谐振光学陀螺小型化半导体光源温控模块设计

半导体激光器以其窄线宽、驱动电路简单以及易于集成化等优势被广泛应用于谐振式光学陀螺 系统中。针对谐振光学陀螺小型化需求,设计了半导体激光器热电制冷器（TEC）温控模块。首先在 分析激光器管芯 TEC 模块传递函数特性的基础上,引入 PID 反馈模块,设计并确定合适的反馈参数。 结果表明补偿后闭环系统相位裕量为 76 °,增益裕量为 44.8 dB,具有较好的直流响应和动态性能,并 测得稳定工作时温度波动量小于 0.01℃。最后对激光器输出光学性能进行测试,中心频率漂移在 10 MHz 量级,激光器线宽为 3.1 kHz,结合谐振式光学陀螺的典型参数计算得到谐振腔精细度为 33, 极限灵敏度为 0.14 °/h。满足高性能谐振式光学陀螺中小型化光源的使用需求。     

半导体制冷加风机搅拌的惯导平台温控系统设计与实现

为提高惯导设备的环境温度适应性,提出了一种基于半导体制冷技术的惯导平台温控设计方法,给出了温控系统的结构形式,采用了粗级与精级两级温控措施和加搅拌风机的方法,建立了等效模型并基于有限元分析方法进行了热流场仿真分析,最后温控试验结果表明,在55℃的高温环境下利用半导体制冷技术可以使IMU内部的光纤陀螺周围温度控制在45±0.1℃,验证了此温控设计的合理性和在惯导平台上应用的必要性。     

基于关键器件的光纤陀螺可靠性评估

以可靠性评估技术为基础,采用关键器件法对光纤陀螺工作状态下可靠性指标进行评估。通过对光纤陀螺实施故障模式、影响及危害性分析以及故障树分析,确定光纤陀螺的关键器件为超辐射发光二极管（SLD）光源,结合SLD光源性能退化数据对SLD光源进行可靠性评估,得到SLD光源的可靠度曲线。由关键器件转换法原理可知,曲线即为光纤陀螺工作状态下可靠度曲线。通过与整机法的评估结果进行对比,得出基于关键器件的光纤陀螺可靠性评估是可信的,为光纤陀螺可靠性评估提供了一种切实可行的方法。     

TEC结构的三维非线性瞬态温度场分析

热电制冷器(TEC)以其体积小、作用速度快及无噪音等机械制冷无法替代的优点在航空航天和电子工业等领域得到了越来越广泛的应用。本文根据TEC的导热特点,推导了TEC结构稳态温度场的解析解,建立了其瞬态非线性温度场分析的微分方程。利用伽辽金法导出TEC结构热分析的有限元方程,对非线性热分析的有限元方程进行了求解,得到了TEC的稳态温度场和瞬态响应温度场。算例结果表明,本文提出的TEC结构热分析有限元模型具有较高的精度,能够有效地分析TEC的非线性瞬态温度场。     

连续和重复频率激光对旋转壳体加热效率比较的数值模拟

基于有效利用激光能量的目的,开展了连续和重复频率激光对旋转壳体加热效率的比较研究。在一定条件下,重复频率激光要比连续激光的加热效率高,而且加热效率与重复频率、占空比等有关。数值计算结果表明:以平均功率密度相同为前提,在频率相同条件下,占空比减小,温度上升加快,即加热效率随占空比的减小而增大;在相同占空比条件下,重复频率越低,温度周期变化越明显,振荡峰值越大;当占空比较小时,随着辐照时间增加,重复频率对加热效率影响减小。     

驱动电路一致性对光纤陀螺用SLD光源特性的影响

针对目前同批次驱动电路对同一光源控制效果存在差异的问题,开展器件一致性对光纤陀螺用SLD光源特性影响的研究,找到影响驱动电路一致性的关键部位,并提出解决方案,从而规范驱动电路制作过程。理论分析结果表明:造成温控电路差异的因素由大到小依次是惠斯通桥两臂电阻偏差、热敏电阻与同臂电阻偏差、正/负电源精度、运算放大器输入失调电压,以及积分电路的运放精度;造成恒流源电路差异的因素主要是指示器误差、驱动电流漂移误差和恒流源器件选配误差;通过采取元器件配对、调试、更换高精度器件等措施,可消除或大幅降低上述电路差异。试验结果证明,按照理论规范生产的驱动电路板一致性显著提高,可达到同类进口驱动电路的水平。     

采用半导体光放大器抑制SFS相对强度噪声

相对强度噪声作为光源噪声之一,当光源光功率达到一定程度时,在量级上将取代散粒噪声和热噪声成为光源噪声的主要部分。为解决此问题,作者提出一种采用饱和半导体光放大器抑制相对强度噪声的全新方案。在传统光源结构的基础上,将光源与耦合器之间加入一级半导体光放大器,使光源出光功率达到半导体光放大器深饱和区,从而实现对相对强度噪声的抑制。通过对采用半导体光放大器的光源结构进行相对强度噪声测量发现,在各个频率处相比原有光源结构,均有10 d B/Hz的下降。实验结果表明,采用半导体光放大器的光源方案实现过程简单,可靠性高,在提高光功率的基础上降低了相对强度噪声。     

半导体自循环水冷系统在惯导设备上的应用

随着用户对惯导设备温度环境适应范围的要求越来越高,对惯导设备温控技术水平也提出了更高要求。通过分析明确半导体自循环水冷系统是提升惯导设备温度环境适应能力的强有力手段之一。结合半导体制冷技术、水循环冷却技术以及有限元温度场仿真技术,给出了惯导设备半导体自循环水冷系统的结构方案形式和温度控制方案措施。结合实际惯导设备进行分析计算,验证了半导体自循环水冷系统在55℃的高环境温度下能对惯导设备内部核心部位的温度起到10℃以上的降温作用。     

具有曲率和惯性非线性以及材料内阻的旋转复合材料轴的主共振

旋转复合材料轴作为一类典型的转子动力学系统,在先进直升机和汽车动力驱动系统中有着广阔的应用前景.研究旋转复合材料轴的非线性振动特性具有重要的理论与实用价值.然而,目前有关旋转轴的非线性振动研究仅限于各向同性金属材料轴,很少考虑材料内阻的影响.本文研究具有材料内阻的旋转非线性复合材料轴的主共振.非线性来源于不可伸长复合材料轴的大变形引起的非线性曲率和非线性惯性,材料内阻来源于复合材料的黏弹性.动力学建模计入转动惯量和陀螺效应.基于扩展的Hamilton原理,导出具有偏心激励的旋转复合材料轴的弯-弯耦合非线性振动偏微分方程组.采用Galerkin法将偏微分方程离散化为常微分方程,采用多尺度法对常微分方程进行摄动分析,导出主共振响应的解析表达式.对内阻、外阻、铺层角、长径比、铺层方式和偏心距进行数值分析,研究上述参数对旋转非线性复合材料轴的稳态受迫振动响应行为的影响.研究发现,角铺设复合材料轴的内阻系数随着铺层角的增大而增大;内阻对主共振响应特性的影响主要体现在对抑制振幅和改变频率响应的稳定性方面;发生在正进动固有频率附近的主共振响应具有典型的硬弹簧非线性特性.本文提出的模型能够用于描述旋转复合材料轴的主共振特性,是对不可伸长旋转金属轴非线性动力学模型的重要推广.     

弹性约束梁参数失稳分析的离散奇异卷积法

针对具有重要的学术价值和工程意义的弹性约束梁在动轴向载荷作用下的参数失稳问题,本文采用离散奇异卷积法对其进行研究。在离散奇异卷积法中,采用正则化的Shannon核进行空间离散,同时采用四阶龙格-库塔法进行时间离散。在采用界面与边界匹配技术处理弹性边界条件后,计算了四种不同弹性约束梁的参数失稳区。研究结果表明:计算结果和采用假定模态法得到的结果基本一致,从而说明了采用离散奇异卷积法求解弹性约束梁的参数失稳问题是可行和有效的;同时采用离散奇异卷积法可以更加准确地处理具有较大轴向力时的结构参数失稳问题。     

光纤陀螺中热电致冷器的热分析

论述了热电致冷器中的热效应，分析了由热效应引起的热流分配，推导了描写热流分配的方程组，建立了管芯与环境温差的数学模型。通过对实际模型的测试并对数据的进行拟合，确定了模型中的待定系数。该模型的建立对温控电路的设计具有重要的指导意义。     

氨燃料吸气式变循环发动机性能分析

针对飞行马赫数0 ~ 10的宽域飞行器对吸气式动力的需求, 提出了一种以氨为燃料和冷却剂的宽域吸气式变循环发动机, 其工作模态可有3种: 涡轮模态、预冷模态和冲压模态. 首先通过对该发动机各模态热力循环过程进行建模, 计算得到发动机比推力、比冲和总效率等性能参数, 初步验证其在马赫数0 ~ 10范围内工作的可行性; 然后, 选取甲烷和正癸烷为低温低密度和煤油类碳氢燃料的典型代表, 对比各模态下氨与碳氢燃料发动机的性能差异. 结果表明, 由于氨突出的当量总热沉和当量热值, 飞行马赫数3 ~ 5的预冷模态发动机性能各指标均优于碳氢燃料. 在涡轮模态和冲压模态下, 氨燃料发动机比冲较低, 但比推力和总效率优于碳氢燃料; 最后, 对比分析各类燃料马赫数0 ~ 10宽域工作特性, 发现氨预冷可以显著提升发动机比推力, 特别在高马赫数范围, 再生冷却通道内氨可发生裂解反应大量吸热并分解为氢气和氮气, 会进一步提升发动机比推力和比冲, 且不会堵塞冷却通道, 因此可胜任飞行马赫数0 ~ 10的宽范围飞行需求. 而煤油类碳氢燃料受限于比推力低和裂解结焦问题, 最高工作马赫数难以超过8. 本文提出的氨燃料吸气式变循环发动机, 当量冷却能力强且比推力高, 适合用于二级入轨飞行器的一级动力、高马赫数宽域吸气式飞行以及未来高超声速民航等场景.      

Unsteady conjugate problem of a dissipative fluid in a horizontal channel with a periodic variation temperature

The unsteady two-dimensional transient heat transfer problem referring to a fully laminar flow developing in a parallel-plane channel exposed to a periodic variation surface temperature with distance is numerically studied. The effects of channel thickness, Péclet number, wall-to-fluid conductivity ratio, thermal diffusivity ratio, angular frequency and the viscous dissipation parameter are determined in the solutions. The non-linear equations are discretized by means an implicit finite difference scheme and the electric analogy to the resulting system is applied to convert these equations into a network-electrical model that was solved using a computer code (electric circuits simulator). In this scheme, only spatial discretization is necessary, while time remains as a real continuous variable, and its programming does not require manipulation of the sophisticated mathematical software that is inherent in other numerical methods. The network simulation method, which satisfies the conservation law for the heat flux variable and the uniqueness law for temperature, also permits the direct visualization of the local and/or integrated transport variables at any point or section of the medium.     

考虑温度效应的索梁面内动力学建模及特性分析

根据增量热场理论,温度变化影响下索梁结构会形成新的热应力平衡状态．因此基于已有的索梁结构非线性动力学模型,结合与斜拉索张拉力和垂度相关的无量纲参数,重新建立考虑温度变化影响下索梁结构面内振动的动力学模型,并推导其面内非线性运动方程．接着开展特征值分析,得到包含温度效应的索梁结构面内振动频率的超越方程及模态振型函数．通过算例研究温度变化对不同刚度比的索梁结构影响,得到其前四阶面内振动的模态频率与温度变化的关系曲线．研究结果表明：面内模态频率受温度变化影响明显,其影响程度与刚度比大小和模态的阶数密切相关,温度变化对低阶模态频率的影响比对高阶模态频率影响更为复杂;升温和降温对索梁结构面内振动特性的影响不对称;此外温度变化会导致频率偏转点的位置发生漂移．     

高温下编织复合材料热相关参数识别方法研究

为了获取高温下编织复合材料的准确弹性参数与热膨胀系数,提出一种基于均匀化理论的热相关参数识别方法. 首先,在编织复合材料单胞有限元模型基础上,基于均匀化理论和热弹性理论,施加周期性位移边界条件和温度边界条件,预测编织复合材 料的热弹性相关参数. 然后,考虑到等效过程中编织复合材料应力分布不均匀等因素引起的误差,将复合材料精细模型的热模态数据作为补 充信息,识别编织复合材料热相关参数,对预测的材料参数进行校准. 本文在二维编织结构单胞模型基础上,开展等效预测和识别方法研 究,验证所提出方法的有效性和准确性. 对比等效和识别后热模态的误差,结果表明:本文提出的基于等效预测的参数识别方法,能够 准确识别高温下编织复合材料宏观热相关参数.      

MHD stagnation point flow of a micropolar fluid towards a heated surface

The problem of two dimensional stagnation point flow of an electrically conducting micropolar fluid impinging normally on a heated surface in the presence of a uniform transverse magnetic field is analyzed. The governing continuity, momentum, angular momentum, and heat equations together with the associated boundary conditions are reduced to dimensionless form using suitable similarity transformations. The reduced self similar non-linear equations are then solved numerically by an algorithm based on the finite difference discretization. The results are further refined by Richardson’s extrapolation. The effects of the magnetic parameter, the micropolar parameters, and the Prandtl number on the flow and temperature fields are predicted in tabular and graphical forms to show the important features of the solution. The study shows that the velocity and thermal boundary layers become thinner as the magnetic parameter is increased. The micropolar fluids display more reduction in shear stress as well as heat transfer rate than that exhibited by Newtonian fluids, which is beneficial in the flow and thermal control of polymeric processing.