一种新的精密角加速度计

角加速度计是用来测定载体运动角姿态和角位置参数的传感器。本文介绍一种最新研制的以液浮伺服飞轮为敏感元件的角加速度计,具有精度高、可靠性好、抗干扰能力强、成本低的特点。本文叙述了该角加速度计的设计方案、工作原理、试验结果及应用前景。     

基于微通道构型的微流体流动控制研究

微通道不仅仅是作为流体流动的单元, 更是进行流体控制的工具,微通道自身特性和特征用在实现微流体的驱动、进样、混合、分离以及液滴的产生、控制等方面已经表现出了良好的效果.由于微通道中比表面积非常大, 表面效应极大影响流体流动,近年来多数研究集中在应用表面效应来实现微流体驱动与控制,而以利用微通道结构特征实现流体流动控制为目标的研究成果相对较少.为了提高对通道构型作用的认识,主要介绍了基于微通道构型的无可动部件的流体微阀和基于微通道构型微小液滴的产生及流动控制器两个方面的发展情况,表明微通道构型在微流体控制中同样可以发挥重要作用,甚至有望带来微流控技术的突破.      

基于压力相移辅助的超流体陀螺

超流体陀螺是新一代惯性传感器,面临的关键问题是:在幅值锁定控制系统中,热相移的注入存在较大延时,引起其动态测量性能急剧下降。为此,在研究了超流体压力相移产生原理的基础上,提出采用静电力产生压力差的方法,并根据超流体的理论,构建了压力相移的数学模型。为解算角速度,提出了基于压力相移辅助的算法,锁定了超流体相移。仿真结果表明,基于该方法,超流体陀螺测量角加速度变化的信号时,测量误差减小了约一个数量级。因此,超流体陀螺的动态性能得到了很大改善,测量精度有了显著提高。     

两相混合流体的非线性本构理论

本文从连续介质力学的基本原理出发,建立了微极流体与经典流体两相流动的非线性扩散理论。给出了混合流体本构方程的一般形式。对单相流体、单相微极流体及稀悬浮体三种特殊情形,得到了具体形式的二阶非线性本构方程,并同已有的理论进行了比较。     

双输入轴微机械陀螺仪的研究与进展

微机械陀螺仪是微机电系统（MEMS）研究的重要内容。双输入轴微机械陀螺仪可最大限度地发挥微结构的固有功能并实现最低成本。本综合了国内外在这方面的主要研究报道，概述各自的结构、工艺、测试和性能特点，以展示双输入轴微机械陀螺仪的发展历史与研究现状。     

微流体驱动与控制技术研究进展

随着微流体系统,尤其是生物芯片和缩微芯片实验室(lab-on-a-chip)技术的发展,微米乃至纳米尺度构件中流体的驱动与控制技术越来越引起人们的注意.由于微流体流动的影响因素众多,它的驱动和控制技术,与宏观流体相比,更为复杂和多样化.本文首先结合流体的驱动和控制技术,并着眼于微观与宏观的不同,对微流体的流动特性进行了分析,然后对目前微流体驱动与控制技术的研究进展进行了总结,对各种微流体的驱动和控制技术进行了对比,并对他们各自的优缺点进行了分析和讨论.      

基于小型电磁动力驱动器的微流道混合控制研究

对于许多微流体应用系统来说,流体的混合是至关重要的.本文研究了基于电磁流体动力混合器的微流道主动混合控制方法,建立了该微流道混合系统的理论模型并进行了数值模拟.在交变Lorentz驱动下,流经混合器流道的流体及其分界面在混合器流道内往复运动,流体界面的反复折叠与流体局部流动使流体混合,流体的横向往复运动使流体分界面反复折叠从而使流体间的接触面积大大增加.对流体混合过程进行了讨论并给出了漉体混合程度评价方法.     

微型矩形凹槽的长方体通道的减阻和传热特性

在长方体通道底面沿展向方向间隔设置了微型矩形凹槽，凹槽的深度与边界层尺度相当。采用大涡模拟方法对长方体通道内的流动及传热特性进行研究。数值计算结果表明：在长方体通道内设置的微矩形凹槽可以诱导“突出效应”及二次涡，二次涡的作用类似于微型空气滚动轴承，因而可减小流阻，并使传热性能略有提高。研究表明：微凹槽导致了速度滑移，从而有效降低了通道底部附近流体速度梯度；造成低速条纹变宽，使高低速流体的混合受到抑制。微凹槽内产生的二次涡增加了黏性底层的厚度，且二次涡与微凹槽上方流体之间的滚动摩擦代替了壁面与流体之间的滑动摩擦。与没有布置微型矩形凹槽的长方体通道相比，布置微凹槽的长方体通道可在不影响传热效果的前提下达到6%以上的减阻率。     

黏度对流固界面滑移影响的试验研究

为了研究微纳米间隙下固液界面间流体的流动及输运特性,本文改进了商用的原子力显微镜,并利用其对微纳米间隙下固液界面的边界滑移现象进行了试验研究,重点考察了流体黏度对边界滑移的影响.固体壁面样品采用Si(100)表面,试验液体采用不同黏度的去离子水和蔗糖溶液.结果表明,Si(100)表面与去离子水和蔗糖溶液作用会发生边界滑移,而且随着溶液黏度的升高,滑移长度也随之升高,表现了边界滑移与流体黏度的相关性.所得结果对于微流体输运与控制有重要的理论意义与实际价值.     

微纳米结构壁面对流场及动压润滑的影响研究

固体边界具有的微纳米结构将影响流体在近壁面处的流动行为,进而由于尺度效应改变流体在整个微间隙的流动或润滑规律.将壁面可渗透微纳米结构等效为多孔介质薄膜,采用Brinkman方程来描述流体在近壁面边界渗透层内的流动,并将其与自由流动区域的不可压缩流体Navier-Stokes控制方程耦合,在界面处的连续边界条件下求解和分析了速度分布规律和压力变化规律.针对恒定法向承载力的油膜润滑条件,进一步讨论了静止表面或运动表面的微纳米结构对近壁面流动行为的影响;并揭示了考虑壁面微纳米结构的流体动压润滑的油膜厚度和摩擦系数的变化规律.论文结果为具有可渗透微结构表面的微间隙流动与润滑提供了理论参考.     

Geometric methods in determining rigid-body dynamics

This research develops a measurement system using linear accelerometers to determine the three-dimensional, six degrees of freedom, impact response of an anthropomorphic test device (dummy). A procedure using spherical geometric analysis (SGA) was developed. It uses three triaxial accelerometer clusters for determining angular velocity, angular acceleration, and linear acceleration. SGA differs in its calculation of angular velocity from other procedures which determine rigid-body motion. Unlike procedures which use linear accelerometers to determine angular velocity by integration of angular acceleration, SGA uses the topology of the sphere to obtain both angular acceleration and angular velocity through algebraic manipulation of the output from the linear accelerations. The validation of SGA is accomplished by the use of hypothetical as well as experimental data.     

Rigid-body pose and twist estimation using an accelerometer array

Summary A novel technique for the determination of the pose and the twist of rigid bodies using point-acceleration data is proposed. These data are collected from an accelerometer array, which is a kinematically redundant set of triaxial accelerometers. Because orientational error in the installation of the accelerometers can be fatal to the accuracy of the results, a calibration procedure based on the consistency of the point accelerations is outlined. The formulation developed is then utilized in the simulation analysis of two sample motions. The relations required to estimate the pose and the twist are derived in a body-fixed frame. The body angular acceleration and angular velocity, in this order, are determined directly from the acceleration data; the body attitude is then computed through integration.This research work was supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, under Research Grants OGP0004532 and OGP0000967.     

两位置法快速测定近钻头惯性测量模块的温漂模型

近钻头惯性测量模块(Near-bit Inertial Measurement,NIM)用于石油钻井中实时测量导向外套的姿态角,是导向钻进闭环控制中的重要组成部分。它采用三轴加速度计组合测量重力加速度实现姿态角测量。为了提高加速度计在工作温度范围内的测量精度,需对其进行温漂模型标定。针对三轴加速度计组合的传统12位置翻滚温度模型测定方法存在耗时长、操作效率低的局限性,提出一种新的加速度计三轴组合温度模型标定方法——两位置法,并通过实验验证了温度补偿的效果。在10℃~150℃的温度范围内,补偿后加速度的测量精度达5×10~(-4)g,完全满足NIM测量姿态角的要求。     

一种冲击加速度计校准新方法

冲击加速度计校准的传统方法有绝对法、相对法和比较法。综合相对法和比较法的优点,提出了一种校准冲击加速度计的新方法类比法。其标准加速度传感器可采用绝对法直接溯源到国家基准,并在同条件冲击作用下通过标准加速度传感器和被校加速度传感器互换,根据冲击力或动应变测量结果对被校加速度传感器幅值灵敏度、线性度与频率响应等技术参数进行校准,从而弱化了冲击力或动应变测量结果对冲击加速度校准的影响,测量准确度高。     

陀螺寻北仪中测量信号的在线建模与滤波

针对光纤陀螺寻北仪中光纤陀螺(FOG)和加速度计的随机误差,采用改进型二阶自回归AR(2)模型,在线建立了光纤陀螺和加速度计随机误差模型。根据该模型,建立了FOG陀螺寻北仪的12阶Kalman滤波器,实现了两个FOG和两个加速度计测量信号在寻北过程中的实时滤波。仿真、Allan方差分析与寻北试验结果表明:FOG信号中随机游走、零偏不稳定性、变化率随机游走、变化率斜坡和量化噪声五项噪声源误差系数都小于滤波前的二分之一;在减小光纤陀螺和加速度计测量信号中的随机误差,提高其精度的同时,FOG寻北仪的寻北误差减小了0.3 mil。     

空间稳定系统加速度计在线标校

三轴加速度计是惯性导航系统的核心元件之一,其误差对导航精度具有重要影响。提出一种适用于空间稳定系统的加速度计在线标校方法。在三轴加速度计十二系数误差模型基础上,推导比力的模误差与加速度计误差系数之间的关系式。设计一个五维静态Kalman滤波器进行加速度计组合误差系数的在线标定,并讨论了加速度计组合误差的补偿方法。计算机仿真和多组试验结果表明:采用所提方法,空间稳定系统加速度计误差的标校精度达到1×10-5g量级,所用加速度计的长期稳定性优于1.5×10-5g,对实现高精度导航具有实用价值。     

梳齿式微机械加速度计静态模型的辨识

讨论了一种梳齿式微机械加速度计的静态模型。从加的静态输入入手，求得加速度计平衡的输出关系式，还讨论了敏感输入轴垂直的横向加速度输入分量对输出的影响。在理论分析的基础上，根据离心机试验结果求得加速度计的静态模型。     

基于MEMS加速度计的无陀螺惯导系统

由于MEMS陀螺精度低、漂移大,使得MEMS陀螺和加速度计构成的微惯性导航系统(Micro-INS)的精度很低,导航定位误差发散很快,不能满足载体进行导航定位定姿的要求.而相对MEMS陀螺,MEMS加速度计精度较高,据此提出用MEMS加速度计来构成的无陀螺微惯性导航系统(Gyro FreeMicroInertial N...     

单陀螺多加速度计捷联惯性导航解算方法

六加速度计无陀螺惯导系统误差随时间发散比较严重。为了有效提高导航系统精度,提出了一种单陀螺仪多加速度计(五加速度计)的捷联惯性导航解算方法。该导航解算方法通过合理配置5个加速度计和1个陀螺仪,可不经积分而直接解算角速度,完全消除了加速度计输出方程中角加速度项的影响,能使在姿态和位置解算时分别减少1次积分,从而有效抑制误差随时间发散。给出了单陀螺多加速度计捷联惯导姿态和位置解算原理的理论推导过程,并对该导航解算方法进行了仿真。在仿真时间为80 s时,与无陀螺惯导相比,该方法的姿态解算和位置解算精度均提高了60%以上。     

闭环硅微加速度计非线性补偿（英文）

为了降低闭环硅微加速度计的非线性,分析了其主要误差源并提出了相应的补偿方法。首先,分析了闭环状态下检测质量块偏离几何中心位置所造成的非线性问题,并确定了电路零位是主要误差源;其次,利用闭环反馈控制进行了非线性的优化分析;最后,提出了非线性补偿的工程调试方法。离心试验结果表明,采用该调试方法可将加速度计的非线性减小一个数量级以上。该结果验证了非线性误差分析和补偿方法的有效性,且适用于同批次加工的其它加速度计。