磁悬浮飞轮优化设计与实验

针对在轨磁悬浮飞轮转子系统,考虑发射主动段振动工况,提出一种基于灵敏度分析的多学科优化设计方法。通过比较分析内、外锁紧方案对锁紧状态飞轮转子系统共振频率的影响,得到了较优的抱式外锁紧方案。在此基础上,对飞轮转子进行灵敏度分析,并选择高灵敏度结构参数作为优化设计变量。考虑其结构强度、转动惯量、控制性能、自由状态和锁紧状态一阶共振频率,以飞轮转子质量最小为优化目标,利用序列二次规划法对其进行多学科优化设计。优化结果表明,在满足发射振动工况下,飞轮转子极转动惯量与质量的数值比达到最大为0.0070,比初始值0.0064提高了9.4%。该优化方法提高了飞轮转子设计的可靠性和效率,其首次在轨实验成功对我国磁悬浮飞轮空间应用具有重要意义。

加速度计校准技术综述

对线加速度计校准技术的研究进展进行了回顾和评述,包括校准理论、校准方法和相应的校准装置。通过综合研究单一环境参数的加速度计校准技术,阐述了多环境参数的复合环境校准是加速度计校准的主流发展方向,并对国内外加速度计校准技术发展过程中需要解决的关键问题和研究前景做了分析。

钻柱内声传输特性的信道建模与分析

为准确获取钻柱信道内声信号传输特性,基于一维低频纵波传输理论,应用有限差分法和传递矩阵法构建了周期性管结构钻柱信道模型,引入不同接收边界、钻柱长度等实际条件进行了信道瞬态响应仿真,研究了两种建模方法在信道模型求解中的性能,并分析了空间步长对信道模型分析的影响规律。计算结果表明,两种方法均能获得通阻带交替且通带伴有谐振尖峰的梳状滤波器频谱结构;但对于较长钻柱,受网格划分与步长选取影响,有限差分法引入的数值计算误差将产生频散,并导致通带平滑且谐振尖峰数目减少,而传递矩阵法则更适用于较长或具有非周期性结构的复杂钻柱信道频域分析。

基于离心-振动复合系统的加速度模型

复合加速度输入情况下的加速度计校准是多参数复合环境下加速度计计量测试技术的基础.本文将一种由离心机和振动台组成的复合系统引入到加速度计校准领域.离心-振动系统能够复现由恒定值加速度和正弦加速度组成的复合加速度.恒定值加速度最高可达40g,而正弦加速度频率范围是20 Hz^2 000Hz.通过推导建立了基于离心-振动系统的复合加速度模型,研究了线加速度计在复合加速度输入情况下的校准理论.文中还对复合加速度模型进行了分析,对其用于加速度计校准进行了探讨.

钻柱声传输信号多载波调制激励分析

在随钻声遥测技术中,周期性钻柱结构产生的多重回波极易造成严重的码间干扰和较高误码率,为此,根据钻柱信道的多径传输特性,基于短钻杆条件下多载波传输的实验分析,建立了多节钻杆与管箍的周期性信道有限差分模型。考虑地面噪声和信道内多径回波干扰,利用最小均方自适应均衡,基于"4钻杆-3管箍"信道结构进行了多载波调制性能仿真分析。仿真结果表明,与单载波PSK(Phase-Shift-Keying)调制相比,OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)多载波调制可使误码率平均降低约50%;在非周期性结构下其传输性能受信道变化敏感,但相同条件下仍优于PSK调制,且通过子载波相位补偿可有效改善误码率、提高传输性能。

基于PD的半导体激光器温度控制系统设计方法

半导体激光器常用于抽运与检测激光光源用于原子物理实验与量子科学仪器的研究,而半导体激光器的各特性参数,如阈值电流、峰值波长、输出功率、使用寿命等,均与温度相关,因此对其进行温度控制很重要.根据激光器输出功率与温度之间的关系,提出一种基于光电二极管(PD)的激光器温度控制系统,通过激光管内部集成的PD所获得的激光器光功率,进而得出激光器发光芯片温度,与热敏电阻相结合,以半导体制冷芯片为执行器,构成双闭环控制系统,可实现高精度长期稳定激光器温度控制,稳定度优于±5 m K,能够满足原子物理实验与研究对半导体激光器的要求.

基于单神经元PID算法的微小飞轮高精度控制

为了实现微小卫星高精度稳定并满足微小卫星"快、好、省"的原则,针对微小飞轮动态响应慢,经典控制方法系统输出力矩动态性能、稳态精度达不到要求的问题,推导了基于永磁无刷直流电机的微小飞轮动力学模型。通过建立基于单神经元PID的力矩模式控制系统,对该算法进行分析,设计实现了以现场可编程门阵列为控制核心的数字控制方案。采用该方案在微小飞轮工程样机上进行PID与单神经元PID算法的对比实验,结果表明:单神经元PID算法简单易于实现,超调量小,提高了力矩输出精度;该方案实现简单,重量轻,功耗低,集成度高,精度高,满足微小卫星的技术特点。

超导磁悬浮复合材料储能飞轮转子优化设计

为了提高储能飞轮的储能密度,设计了一种金属轮毂和3个复合材料圆环过盈装配的磁悬浮外转子飞轮;采用平面应力方法建立了转子的应力模型,以复合材料圆环的厚度和环间过盈量为优化变量,以储能量为优化目标,在强度约束条件下,通过序列二次规划法对转子进行优化设计,将转子的极限转速从50000r/min提高到57797r/min,储能密度由40W·h/kg升高到53.8W·h/kg,储能量升高34.5%。该研究方法和结果可以为复合材料储能飞轮的设计、制造和优化提供依据。

石墨烯薄膜压力敏感特性的模型仿真研究

针对石墨烯薄膜在高性能微压力传感器设计中的力学行为分析,基于石墨烯薄膜中心挠度的应力-应变关系,构建石墨烯薄膜的压力敏感特性基本模型,并结合ANSYS静力学非线性分析单元,针对所述不同模型对均布压强下不同厚度的石墨烯薄膜的挠度形变特性进行了数值解析与有限元仿真。结果表明,随着均布压强增大,预应力对挠度的影响变小,且基于Beams方程模型的解析解与ANSYS仿真解更吻合,其相对误差约为1%,并可较好地解释不同厚度下石墨烯薄膜的压力敏感特性,为基于石墨烯薄膜的微压力传感器探头设计提供理论模型基础。

基于单个双框架变速控制力矩陀螺的卫星姿态反步控制

研究了利用单个双框架变速控制力矩陀螺(DGVSCMG)实现卫星三轴姿态控制问题;文章建立了基于单个DGVSCMG的卫星姿态动力学模型,在此基础上采用反步法设计控制律,分为姿态环的设计和角速度环的设计,并通过Lyapunov稳定性定理验证了控制算法的稳定性;最后对该控制律进行的数值仿真结果表明,21s后卫星姿态控制精度优于10-2°,姿态稳定度达到10-3°/s量级,验证了文章方法的有效性。

基于光偏振旋转效应的碱金属气室原子极化率测量方法及影响因素分析

利用原子自旋效应能够实现超高灵敏度的惯性和磁场测量。一类操控原子自旋处于无自旋交换弛豫态的器件可以进行物理参数测量。碱金属气室为该类器件的敏感表头。碱金属原子密度与原子极化率是碱金属气室的重要参数,对研究原子自旋处于无自旋交换弛豫态有着重要的作用。光的偏振效应在量子计算和原子物理研究中发挥了重要作用。利用光的偏振效应能够实现对碱金属原子密度与原子极化率的检测。提出一种基于光偏振旋转效应的碱金属原子极化率测量方法。首先对碱金属气室加恒定磁场,利用激光作为检测光,根据光偏振旋转原理,检测通过气室的偏振光的法拉第旋转角,得到碱金属气室原子密度。然后将碱金属原子抽运,利用激光作为检测光,检测通过气室的偏振光的偏转角,得到碱金属原子极化率。该方法在测量原子极化率的过程中也测量了碱金属原子密度,实现利用一套系统测量两个重要参数,具有快速测量和高灵敏度等特点,简化了实验设备及过程。对两种偏转角进行仿真分析,得到该方法实验时检测激光波长变化对偏转角的影响,根据仿真图得到检测激光波长的可取范围,验证了该方法的可行性。最后分析激光器波长波动与磁场波动对其测量精度的影响,提出实验对激光器与磁场的要求。

基于光谱吸收法的碱金属原子配比检测方法研究

碱金属混合物原子配比是超高灵敏惯性测量装置表头的重要参数,需精确测量。针对碱金属配比与碱金属蒸汽密度相关的特点,提出运用光深理论检测碱金属配比。结果表明:受多种因素影响,光深理论得到的碱金属蒸汽密度与饱和蒸汽压经验公式计算的结果相差3个数量级,无法保证碱金属配比的测量精度;改变数据处理方法,建立光谱吸收率与气室内部温度的映射模型,运用光谱吸收率标定碱金属气室内部温度,通过碱金属饱和蒸汽压经验公式计算气室内部碱金属原子的配比,多组数据分析表明:检测误差在10%以内。

基于原子吸收光谱的碱金属气室内多种混合气体压强测量方法

碱金属气室是基于原子无自旋交换碰撞弛豫的超高灵敏惯性和磁场测量装置的核心敏感器件。碱金属气室内气体的含量会对原子的弛豫以及系统其他参数的选取产生很大的影响,因此精密测量气室内混合气体各自的压强具有重要的意义。当气室内存在气体时谱线会出现压力展宽和频移,且压力展宽远大于自然展宽和多普勒展宽,因此仅考虑压力展宽。利用压力展宽、频移的大小与气体压强存在的函数关系,提出一种基于原子吸收光谱的碱金属气室内多种混合气体压强测量方法。通过扫描碱金属原子的吸收光谱,得到光学深度曲线,并用洛伦兹函数对其拟合,测得多种混合气体引起的单种碱金属原子的混叠压力展宽和频移,再根据已知的单种、单位压强气体引起的单种碱金属原子的压力展宽和频移,联立计算得到多种气体各自的压强。当存在n种碱金属时,最多可以测量4n种混合气体的压强。仿真结果表明,该方法适用于入射激光未被原子完全吸收的情况;激光功率和频率的波动在1%~10%的数量级时,测量精度影响低于0.4%的数量级,而温度波动在1%~10%的数量级时,测量精度影响高达30%的数量级。