基于Faraday效应的光纤陀螺频率特性评估方法

由于角振动台的振动频率有限,无法实现光纤陀螺的高带宽测试。提出了基于Faraday效应的光纤陀螺频率特性评估方法,采用正弦电流激励下的Faraday相位差等效Sagnac相位差,解决了激励信号输出频率有限的问题。根据光纤中的Faraday效应原理,分析了该评估方法与光纤陀螺角振动台测试方法的等效性;搭建了评估系统,使用该评估系统来模拟某型号光纤陀螺的信号处理过程,进行等效评估实验,得到了等效评估的光纤陀螺闭环带宽为9 kHz,实现了高带宽光纤陀螺的频率特性评估测试,为改善光纤陀螺的动态特性提供了有效的验证平台。     

基于等效输入的光纤陀螺带宽自主测试方法

针对光纤陀螺频带测试角震动台输入频率低的问题,通过在光纤陀螺反馈阶梯波上叠加正弦信号用于等效外部输入角速度,对陀螺解调输出信号按照幅值进行判断得到陀螺带宽。分析了输入等效正弦波幅值满足条件;针对正弦信号在相位调制器上调制产生的相位差随频率变化的缺点对相位差幅值进行补偿;提出了利用直接数字合成技术生成正弦波信号和极值搜索算法检测信号幅值的带宽检测方案,利用陀螺自身硬件基础实现自主检测。通过建立数字闭环光纤陀螺模型,利用Simulink进行了仿真分析。结果表明该检测算法能实现陀螺频带宽度的全频率范围测量,不受外部输入信号测试频率限制,能够用于光纤陀螺带宽测试。     

有源再入式光纤陀螺的闭环实现

在实际应用中,陀螺动态范围一般要求在±100rad/s量级。为了达到如此大的动态范围,商用I-FOG普遍采用闭环工作方式。尽管RAI-FOG的精度比I-FOG高,可是动态范围小,因此需要闭环工作以实现大的动态范围。然而,由于RAI-FOG中有源再入式光纤萨格奈特环的光波循环再入干涉累加的过程远比I-FOG的普通光纤萨格奈特环中简单的双向光波干涉过程复杂,迄今为止,如何实现RAI-FOG的闭环工作仍是尚待解决的关键问题。本文研究了RAI-FOG的闭环原理和论证了利用方波调制阶梯波反馈方案实现有源再入式光纤陀螺闭环工作的可行性。设计、制作并调试成功了实现闭环有源再入式光纤陀螺的数字电路,建立了光纤环长为200m的闭环有源再入式光纤陀螺的实验系统。并利用闭环有源再入式光纤陀螺实验系统实现了0.67°/h的传感精度,比相同实验条件下的闭环干涉式光纤陀螺的精度提升了3倍。     

数字闭环光纤陀螺信号处理方法研究

着重对全数字闭环光纤陀螺的信号处理方法进行了详细分析。研究了A／D和D／A转换器对光纤陀螺测试精度的影响,证明了通过数字滤波的方法提高光纤陀螺测试精度的可行性。     

基于增益自补偿的光纤陀螺瞬态噪声抑制方法

在光纤陀螺稳定控制平台应用领域中,光纤陀螺相位滞后及瞬态噪声严重制约着随动控制系统的控制品质。为了提高基于光纤陀螺随动系统的控制效果,研究了基于增益自补偿的光纤陀螺瞬态噪声抑制方法。首先,分析了由于死区补偿带来的光纤陀螺瞬态噪声,在此基础上研究了基于增益自补偿的光纤陀螺瞬态噪声抑制方法,并对该方法进行了理论分析。根据稳定控制平台对相位滞后和瞬态噪声的设定要求,通过一只数字闭环光纤陀螺进行了测试验证,测试结果满足系统对相位滞后和瞬态噪声的指标要求,瞬态噪声峰峰值为0.36(°)/s,并不随增益的变化而变化,验证了增益自补偿方法的有效性。     

基于随机共振的数字闭环光纤陀螺死区现象抑制

为抑制数据闭环光纤陀螺中死区现象引致的非线性性,实验研究了随机共振效应对系统信噪比的影响。实验结果表明,以电阻热噪声作为原始噪声源,配合适当的电路设计,可获得带宽可调、零均值、正态分布的随机噪声;在陀螺闭环反馈环节中的A/D转换器前,引入相应随机噪声,利用二值量化系统的非线性性,基于随机共振效应,可以提高系统信噪比,将陀螺的死区阈值从0.37o/h降至0.15o/h。此外,对于给定的陀螺系统,噪声强度、带宽和采样频率的选择不同,抑制死区现象的效果亦不同。进一步的理论分析表明,该方法可以广泛适用于基于数字闭环结构的微弱信号检测系统。     

基于FPGA的数字闭环光纤陀螺研究

着重对全数字闭环光纤陀螺的信号处理方法进行了详细的分析，指出了闭环控制系数A和K对闭环控制的影响，同时研究了基于FPGA的数字闭环控制系统实现方法以及利用VHDL语言进行FPGA软件设计的优点，并给出了基于FPGA设计的光纤陀螺的实验结果。     

数字闭环光纤陀螺死区机理分析

结合工程实际，对基于集成光学多功能芯片的数字闭环光纤陀螺中的死区机理进行理论分析，并进行了实验验证。相位调制器的模拟驱动电压信号在数字反馈阶梯波复位作用下能产生不同的工作模式，探测器的输出微弱信号因此受到幅值和相位均不同的电子串扰。以方波调制和四态波调制为例，研究了光纤陀螺中电子串扰的作用方式、电子串扰的转换方式和形成死区的过程等问题。在上述基础上，根据需要设计了专门的可编程的光纤陀螺高速数据采集电路，对死区机理进行了研究试验。最后还从优化陀螺电路印制板设计和优化信号调制解调算法等方面进行阐述，以解决数字闭环光纤陀螺死区问题。     

陀螺加速度计高速闭环动态测角系统设计

从运载火箭惯性导航系统的核心仪表-陀螺加速度计对测角系统的技术要求出发,设计一种新型的陀螺加速度计高速闭环动态测角系统。它选择变磁阻多级旋转变压器进行角位置测量,并采用两相绕组激磁、一相绕组输出的脉冲调宽型鉴幅的运行方式;在分析其工作原理的基础上,从放大器、控制器、数字函数发生器、输出接口四个方面给出了测角系统的具体设计方法,最后进行了误差测试与跟踪转速测试验证。实测结果表明,采用传感器误差为1.5′的测角系统,分辨率为0.84375′,综合误差约为2.5′,最大跟踪转速为538(°)/s。该系统满足使用要求,设计方案有效可行。     

基于空间应用环境的光纤陀螺可靠性分析

根据光纤陀螺应用于空间应具有长寿命高可靠性的要求,对空间应用环境进行了分析,结合空间应用的环境,采用故障树分析的方法对数字闭环干涉式光纤陀螺进行了可靠性分析.根据可靠性分析的结果,找出了光纤陀螺的薄弱环节,并对重要且出现故障概率大的器件如光源和光纤环的故障机理进行了分析,提出了改进设计措施,并已应用在光纤陀螺产品的设计中.     

基于不对称方波调制的光纤陀螺本征频率测试方法

针对工程化过程中本征频率测试不方便的问题,提出了一种新的解决方法。从光纤陀螺本征频率的测试机理出发,采用不对称方波对Y波导进行调制,分析解调信号,得到相邻脉冲宽度差值的绝对值与调制频率的关系,将本征频率的测试转化为极值搜索问题,提出了结合直接数字合成技术和极值搜索算法的设计方案。方案通过Matlab仿真进行验证,结果表明,该测试方法的测试精度可达0.1kHz。与传统测量方式相比,基于不对称方波调制的测试方法可以实现光纤陀螺本征频率的自动测试,测试精度高、速度快。     

小尺寸数字闭环光纤陀螺信号处理电路

数字闭环光纤陀螺信号处理电路通常由分立的器件构成,其体积较大,限制了光纤陀螺的体积。为了缩小光纤陀螺的体积。设计了一种通用型小尺寸数字闭环光纤陀螺信号处理电路,该电路采用一体化陶瓷外壳,不需要使用基板,通过系统级封装(SIP)的方式,把国产的前级放大器、数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、后级放大器以及串口收发器的裸芯片封装在外壳里,电路体积仅为14.6mm?14.6mm?2.5 mm,与采用分立的器件相比,光纤陀螺体积缩小了四分之一。电路可以实现光纤陀螺信号的采集以及调制波形的输出,实验结果表明,电路可以实现0.01(°)/h的光纤陀螺精度。     

闭环光纤陀螺的输出误差特性研究

针对工程实际的需要，通过对闭环光纤陀螺模型参数的对比研究，分析了闭环光纤陀螺零偏稳定性的变化，并利用Allan方差具体分析了闭环光纤陀螺的输出误差特性中的角随机游走、零偏不稳定性、速率漂移斜波等的变化，从中找出规律性的关系。     

基于光纤环安装方式的光纤陀螺振动误差抑制方法

随着光纤陀螺的实用化,发现载体振动会引起光纤陀螺尤其是高精度光纤陀螺的测量误差增大,对光纤陀螺的性能指标造成不可忽视的影响。对干涉式数字闭环光纤陀螺,从弹光效应出发,分析了振动对光纤陀螺光路的影响机理,得出了振动影响下光纤环中反向传播的光信号非互易相移误差信号的表现形式,并针对此提出了通过合理安装光纤环,使光路满足互异性,来抑制振动情况下光纤陀螺输出信号噪声和漂移。实验结果表明,该方案有效降低光纤陀螺输出信号的噪声,抑制了由振动引起的陀螺漂移,使得陀螺振动误差减小了一个数量级。     

压电套筒式拉压双向受力主动杆件设计及测试

压电堆具有体积小、频响快、能耗低以及集传感与驱动于一体等优点。结合二次驱动机械设计原理,开发了适应于结构振动控制的压电套筒式拉压双向受力主动杆件。本文介绍了主动杆件的设计方法及构成部件,并给出了详细的工作原理图,阐述了主动杆件为充分发挥压电堆良好受压性能而将拉力转化为压力的传力途径,并运用Hamilton原理,对主动杆件进行了有限元建模。通过对压电堆的性能测试,得到了压电堆的电压-位移输出关系以及动态性能曲线;通过对压电主动杆件的动力性能测试,得出压电主动杆件适宜于在20Hz～50Hz频段范围内工作;由驱动性能测试,得到了主动杆件的增益函数。本文结论可为进行结构抗振提供设计参考。     

Characterization of piezo-film sensors for direct vibration and impact measurements

Piezo-film sensors were employed in determining the dynamic response of [(0 deg/90 deg)₄]_s s-glass/epoxy laminates and 2024 aluminum specimens. Simple beam- and plate-type sensor equations were derived based on classical plate theory incorporating the linear piezoelastic constitutive relationship. A series of vibration and impact tests were conducted for the determination of structural dynamic response. Piezo-film sensors, with a thickness and area of 110 μm and 1×1 cm², respectively, were connected directly to a voltage measurement device in these tests. The first three bending frequencies of the glass-fiber-reinforced plastic (GFRP) cantilever specimen were examined. Experimental results and those simulated by the MARC finite-element code were found to be in good agreement, with the difference between the two being less than five percent. At frequencies above 3 kHz, piezo-film transducers are capable of closely detecting structural dynamic response in the absence of charge amplification. At frequencies lower than approximately 3 kHz, however, the voltage measured directly from a piezo-film sensor underestimates structural response. A modified piezo-film sensor equation is thus proposed for lower frequency measurements. Effect of frequency and piezo-film's size on lower frequency attenuation is explicitly formulated based on a simple RC circuit analogy. Drop tests were also performed on clamped [(0 deg/90 deg)₄]_s GFRP laminates and aluminum targets, with nine piezo-film sensors being glued to the specimen's distal surface in order to determine the low-speed impact response. Specimen transient central deflection subjected to impact loading was identified based on test findings and the plate-type piezo-film sensor equation. The results were found to be in good agreement with the numerical solution obtained from the MARC finite-element code.     

一种基于比例反馈控制原理的动载荷时域反演方法

通过借鉴系统控制论中的比例反馈控制原理,提出了一种新的结构动载荷时域反演方法.该方法在原开环系统的输出与结构模型之间连接一个虚拟的比例反馈增益,使得原来的开环系统成为一个虚拟的闭环反馈控制系统,系统控制信号为实测的结构加速度响应.反馈控制器将系统输出与控制信号之闻的差值进行放大后作为反馈不断输入到结构模型中,直到差值趋于稳定,此时该差值与反馈增益的乘积经过高通滤波后即得到所反演的动态载荷.该方法将载荷反演问题的求解转化为正问题中的结构瞬态响应求解,采用一般的数值解法如New-mark法即可实现,因此计算比较简便迅速.该方法仅需要测量结构的加速度响应即可进行反演,便于实际应用,而且并不十分依赖于真实的初始条件,由于不存在误差累积的现象,反演结果具有较好的稳定性.最后,通过海洋平台结构冰载荷反演的模型实验和数值仿真证明了该方法的有效性.     

The application of interferometric techniques to the nondestructive inspection of fiber-reinforced materials

A method for increasing the sensitivity of dynamic materials evaluation (DME) to localized damage in fiber-reinforced composites was examined. To obtain this improved sensitivity, different aspects of DME were examined. These included an increase in the frequency used to evaluate the dynamic properties, utilization of mode-shape information and different procedures for evaluating the experimental data.The extent of the internal damage was determined using measured changes in the dynamic properties of the system (loss factor, dynamic stiffness and mode shape). To obtain the response information at higher frequencies a modalanalysis system was built around the performance characteristics of a laser doppler vibrometer (LDV) and an electronic speckle pattern interferometer (ESPI). These two devices provided complementary information for the determination of the dynamic characteristics of each vibration mode. With this system, damage-induced changes in the dynamic characteristics of composite materials were measured at frequencies up to 10 kHz.The results of this study showed the following. (1) Torsion modes provide the most sensitivity to localized internal damage. (2) The evaluation of higher frequency NDI data requires the ability to correlate the measured loss factor and resonant frequencies with the actual mode shape. (3) The data obtained over the frequency range of the test could be reduced to a series of slopes that provide a sensitive indication of the material condition. (4) The sensitivity of the dynamic method to localized damage is limited by the measurement of the loss factor.     

自适应主动共振吸振器的设计和减振性能研究

为了扩大吸振器的工作频带,减小吸振器的阻尼,最终提高吸振器的减振效果,本文设计了一种自适应主动共振吸振器。文中对几种不同种类吸振器的减振原理、动力学特性等进行了理论分析和比较,集成自调谐吸振器和主动吸振器的优点,完成了一种自适应主动共振吸振器的设计,并提出了一种变步长、双寻优的控制算法。在振动台上测试了吸振器的动力学特性并理论分析了吸振器的移频特性和阻尼特性。在两端固支梁上对吸振器的减振效果进行了实验评估。实验结果显示,相比自调谐吸振器,加入主动力控制后,自适应主动共振吸振器的阻尼比从0.04减小至0.02,减振效果得到了显著的提高。