔗糖＋10%食盐（＋水）、渗透时间为6 h、渗透温度为45 ℃，进行渗透脱水实验验证正交试验结果。最优渗透脱水工艺方案得到的辣椒样品WL为48.3%，Sg为8.7%，WL/Sg为5.56±0.13，结果能很好满足试验要求。2.2 渗后热风干燥特性

2.2.1 不同温度条件下干燥特性曲线 按1.3.3.2节的实验方法，对渗透脱水样品和未经渗透脱水样品（鲜辣椒样品）进行热风干燥实验，得到热风风速恒定、热风温度变化条件下样品的热风干燥特性曲线，图3为风速为1.8 m/s，温度分别45、50、55、60、65 ℃的直接热风干燥和渗后热风干燥特性曲线。

图3 不同温度条件下样品干燥特性曲线

Fig.3 Drying curves at different temperatures 由图3可知，当保持热风风速一定时，随着热风温度的升高，两组样品的含水率都在降低，且温度越高，干燥时间越短，即干燥速率越快。在干燥前期，样品随着干燥的进行，其含水率近似线性下降，由于辣椒样品干燥前的初始含水率水平较高，该阶段的持续时间较长。在干燥后期，辣椒样品的含水率下降趋缓。经过干燥实验结果对比分析可以看出，辣椒在55～65 ℃区间干燥速率明显加快，但此温度区间干燥后的辣椒颜色呈黑绿色，并有碳化味，品质较差。而在45～50℃温度区间干燥后辣椒的颜色鲜亮，外形饱满，气味正常，品质较好。可见，在较低热风温度条件下，虽然干燥速度较慢，但是可以提高辣椒的干燥的品质；较高温度时则恰恰相反。因此，辣椒干燥适宜的热风温度为 45～50 ℃。在相同干燥条件下，渗后热风干燥样品要先于直接热风干燥样品到达14%的安全含水率水平。这是由于渗透脱水样品经过1 h的渗透脱水处理，辣椒样品的含水率由82.4%下降至72.3%，在此基础上进行热风干燥可以缩短热风干燥到达贮存要求含水率水平所需干燥时间1～2 h，从而能降低干燥过程中的能量消耗和处理成本。2.2.2 不同风速条件下干燥特性曲线

图4 不同风速条件下样品干燥特性曲线

Fig.4 Drying curves at different air velocities 图4为热风温度为50 ℃，热风风速分别为0.6、1.2、1.8 m/s条件下的干燥曲线。由图4可知，当热风温度恒定时，两组样品的含水率都随着热风风速的增大而降低，但变化幅度不大。风速为 0.6 m/s 时辣椒含水率下降最慢，辣椒干燥的风速宜取 1.2～1.8 m/s。在相同干燥条件下，渗后热风干燥样品的含水率要先于直接热风干燥样品到达安全含水率水平，进一步说明样品经过渗透脱水在进行热风干燥，干燥周期变短。2.3 辣椒渗后热风干燥的Deff和Ea

图5 不同风速条件下辣椒样品Deff变化曲线

Fig.5 Curves of effective moisture diffusion coeffcient against air velocity 根据式（4）将lnMR与t的曲线进行线性拟合，由直线的斜率可以计算出直接热风干燥和渗后热风干燥样品的Deff。由图5可知，在热风干燥过程中，保持热风风速恒定，随着热风温度的升高，辣椒样品Deff相应增大，呈近似线性规律变化。这是因为当热风温度升高时，辣椒样品内的液相水和蒸气传输的质量都加快，热量传输速度也相应提高，而传热又能有效地促进传质，从而使得辣椒样品的Deff呈近似线性规律变化。比较相同热风温度，不同热风风速条件下，风速越高，辣椒样品的Deff越高，但变化幅度比较小。在同等条件下，渗后热风干燥辣椒样品的Deff要高于直接热风干燥辣椒样品的Deff。

根据式（5）将lnDeff与1/T的曲线进行线性拟合，由直线的斜率可以计算出辣椒样品的干燥Ea（表6）。

表 6 直接热风干燥样品和渗后热风干燥样品的VC保留率Ea Table 6 Activation energy of direct hot-air drying and hot-air drying after osmotic dehydration

处理方式Ea/（kJ/mol）0.6 m/s1.2 m/s1.8 m/s直接热风干燥58.40±0.9856.23±0.8753.25±1.08渗后热风干燥48.51±1.1046.12±0.9344.42±0.88 由表6可知，渗后热风干燥样品的Ea要小于直接热风干燥样品的Ea。这是因为经过渗透过程的样品再进行热风干燥，干燥时间进一步缩短，所需能量消耗变小。2.4 渗后热风干燥辣椒的VC保留率

通过GB/T 6195—1986实验测得鲜辣椒的VC含量为99.2 mg/100 g。在不同热风温度和风速条件下测定并计算直接热风干燥样品和渗后热风干燥样品的VC保留率（表7）。表 7 直接热风干燥样品和渗后热风干燥样品的VC保留率

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

风速/（m/s）处理方式VC保留率/ % 45 ℃50 ℃55 ℃60 ℃65 ℃0.6直接热风干燥42.51±0.4137.32±0.3831.24±0.5525.12±0.6420.30±0.49渗后热风干燥51.50±0.5747.76±0.8642.18±0.4636.01±0.6531.23±0.53 1.2直接热风干燥44.82±0.4439.42±0.6433.69±0.5328.11±0.5822.96±0.45渗后热风干燥53.47±0.4849.93±0.4344.66±0.5638.51±0.6333.84±0.51 1.8直接热风干燥46.73±0.5442.05±0.6835.72±0.5931.28±0.4625.22±0.62渗后热风干燥56.84±0.7251.23±0.7447.10±0.6740.33±0.6134.81±0.53 VC含量是衡量样品营养成分的一个重要指标，也是最不稳定的维生素之一，受到很多因素影响。由表7可知，在有氧的条件下，VC受热风温度影响最大。随着热风温度的不断升高，作用时间越长，其损失越大。其次是热风风速，当热风温度恒定时，随着热风风速的提高，VC的损失逐渐变小，但变化幅度较小。这是因为当热风风速变大时，所需干燥时间变短，减少了VC与氧气接触的机会，暴露在高温环境的时间变短，减少了VC的损失。在相同条件下，直接热风干燥样品的VC保留率与渗后热风干燥样品相比，渗后热风干燥样品VC保留率较好。这是因为样品在渗透脱水过程中，渗入了渗透液的溶质因子，其很好地阻碍了VC与氧气等氧化性物质的接触，减少了VC的氧化。同时，渗后热风干燥所需干燥时间较短，缩短了样品在高温中暴露的时间，进而提高了VC的保留率。2.5 渗后热风干燥辣椒的辣度

表 8 直接热风干燥样品和渗后热风干燥样品的辣度

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

风速/（m/s）处理方式辣度/ SHU 45 ℃50 ℃55 ℃60 ℃65 ℃0.6直接热风干燥2 600±1002 400±1522 200±1521 900±2001 600±100渗后热风干燥3 000±1002 800±2002 600±1002 300±1522 000±200 1.2直接热风干燥2 700±2002 500±1522 300±1002 000±2001 700±152渗后热风干燥3 100±1002 900±1522 700±1522 400±1002 100±152 1.8直接热风干燥2 800±1002 600±2002 400±1522 100±1001 800±200渗后热风干燥3 200±1523 000±1002 800±1522 500±2002 200±100 通过GB/T 21265—2007实验测得鲜辣椒的辣度为30 000 SHU。在不同热风温度、热风风速条件下对直接热风干燥样品和渗后热风干燥样品进行辣度检测，结果由表8可知，鲜辣椒的辣度要远远高于干燥后的辣椒的辣度，这是因为辣椒中引起辛辣的主要成分是辣椒素，影响辣椒素主要因素是热风温度、干燥时间和风速。热风温度越高，干燥时间越长，辣椒素的损失越大，辣度越低。风速越大，干燥时间越短，辣度越低，但是变化幅度小。比较不同热风温度条件下的辣度情况可知，在45 ℃热风温度条件下的辣度最高，65 ℃热风温度条件下的辣度最低。且渗后热风干燥样品的辣度高于直接热风干燥样品的辣度。这是由于样品经过渗透脱水后，减少了热风干燥时间，辣椒素暴露在高温环境下的时间变短，从而提高了样品的辣度。

2.6 渗后热风干燥辣椒的复水特性

按1.3.3.3节的实验方法，对直接热风干燥样品和渗后热风干燥样品进行复水实验，得到两组样品的复水特性。由表9可知，相对于直接热风干燥而言，渗后热风干燥样品的复水比和复原率较高，复水特性较好。这是由于在渗透脱水过程中，样品渗入了渗透液中的溶质（以盐分为主），使其固形物含量增加，而增加的盐分又能很好地保持样品的内部结构；而在复水过程，水分渗入样品，盐分渗出，使样品结构能够很好地复原。表 9 直接热风干燥样品和渗后热风干燥样品的复水特性

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

处理方式复水比/（g/g）复原率/%直接热风干燥1.71±0.0240.45±0.97渗后热风干燥3.52±0.0969.58±0.75 2.7 渗后热风干燥辣椒的品质

对复水实验后的样品进行色泽、气味和外形的感官评价，得到两组样品的品质特性（表10）。表 10 直接热风干燥样品和渗后热风干燥样品的品质特性

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

处理方式色泽气味、口感外形总分直接热风干燥19±1.5217±1.4716±1.4952±1.50渗后热风干燥27±1.5322±1.5024±1.5173±1.52 由表10可知，直接热风干燥复水后样品的得分较低，品质特性较差；渗后热风干燥复水后样品的得分较高，品质特性较好。

两组样品复水后的外观如图6所示。渗后热风干燥样品复水后不但色泽鲜绿，辣味香浓，且较好地保持了原有外形，感官质量好。

图6 复水后样品外观图

Fig.6 Photographs of chili pepper samples after rehydration 3 结 论

以渗透温度、渗透液组合和渗透时间为变量因子，通过渗透脱水正交试验分析得到，渗透时间和渗透液组合对辣椒脱水率的影响显著，对脱水率与固形物获取率比值的影响特别显著，且渗透液组合为45%蔗糖＋10%食盐（＋水）、渗透时间6 h、渗透温度45 ℃为最优渗透脱水工艺方案。对渗透后辣椒样品进行热风干燥实验可以得出：热风温度是影响热风干燥的最主要因素，适宜的热风干燥温度为45～50 ℃，其次是热风风速。与鲜辣椒直接热风干燥相比，辣椒渗后热风干燥所需干燥时间明显缩短，可以降低干燥过程中的能量消耗。辣椒样品的Deff随着热风温度的升高而增大，且渗后热风干燥样品的Deff高于直接热风干燥样品。在热风风速为1.8 m/s的条件下，直接热风干燥辣椒样品和渗后热风干燥辣椒样品的Ea分别为（53.25±1.08）kJ/mol和（44.42±0.88）kJ/mol。渗后热风干燥辣椒样品的VC保留率、辣度、复水比和复原率均优于直接热风干燥样品，且渗后热风干燥样品的复水特性和品质更好。参考文献：

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第三篇：Z元件特性研究论文

文章

来源莲山

课 件 w w w.5y K J.Co m 5

摘要：Z-元件具有进一步的开发潜力，扩充其特性和应用可形成一些新型电子器件。本文在温、光、磁敏Z-元件的基础上，依据对Z-元件工作机理的深入探讨，开发出一些新型的半导体敏感元件，如掺金γ-硅热敏电阻、力敏Z-元件以及新型V/F转换器。本文着重介绍了这些新型敏感元件的电路结构与工作原理。这些新型敏感元件都具有生产工艺简单、体积小、成本低等特点。

关键词：热敏电阻，掺金γ-硅热敏电阻，Z-元件，力敏Z-元件，V/F转换器

一、前言

Z-半导体敏感元件﹙简称Z-元件﹚性能奇特，应用电路简单而且规范，使用组态灵活，应用开发潜力大。它包括Z-元件在内仅用两个﹙或3个﹚元器件，就可构成电路最简单的三端传感器，实现多种用途。特别是其中的三端数字传感器，已引起许多用户的关注。

Z-元件现有温、光、磁，以及正在开发中的力敏四个品种，都能以不同的电路组态，分别输出开关、模拟或脉冲频率信号，相应构成不同品种的三端传感器。其中，仅以温敏Z-元件为例，就可以组合出12种电路结构，输出12种波形，实现6种基本应用[3]。再考虑到其它光、磁或力敏Z-元件几个品种，其可供开发的扩展空间将十分可观。为了拓宽Z-元件的应用领域，很有从深度上和广度上进一步研究的价值。

本文在前述温、光、磁敏Z-元件的基础上，结合生产工艺和应用开发实践，在半导体工作机理上和电路应用组态上进行了深入的扩展研究，形成了一些新型的敏感元件。作为其中的部分实例，本文重点介绍了掺金g-硅新型热敏电阻、力敏Z-元件以及新型V/F转换器，供用户分析研究与应用开发参考。这些新型敏感元件都具有体积小、生产工艺简单、成本低、使用方便等特点。

二、掺金g-硅新型热敏电阻

1．概述

用g-硅单晶制造半导体器件是不多见的，特别是用原本制造Z-元件这样的高阻g-硅单晶来制造Z-元件以外的半导体器件，目前尚未见到报导。Z-元件的特殊性能，主要是由掺金高阻g-硅区﹙也就是n-i区﹚的特性所决定的，对掺金高阻g-硅的性能进行深入地研究希望引起半导体器件工作者的高度重视。

本部分从对掺金g-硅的特性深入研究入手，开发出一种新型的热敏元件，即掺金g-硅热敏电阻。介绍了该新型热敏电阻的工作原理、技术特性和应用特点。

2．掺金g-硅热敏电阻的工作机理

“掺金g-硅热敏电阻”简称掺金硅热敏电阻，它是在深入研究Z-元件微观工作机理的基础上，按新的结构和新的生产工艺设计制造的，在温度检测与控制领域提供了一种新型的温敏元件。

为了熟悉并正确使用这种新型温敏元件，必须首先了解它的工作机理。Z-元件是其N区被重掺杂补偿的改性pN结，即在高阻硅材料上形成的pN结，又经过重金属补偿，因而它具有特殊的半导体结构和特殊的伏安特性。图1为Z-元件的正向伏安特性曲线，图2为Z-元件的半导体结构示意图。

由图1可知，Z-元件具有一条“L”型伏安特性[1]，该特性可分成三个工作区：M1高阻区，M2负阻区，M3低阻区。其中，高阻的M1区对温度具有较高的灵敏度，自然成为研制掺金g-硅热敏电阻的主要着眼点。

从图2可知，Z-元件的结构依次是：金属电极层—p+欧姆接触区—p型扩散区—p-N结结面—低掺杂高补偿N区，即n-.i区—n+欧姆接触区—金层电极层。可见Z-元件是一种改性pN结，它具有由p+-p-n-.i-n+构成的四层结构，其中核心部位是N型高阻硅区n-.i，特称为掺金g-硅区。掺金g-硅区的建立为掺金g-硅热敏电阻奠定了物理基础。

Z-元件在正偏下的导电机理是基于一种“管道击穿”和“管道雪崩击穿”的模型[2]。Z-元件是一种pN结，对图2所示的Z-元件结构可按p-N结经典理论加以分析，因而在p-n-.i两区中也应存在一个自建电场区。该电场区因在p区很薄，自建电场区主要体现在n-.i区，且几乎占据了全部n-.i型区，这样宽的电场区其场强是很弱的，使得Z-元件呈现了高阻特性。如果给Z-元件施加正向偏压，这时因正向偏压的电场方向同Z-元件内部自建电场方向是相反的，很小的正向偏压便抵消了自建电场。这时按经典的pN结理论分析，本应进入正向导通状态，但由于Z-元件又是一种改性的pN结，其n-.i型区是经重金属掺杂的高补偿区，由于载流子被重金属陷阱所束缚，其电阻值在兆欧量级，其正向电流很小，表现在“L”曲线是线性电阻区即“M1”区。这时，如果存在温度场，由于热激发的作用使重金属陷阱中释放的载流子不断增加，并参与导电，必然具有较高的温度灵敏度。在M1区尚末形成导电管道，如果施加的正向偏压过大，将产生“管道击穿”，甚至“管道雪崩击穿”，将破坏了掺金g-硅新型热敏电阻的热阻特性，这是该热敏电阻的特殊问题。

在这一理论模型的指导下，不难想到，如果将Z-元件的n-.i区单独制造出来，肯定是一个高灵敏度的热敏电阻（由于半导体伴生着光效应，当然也是一个光敏感电阻），由此可构造出掺金g-硅新型热敏电阻的基本结构，如图3所示。由于掺金g-硅新型热敏电阻不存在pN结，其中n-.i层就是掺金g-硅，它并不是Z-元件的n-.i区。测试结果表明，该结构的电特性就是一个热敏电阻。该热敏电阻具有NTC特性，它与现行NTC热敏电阻相比，具有较高的温度灵敏度。

3．掺金g-硅热敏电阻的生产工艺

掺金g-硅热敏电阻的生产工艺流程如图4工艺框图所示。可以看出，该生产工艺过程与Z-元件生产工艺的最大区别，就是不做p区扩散，所以它不是改性pN结，又与现行NTC热敏电阻的生产工艺完全不同，这种掺金g-硅新型热敏电阻使用的特殊材料和特殊工艺决定了它的性能与现行NTC热敏感电阻相比具有很大区别，其性能各有优缺点。

4．掺金g-硅热敏电阻与NTC热敏电阻的性能对比

从上述结构模型和工艺过程分析可知，掺金g-硅层是由金扩入而形成的高补偿的N型半导体，不存在pN结的结区。它的导电机理就是在外电场作用下未被重金属补偿的剩余的施主电子参与导电以及在外部热作用下使金陷阱中的电子又被激活而参与导电，而呈现的电阻特性。由于原材料是高阻g-硅，原本施主浓度就很低，又被陷阱捕获一些，剩余电子也就很少很少。参与导电的电子主要是陷阱中被热激活的电子占绝对份额。也就是说，掺金g-硅热敏电阻在一定的温度下的电阻值，是决定于工艺流程中金扩的浓度。研制实践中也证明了这一理论分析。不同的金扩浓度可以得到几千欧姆到几兆欧姆的电阻值。金扩散成为产品质量与性能控制的关健工序。

我们认为，由于掺金g-硅热敏电阻的导电机理与现行的NTC热敏电阻的导电机理完全不同，所以特性差别很大，也存在各自不同的优缺点。掺金g-硅热敏电阻的优点是：生产工艺简单，成本低，易于大批量生产，阻值范围宽（从几千欧姆到几兆欧姆），灵敏度高，特别是低于室温的低温区段比NTC热敏电阻要高近一个量级。其缺点是：一批产品中电阻值的一致性较差、线性度不如NTC，使用电压有阈值限制，超过阈值时会出现负阻。

掺金g-硅新型热敏电阻与NTC热敏电阻的电阻温度灵敏度特性对比如图5所示。

在不同温度下，温度灵敏度的实测值对比如表1所示。

掺金g-硅热敏电阻是一种新型温敏元件。本文虽作了较详细的工作机理分析，但现在工艺尚未完全成熟，愿与用户合作，共同探讨，通过工艺改进与提高，使这一新型元件早日成熟，推向市场，为用户服务。

三、力敏Z-元件

1．概述 “力”参数的检测与控制在国民经济中占有重要地位。力敏元件及其相应的力传感器可直接测力，通过力也可间接检测许多其它物理参数，如重量，压力、气压、差压、流量、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、扭矩、振动等，在机械制造、机器人、工业控制、农业气象、医疗卫生、工程地质、机电一体化产品以及其它国民经济装备领域中，具有广泛的用途。

在力参数的检测与控制领域中，现行的各种力敏元件或力传感器，包括电阻应变片、扩散硅应变片、扩散硅力传感器等，严格说，应称为模拟力传感器。它只能输出模拟信号，输出幅值小，灵敏度低是它的严重不足。这三种力敏元件或力传感器，为了与数字计算机相适应，用户不得不采取附加的数字化方法（即加以放大和A/D转换）才能与数字计算机相连接，使用极其不便，也增加了系统的成本。

Z-元件能以极其简单的电路结构直接输出数字信号，非常适合研制新型数字传感器[1]，其中也包括力数字传感器。这种力数字传感器输出的数字信号（包括开关信号和脉冲频率信号），不需A/D转换，就可与计算机直接通讯，为传感器进一步智能化和网络化提供了方便。

我们在深入研究Z-元件工作机理的基础上，初步研制成功力敏Z-元件，但目前尚不成熟，欢迎试用与合作开发这一新器件，实现力检测与控制领域的技术创新。

2．力敏Z-元件的伏安特性

如前所述，力敏Z-元件也是一种其N区被重掺杂补偿的改性pN结。力敏Z-元件的半导体结构如图6(a)所示。按本企业标准电路符号如图6(b)所示，图中“+”号表示pN结p区，即在正偏使用时接电源正极。图6(c)为正向“L”型伏安特性，与其它Z-元件一样该特性也分成三个工作区：M1高阻区，M2负阻区，M3低阻区。描述这个特性有四个特征参数：Vth为阈值电压，Ith为阈值电流，Vf为导通电压，If为导通电流。

M1区动态电阻很大，M3区动态电阻很小（近于零），从M1区到M3区的转换时间很短（微秒级），Z-元件具有两个稳定的工作状态：“高阻态”和“低阻态”，工作的初始状态可按需要设定。若静态工作点设定在M1区，Z-元件处于稳定的高阻状态，作为开关元件在电路中相当于“阻断”。若静态工作点设定在M3区，Z-元件将处于稳定的低阻状态，作为开关元件在电路中相当于“导通”。在正向伏安特性上p点是一个特别值得关注的点，特称为阀值点，其坐标为：p(Vth，Ith)。p点对外部力作用十分敏感，其灵敏度要比伏安特性上其它诸点要高许多。利用这一性质，可通过力作用，促成工作状态的一次性转换或周而复始地转换，就可分别输出开关信号或脉冲频率信号。

3．力敏Z-元件的电路结构

力敏Z-元件的应用电路十分简单，利用其“L”型伏安特性，在力载荷的作用下，很容易获得开关量输出或脉冲频率输出。力敏Z-元件的基本应用电路如图7所示。其中，图7(a)为开关量输出，图7(b)为脉冲频率输出。其输出波形分别如图8和图9所示。

在图7所示的应用电路中，电路的结构特征是：力敏Z-元件与负载电阻相串联，负载电阻RL用于限制工作电流，并取出输出信号。Z-元件应用开发的基本工作原理就在于通过半导体结构内部导电管道的力调变效应，使工作电流发生变化，从而改变Z-元件与负载电阻RL之间的压降分配，获得不同波形的输出信号。

（1）力敏Z-元件的开关量输出

在图7(a)所示的电路中，通过E和RL设定工作点Q，如图6﹙c﹚所示。若工作点选择在M1区时，力敏Z-元件处于小电流的高阻工作状态，输出电压为低电平。由于力敏Z-元件的阈值电压Vth对力载荷F具有很高的灵敏度，当力载荷F增加时，阈值点p向左推移，使Vth减小，当力载荷F增加到某一阈值Fth时，力敏Z-元件上的电压VZ恰好满足状态转换条件[1]，即VZ=Vth，力敏Z-元件将从M1区跳变到M3区，处于大电流的低阻工作状态，输出电压为高电平。在RL上可得到从低电平到高电平的上跳变开关量输出，如图8(a)所示。如果在图7(a)所示电路中，把力敏Z-元件与负载电阻RL互换位置，则可得到由高电平到低电平的下跳变开关量输出，如图8(b)所示。无论是上跳变或下跳变开关量输出，VO的跳变幅值均可达到电源电压E的40~50%。

开关量输出的力敏Z-元件可用作力敏开关、力报警器或力控制器。

（2）力敏Z-元件的脉冲频率输出

由于力敏Z-元件的伏安特性随外部激励改变而改变，只要满足状态转换条件，就可实现力敏Z-元件工作状态的转换。如果满足状态转换条件，实现Z-元件工作状态的一次性转换，负载电阻RL上可输出开关信号；同理，如果满足状态转换条件，设法实现力敏Z-元件工作状态的周期性转换，则负载电阻RL上就可输出脉冲频率信号。

脉冲频率输出电路如图7(b)所示。在图7(b)电路中，力敏 Z-元件与电容器C并联。由于力敏Z-元件具有负阻效应，且有两个工作状态，当并联以电容后，通过RC充放电作用，构成RC振荡回路，因此在输出端可得到与力载荷成比例变化的脉冲频率信号输出。其输出波形如图9(a)所示。输出频率的大小与E、RL、C取值有关，也与力敏Z-元件的阈值电压Vth值有关。当E、RL、C参数确定后，输出频率仅与Vth有关，而Vth对力作用很敏感，可得到较高的力灵敏度。初步测试结果表明：电容器C选择范围在0.01~1.0mF，负载电阻在5~20kW，较为合适。

同理，若把力敏Z-元件（连同辅助电容器C）与负载电阻RL互换位置，其输出频率仍与力载荷成比例，波形虽为锯齿波，但与图9﹙a﹚完全不同，如图9(b)所示。

4．力敏Z-元件的机械结构与施力方式

力敏Z-元件芯片体积很小，施加外力载荷时，必须通过某种弹性体作为依托。当力载荷作用于弹性体时，使芯片内部产生内应力，此内应力可改变力敏Z-元件的工作状态（从低阻态到高阻态，或者从高阻态到低阻态），从而使输出端产生开关量输出或脉冲频率输出。作为弹性体可以采用条形或园形膜片，材质可以是磷铜、合金钢或其它弹性材料。无论采用哪种弹性体，力敏Z-元件的受力方式目前理论上可归结为两种基本结构：即悬臂式结构和简支式结构，其示意图如图10所示。为便于研究力敏Z-元件受力后的应力应变特征，结构放大示意如图11所示。

如前所述，Z-元件在外加电场作用下，在N区可产生“导电管道”，该导电管道在外部激励作用下，可产生“管道调变效应[2]，由图11可知，对力敏Z-元件来说，其p区很薄，N区相对较厚，焊接层的厚度可忽略不计，因而，在力载荷作用下的管道调变效应必将发生在N区。当力载荷作为一种外部激励作用于弹性体时，使弹性体产生一定的挠度，在半导体晶格内部产生内应力，导电管道受到力调变作用，使N区电阻发生变化，改变了力敏Z-元件的伏安特性，使阈值点p产生偏移，阈值电压Vth将发生变化。

实验表明，由于封装结构和受力方式的不同，可产生如图12和图13所示两种方式的应力应变。若静态工作点Q设置在M3区，施加的力载荷使N区产生“压”应力，N区晶格被压缩，导电管道变“细”，正偏使用时电阻值将增加，因伏安特性的改变使阈值点p右移，Vth增加。当力载荷F增加到某一特定阈值Fth时，阈值点p向右移至负载线的右侧，力敏Z-元件将从低阻M3区跳变到高阻M1区，如图12所示。

同理，若静态工作点Q设置在M1区，施加的力载荷使N区产生“拉”应力，N区晶格被拉伸，导电管道变“粗”，正偏使用时电阻值将减小，因伏安特性的变化使阈值点p左移，Vth减小。当力载荷F增加到某一特定阈值Fth时，阈值点p左移至负载线上，力敏Z-元件将从高阻M1区跳变到低阻M3区，如图13所示。

上述分析可知，力敏Z-元件在不同封装结构和不同受力方式下，可产生工作状态的转换，可按设计需要输出不同的跳变信号，可用作力敏开关、力报警器或力控制器。在实际应用中，可通过电源电压E或负载电阻RL来设定力载荷的阈值Fth，但由于跳变阈值与力敏Z-元件的制造工艺、芯片尺寸、封装结构、弹性体材质与厚度、受力点的位置等诸多因素有关，许多问题尚需进一步研究与探讨。

力敏Z-元件具有M2区的负阻特性，并具有两个稳定的工作状态是脉冲频率输出的基础。借助辅助电容器C，按图7(b)所示电路，通过RC的充放电作用，可实现力敏Z-元件工作状态的周而复始的转换，采用图12﹙a﹚、﹙b﹚或图13﹙a﹚、﹙b﹚的结构和受力方式，都可输出脉冲频率信号，输出频率与力载荷成比例，其输出波形如图9(a)或图9(b)所示，分析从略。

作为设计实例，力敏Z-元件样件1#与样件2#，经加载与卸载实验，其脉冲频率输出的测试结果如下，供分析研究参考： 力敏Z-元件特征参数: Vth=10V, Ith=1mA, Vf=4.5V(测试条件: T=25℃, RL=5kW)

芯片尺寸：2′5′0.3mm，采用简支式结构，两支点距离为10mm；中间受力，应力应变方式为N区受压应力；条状p铜弹性体，厚度为0.2mm；试验环境温度为25.4℃。测试数据如表2所示。，样件2#﹙加载﹚所测数据，经计算机绘图可得回归线如图14所示。由于封装结构尚未定型测试数据有一定误差，但初步实验表明，在这种施力方式下，输出频率f与力载荷成正比，在一定施力范围内近似呈线性关系，且回差较小。随力载荷量程加大，非线性度要增加。回归处理后，力的平均频率灵敏度SF为：

Hz/g

约每10g 改变1Hz。力灵敏度和回差是力敏Z-元件的重要技术指标。需要指出的是：灵敏度和回差与力敏Z-元件的特征参数、形状与尺寸、弹性体材质与厚度、封装结构以及受力方式等诸多因素有关。许多问题也需进一步研究与探讨。需按用户需求进行结构定型与标准化生产。

四、新型V/F转换器

1．概述

目前正在研制或在线使用的各种传统传感器，因只能输出模拟电压或模拟电流信号，应称为模拟传感器。模拟传感器是模拟仪表或模拟信讯时代的产物，主要缺点是输出幅值小，灵敏度低，不能与数字计算机直接通讯。人类进入数字信息化时代后，以数字技术支撑的数字计算机已十分普及，现代数字计算机要求处理数字信号，而模拟传感器因受材料、器件的限制，仍只能输出低幅值的模拟信号，不能与计算机直接通讯，已成为制约信息产业发展的瓶颈问题。为了使模拟传感器能与计算机实现通讯，目前是采取把输出信号进行放大再加以A/D转换，即把现行的模拟传感器加以数字化的方法来与数字计算机相适应。虽然在信息采集与处理过程中电路复杂，硬件成本增加，但由于目前能直接输出数字信号的数字传感器为数不多，这种模拟传感器数字化的方法仍发挥着巨大的作用。

本部分利用Z-元件构成一种新型的V/F转换器，它能把模拟传感器输出的电压信号变成能被数字计算机识别的频率信号，提供了一种模拟传感器数字化的新方法。该方法与采用A/D转换器方案相比，具有电路简单、成本低、体积小、输出幅值大、灵敏度高、输出线性度好、能与计算机直接通讯等一系列优点，可做为模拟传感器与计算机之间的重要接口，在信息产业中具有广泛的应用前景。

2．电路组成与工作原理

Z-元件是一种新型的半导体开关元件，当其两端电压达到一定阈值(即阈值电压Vth)时，可从高阻状态跳变到低阻状态；而当其两端电压小于一定阈值(即导通电压Vf)时，又可从低阻状态跳变到高阻状态。利用这一特性可方便地开发V/F转换器。

由Z-元件构成的V/F转换器如图15(a)所示，图15(b)为其中Z-元件的电路符号。在图15(a)所示电路中以电压E为输入，由于RL、C和Z-元件之间的充、放电作用，使电路始终处于自激振荡状态，其振荡频率f与输入电压E成正比，波形为锯齿波，其输出幅值可以很大，由选定的Z-元件参数而定。实现了模拟信号(电压E)到数字信号(频率f)的转换，可用于数字系统的触发。由于输出幅值大，它不需放大就可实现与计算机的直接通讯。

3．V/F转换器的传输特性

当基准温度TS=20℃时，输入电压E与输出频率f之间的传输特性如图16所示。由图16可知该传输特性具有良好的线性关系，其中Emin~Emax(相应于MN区间)是工作电压的极限范围，AB区间为可靠的工作量程范围，它决定于模拟传感器的输出和V/F转换电路的参数设计。

由于Z-元件是半导体开关元件，构成V/F转换器时，对温度也具有一定的灵敏度，即温度漂移。该温度漂移具有正温度系数，一般小于10Hz∕°C，当环境温度变化较大时，将引起检测误差。

如果该误差在允许范围内，可不做温度补偿。如果要求检测精度较高，特别是在高精度计量使用时，应考虑温度补偿技术。

由温漂引起的相对误差与输出频率范围(即量程)有关。若输出频率较高，相对误差较小，若输出频率较低，则相对误差较大。如果假定环境温度有±10℃的变化，引起输出频率变化的绝对误差为Df=100Hz，按全量程输出频率的平均值为f=2000Hz设计，这时由温漂引起的相对误差d=±0.5%/℃，可满足一般计量精度要求。为进一步提高计量精度，必须采取温度补偿技术[4]。

参考文献：

[1].傅云鹏等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(1)Z-元件及其应用开发综述，传感器世界，2001．2

[2].周长恩等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(2)Z-元件的研制实践与工作机理的定性分析，传感器世界，2001．4

[3].王健林等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(3)温敏Z-元件及其应用，传感器世界，2001．6

[4].傅云鹏等，Z-半导体敏感元件原理与应用-(5)Z-元件的温度补偿技术，传感器世界，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

来源莲山

课 件 w w w.5y K J.Co m 5

第四篇：论文题目多自由度非线性机械系统的全局分叉和混沌动力学研究

论文题目：多自由度非线性机械系统的全局分叉和混沌动力学研究 作者简介：姚明辉，女，1971年11月出生，2002年09月师从于北京工业大学张伟教授，于2006年06月获博士学位。

中

文

摘要

在机械系统中，有许多问题的数学模型和动力学方程都可用高维非线性系统来描述，对于高维非线性动力系统来说，其研究难度比低维非线性动力系统要大得多，不仅理论方法上有困难，几何描述和数值计算都有困难。目前研究高维非线性系统的全局分叉和混沌动力学的理论方法还不是很多，国际上处于发展阶段，国内尚处于起步阶段，因此发展处理高维非线性动力学系统的理论研究方法是非常重要和迫切的。在高维非线性动力学的全局分叉和混沌动力学问题中，除了单脉冲混沌运动外，还有多脉冲混沌运动，目前研究多脉冲混沌运动的解析方法主要有两种，即广义Melnikov方法和能量相位法。

本论文改进和推广了Kovacic、Haller和Wiggins等人提出的广义Melnikov方法和能量相位法，利用这两种全局摄动解析方法首次研究了非线性非平面运动悬臂梁、粘弹性传动带非平面运动和面内载荷和横向载荷联合作用下四边简支薄板的多脉冲轨道和Shilnikov型混沌运动。理论研究发现这些系统存在多脉冲混沌运动；利用数值方法模拟、验证了理论分析的结果。论文的研究内容及取得的创新性成果有以下几个方面。

(1)综述了高维非线性系统的分叉和混沌动力学的国内外研究现状；简要介绍了Melnikov方法的发展，高维Melnikov方法的应用，以及广义Melnikov方法的提出和建立；概括了能量相位法的国内外主要研究进展；介绍了研究高维非线性系统的全局分叉和混沌运动的其它方法。总结了能量相位法和广义Melnikov方法的研究进展、成果及存在的不足和有待深入研究的问题。

(2)介绍了由Haller和Wiggins提出的能量相位法；以及由Kovacic等人提出的广义Melnikov方法。由于能量相位法和广义Melnikov方法提出和发展的时间较短，而且一直是独立的两种解析方法，在本论文中，首次详细地研究了两种全局摄动解析方法的区别和联系。

(3)Haller和Wiggins提出的能量相位法在计算能量差分函数时，所引入的变换改变了原来系统的拓扑结构。为了使原来系统的拓扑结构不发生变化，我们改进了能量相位法。利用改进的能量相位法，首次研究了非线性非平面运动悬臂梁、粘弹性传动带和四边简支薄板的全局分叉和混沌动力学，发现这些系统存在多脉冲混沌运动。

(4)由于广义Melnikov方法在理解、计算和开折条件的证明上，存在很大的难度，因此，一直没有应用到实际工程中分析一些具体的模型。本文首次把广义Melnikov方法推广到实际工程中，利用广义Melnikov方法研究具有实际工程背景的三个高维非线性机械系统，从理论上给出了这些系统产生Shilnikov型混沌运动的必要条件。

(5)首次研究了非线性非平面运动悬臂梁的多脉冲异宿轨道和混沌动力学。在主共振-主参数共振-1:2内共振情形的平均方程的基础上，利用规范形理论进行化简；利用能量相位法，首次从理论上得到了非线性非平面运动悬臂梁产生Shilnikov型混沌的必要条件，发现在这个系统中存在着Shilnikov型混沌运动。数值分析表明非线性非平面运动悬臂梁的平均方程确实存在Shilnikov型多脉冲混沌运动，发现系统的阻尼和激励两个参数对系统出现多脉冲混沌运动影响较大，进一步验证了理论分析的结果，在三维相空间里存在Shilnikov型多脉冲混沌运动轨线。

(6)首次研究了变张力粘弹性传动带非平面运动时多脉冲同宿轨道和混沌动力学。建立了粘弹性传动带非平面运动的偏微分方程，应用Galerkin法和多尺度方法得到主参数共振-1:1内共振情形的平均方程，利用规范形理论化简平均方程；首次利用能量相位法研究粘弹性传动带的多脉冲同宿轨道和混沌动力学，验证Shilnikov多脉冲轨道的存在性。数值模拟了粘弹性传动带的多脉冲同宿轨道的混沌运动，数值计算脉冲个数、区域直径和相位漂移之间的关系，发现随着脉冲个数的增加，Shilnikov型多脉冲轨道的区域直径减小。

(7)首次研究了面内载荷和横向载荷联合作用下四边简支矩形薄板的多脉冲异宿轨道和混沌动力学。在四边简支矩形薄板的运动偏微分方程基础之上，应用Galerkin法和多尺度方法得到主参数共振-基本参数共振-1:2内共振情形的平均方程，利用规范形理论进行化简，首次利用能量相位法研究薄板的Shilnikov型多脉冲异宿轨道和混沌动力学，理论分析发现系统存在多脉冲跳跃而导致的Smale马蹄意义的混沌。数值分析表明四边简支矩形薄板的平均方程存在Shilnikov型多脉冲混沌运动，发现系统的阻尼和激励两个参数对系统出现多脉冲混沌运动影响较大，进一步验证了理论研究的结果，在三维相空间里存在Shilnikov多脉冲混沌运动。

(8)首次利用近可积Hamilton系统的广义Melnikov方法研究悬臂梁的多脉冲同宿轨道和混沌动力学，得到了在共振情况下判断非线性非平面运动悬臂梁产生多脉冲混沌运动的广义Melnikov函数，求解满足开折条件的零点。从理论上给出了这个系统产生Shilnikov型混沌的必要条件。数值模拟了非线性非平面运动悬臂梁的多脉冲混沌运动。

(9)利用近可积Hamilton系统的广义Melnikov方法首次研究了粘弹性传动带空间运动和面内载荷与横向载荷联合作用下四边简支矩形薄板的多脉冲异宿轨道和混沌动力学。得到了在共振情况下判断这些系统产生多脉冲混沌运动的广义Melnikov函数，求解满足开折条件的零点，从理论上给出了这些系统产生Shilnikov型混沌的必要条件。理论分析发现这些系统存在多脉冲跳跃而导致的Smale马蹄意义的混沌。数值结果说明了理论结果的正确性，并且发现一些参数和初始条件对于这些系统产生多脉冲混沌运动有着较大的影响。

(10)用数值方法研究了一个二自由度机械系统的多脉冲混沌运动，发现了一种新的多脉冲混沌吸引子。

能量相位法和广义Melnikov方法提出和发展的时间较短，理论体系较新而复杂，能量相位法是从多脉冲跳跃轨道的能量耗散方面来研究多脉冲混沌运动，而广义Melnikov方法则是从多脉冲奇异横截面中的稳定流形和不稳定流形来研究多脉冲混沌运动。研究表明，这两种方法分别只研究了多脉冲轨道的一个方面，如果能够把两者结合起来研究多脉冲混沌运动，则其结论将更加完整。

本论文的创新点有以下几个方面。

(1)首次利用能量相位法和广义Melnikov方法研究了非线性非平面运动悬臂梁、粘弹性传动带非平面运动和面内载荷与横向载荷联合作用下四边简支薄板的多脉冲轨道和Shilnikov型混沌运动，发现在三个机械系统中存在着Shilnikov型混沌运动。

(2)Haller与Wiggins利用能量相位法计算能量差分函数时，他们所引入的变换改变了原系统的拓扑结构。为了使原系统的拓扑结构不发生变化，我们改进了能量相位法。

(3)由于广义Melnikov方法在理解、计算和开折条件的证明上，存在很大的难度，因此，一直未应用于实际工程系统。本文首次把广义Melnikov方法应用于三个机械系统，从理论上给出了这些系统产生Shilnikov型混沌运动的必要条件。

(4)用数值方法研究了一个二自由度非线性机械系统，在这个系统中发现了一种新的多脉冲混沌吸引子。

本论文利用能量相位法和广义Melnikov方法研究了非线性非平面运动悬臂梁、粘弹性传动带非平面运动和面内载荷与横向载荷联合作用下四边简支矩形薄板的多脉冲轨道和混沌动力学。通过本文的研究，发现能量相位法和广义Melnikov方法有一些有待于进一步改进和完善的方面。下述几个问题值得进一步的研究。

(1)如何把能量相位法和广义Melnikov方法推广到高维非自治系统和高于四维的更高维非线性系统。

(2)利用能量相位法分析非线性系统的多脉冲轨道和混沌动力学的关键在于定义耗散因子，而耗散因子是阻尼与外激励的比值。目前，能量相位法只能用来分析单阻尼、单激励单耗散因子的系统，如何把能量相位法扩展到多阻尼、多激励多耗散因子的系统，有待进一步的研究。

(3)能量相位法和广义Melnikov方法理论体系比较复杂，不利于工程科学家用来解决工程实际问题。如何进一步改进和简化这两种方法，提出新的多脉冲轨道和混沌动力学的判定准则，使这两种全局摄动方法更好地应用于工程实际问题。

关键词：

广义Melnikov方法，能量相位法，Shilnikov型多脉冲轨道，全局分叉，混沌动力学，规范形，悬臂梁，粘弹性传动带，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