静电悬浮用开关调制高压放大器的性能优化

受击穿场强限制,静电式仪表采用正弦波高压放大器不能满足过载能力的要求,为此研制出了一种出力系数大的开关调制式方波高压放大器。但在应用中发现,方波高压放大器存在功耗高和对位移测量电路干扰大的缺点。针对这些不足,采用研磨铁心截面、线包分段绕制和在调制信号中加入死区三种措施,显著降低了高压放大器的功耗和谐波干扰。测试表明,高压放大器优化后最大功耗降低了65.5%,而过载能力提高12.8%,同时对位移测量电路的干扰降至与正弦波高压放大器相同的水平。     

直流静电悬浮系统的实验研究

正负对称输出的直流高压放大器和直流高压电源是直流静电悬浮系统的两项关键技术问题,本介绍了我们的这两项研究成果,以及在此基础上构建的直流静电悬浮实验系统和相关实验结果。     

静电悬浮系统的数字控制与实验研究

介绍了一种基于DSP的数字控制器的总体结构及控制器算法的设计。在此基础上构建了三轴静电悬浮系统，并通过仿真和实验讨论了不同采样频率对系统性能的影响。实验结果表明，系统带宽达到750Hz，谐振峰小于3dB，刚度等各项性能均满足静电悬浮系统的指标要求。     

六轴硅微静电加速度计的悬浮回路设计

传统的静电加速度计在空间微弱加速度测量方面可以获得极高的分辨率。提出了一种采用静电悬浮、可实现六轴加速度测量的微静电加速度计。敏感组合件采用玻璃-硅-玻璃三层键合结构、体硅加工工艺;检测质量采用"回"字形结构,以提高加速度计的径向量程和刚度。利用有限元软件分析了大气环境下检验质量的气模阻尼特性,对六自由度静电悬浮回路进行了建模与分析,提出了实现六轴加速度检测的控制方案。给出了静电悬浮回路的仿真结果,评估了六轴加速度计的性能。     

基于静电悬浮转子的硅微陀螺技术

设计了一种转子采用五自由度静电悬浮的微机械陀螺。微陀螺基于玻璃-硅-玻璃键合的三明治结构、环形转子、体硅工艺、电容式位移检测方案;采用公共电极施加高频激励信号,基于隔离网络和频分复用的方法实现检测电极与加力电极的复用以简化陀螺结构;通过有源静电悬浮系统约束环形转子沿五自由度的运动,并提供足够的支承刚度;转子的转速控制基于三相可变电容式电机驱动方式,借助于检测转子与定子旋转电极的电容变化获得转子速度以实现转速闭环控制。目前已加工出基于深反应离子刻蚀工艺的微结构,采用基于DSP的数字控制器实现了环形转子的五自由度稳定悬浮。     

三轴硅微静电加速度计的实验研究

静电加速度计依靠可控静电力将敏感质量无接触地悬浮在电极腔内,在空间微重力环境下通过降低带宽和量程可以实现极高的分辨率.设计了一种采用玻璃硅-玻璃“三明治”结构、环形敏感质量、体硅加工工艺的三轴硅微静电加速度计,对加速度计的力/力矩平衡回路进行了分析.采用基于DSP的数字控制器,实现了环形敏感质量的五自由度稳定悬浮,在大...     

悬浮振子对中耳声传播特性影响的数值研究

为研究悬浮式中耳植入式助听装置中悬浮振子对中耳声传播特性的一些影响,建立了包括绑定悬浮振子的中耳有限元模型. 该模型基于一无任何听力损伤病史的成年志愿者的左耳,利用CT扫描和逆向成型技术建成. 模型的可靠性通过鼓膜及镫骨底板的位移计算结果与国外文献实验测得数据进行对比加以验证. 研究结果表明:悬浮振子的绑定会显著恶化中耳的高频传输特性;振子输出8.9\times10^5N的激振力才能激起100dB声压所对应的激振效果;振子在砧骨长突上的绑定位置离砧镫关节越近,高频段激振效果越好.      

系统压力对含悬浮颗粒油液的影响研究

油液在运行过程中不可避免地会产生颗粒物,影响油液的正常使用,甚至出现设备故障,因而分析含悬浮颗粒油液的动态特征,掌握在不同压力变化条件下油液及颗粒物的变化规律具有重要意义。利用两相流体理论建立了含悬浮颗粒油液的悬浮流动力学模型,通过特征线法进行了数值求解,将数值结果与实验数据比较,具有较好的一致性;根据所建模型,分析了不同系统压力条件下悬浮流中各相的脉动规律。结果表明,流场中各相参数的脉动幅值随着系统压力的增加而增大;管路始端和终端各相参数的脉动时刻分别位于1/4脉动周期(T)的奇数倍和偶数倍处,管路中段各相参数的脉动时刻则位于T/8的奇数倍处;悬浮颗粒速度会受到油液速度拖曳力作用,其变化趋势与油液速度基本一致,颗粒浓度分布与油液压力的变化趋势完全相反。     

惯性导航系统水平误差对静电陀螺监控器的影响

本文通过对监控器的工作原理进行分析，研究了惯导系统水平误差对监控器精度的影响关系，并对它们之间的误差关系进行了分析与仿真。误差分析与仿真表明，要保证监控器的精度优势，必须提高其水平基准精度，１０＂的水平精度是必需的     

扩展腔对方波型微混合器混合性能的影响研究

微混合器凭借节约试剂、混合强度高和易于集成等优点,在材料合成、医药制备和生化检测等领域中具有广泛的应用. 为了进一步提高混合性能,保证混合过程的安全性及生化反应结果的准确性,设计了一种带扩展腔的新型方波型微混合器. 在综合考虑混合强度和压降的前提下,通过实验研究和数值模拟分析了窄缝宽度、窄缝长度和扩展腔高度对微混合器混合性能的影响并得到了不同雷诺数\mathit{Re}条件下的最优结构参数. 与方波型微混合器的混合性能进行比较,发现\mathit{Re}=20时,带扩展腔的方波型微混合器的混合强度更高,其中\mathit{Re}时两者混合强度相差最多,可达12%. 在相同\mathit{Re}下,带扩展腔的方波型微混合器的压降要低于方波型微混合器. 对带扩展腔的方波型微混合器进行内部流场分析,发现扩展腔结构能在流体层流状态的基础上引入涡流,使通道中流体的流动状态发生改变、对流增强,进而混合性能提高.      

用于新型等效原理空间实验检验的静电加速度计设计

等效原理是爱因斯坦广义相对论的基本假设之一,在更高精度上检验等效原理是否成立可以预言新型基本相互作用力。新型等效原理是我国科技工作者提出的一种假设,通过检验两个相同材料但自旋状态不同的宏观物体的自由落体运动来检验等效原理可能存在的破坏。提出了一种面向空间检验新型等效原理的差分静电加速度计设计方案,给出了地面实验用原理样机的结构设计,对结构模态和温度应力进行了有限元仿真;依据支承刚度和量程约束条件,对径向和轴向静电支承控制回路进行了设计和仿真分析;建模分析了高真空下转子静电加转驱动回路的主要性能,仿真结果表明启动过程中达到目标转速(10~4 rpm)的启动时间为36.9 min。     

静电悬浮转子微陀螺微位移数字化电容检测通道设计

微位移检测是实现静电悬浮转子微陀螺闭环起支和稳定悬浮控制的重要前提。针对微陀螺轴向起支和悬浮的检测要求、特点及主要技术指标,设计了完整的电容式微位移检测通道。该通道主要由前置C/V转换、差动放大、四阶压控电压源有源带通滤波、相敏解调、四阶Butterworth低通滤波和16位A/D转换等环节组成,具有激励带宽大、检测精度高及数字化输出等特点。试验表明,检测通道的灵敏度为1.4V/pF,线性度为2.11%,微位移检测分辨力优于10nm,能够满足微陀螺轴向起支和稳定悬浮的检测要求。     

机抖激光陀螺方波驱动方式的谐波分析

针对方波驱动方式下机械抖动激光陀螺抖动幅度控制的问题,对机抖陀螺抖动的稳态幅度和驱动信号的维持时间之间的关系进行了研究。分析了某型机抖激光陀螺抖动机构的工作特性,通过谐波分析法证明了方波驱动波形在驱动效果上可以近似的由其一次谐波来等效进行分析,得出了方波驱动方式下抖动稳态幅度与方波驱动信号维持时间之间满足正弦函数关系的结论。分析了某型机抖激光陀螺实际驱动信号波形,证明了实际情况下上述结论的有效性;通过仿真对文中的结论进行了验证。     

静电悬浮天基超静平台电容式检驱一体化电路设计方法

电容式检驱一体化电路是静电悬浮式天基超静平台的关键技术之一,为实现对大型载荷平台的宽频微振动控制,要求电容式检驱一体化电路具有兼容高频高压反馈驱动的特性。以星载静电悬浮加速度计中的电容式检驱一体化电路为基础,详细推导了检测与驱动对电路输出的传递特性,并基于传递特性的理论分析分别从频域和时域提出两种解耦降噪的设计方法,有效抑制了驱动信号的线性/非线性耦合干扰。实验结果表明,所提方法可使主频为1 kHz、幅值为1 kV的驱动造成的耦合影响低于76.3μV。     

微静电陀螺仪再平衡回路设计

微静电陀螺仪依靠可控的静电力,将高速旋转的陀螺转子稳定地悬浮在高真空的电极腔中心,是一种能实现两自由度角速率测量的新型微机电陀螺。针对大角度、高角速率的捷联式惯性导航系统应用,对陀螺仪再平衡回路进行了设计。讨论了陀螺仪的动力学特性,给出了补偿负刚度特性的方法,采用双频波特图对系统稳定性进行了分析,给出了再平衡回路的性能仿真结果。仿真与分析表明,陀螺仪允许的最大输入角速度为768(°)/s,标度系数为6.44mV/((°)·s-1)。     

静电陀螺监控器锚泊启动方法

静电陀螺监控器在海上应急启动时,要求载体等纬度匀速直线航行,这种条件很难满足.为此,通过分析静电陀螺监控器的启动原理和方法,完成设备在锚泊条件下海上启动试验.试验结果表明,锚泊启动过程中采取适当措施可使静电陀螺监控器在动态条件下完成启动和标定,导航精度接近码头启动的指标要求.这可在系统应急启动情况下降低对舰船航行工况的要求,为静电陀螺监控器在不同航行状态下的海上启动提供借鉴.     

星载静电加速度计加转回路建模与分析

新型等效原理实验通过检验两个相同材料但自旋运动有显著差异的宏观物体的自由落体运动来验证等效原理可能存在的破坏。根据新型等效原理空间实验的科学目标,提出了一种星载差分静电加速度计方案,设计了基于可变电容式电机原理的静电加转回路;在分析了作用于转子上的静电加转力矩、残余气体阻尼及磁场阻尼的基础上,建立了转子加转回路的动力学模型并进行了仿真分析;仿真结果表明,启动过程使转子达到目标转速(10 000 rpm)的启动时间为9.8天。静电加转方法可在电极筒上同时配置加转电极与悬浮电极,结构紧凑,同时避免了传统的异步电机加转产生的电磁干扰。     

静电加速度计悬浮质量块质心偏移量在轨标定

高精度静电加速度计已广泛地应用于航天任务中,用于测量作用于航天器的非引力加速度。如果静电加速度计悬浮质量块的质心与航天器的质心安装有偏差时,重力梯度力、姿态耦合产生的干扰加速度,静电加速度计控制系统引入的干扰加速度等干扰力会夹杂在测量数据中。针对这一问题,研究了航天器小质量特性变化情况下,当静电加速度计处于动态设计良好并进入稳态后,利用静电加速度计、陀螺仪和磁强计作为敏感元件,基于非线性卡尔曼滤波理论的静电加速度计悬浮质量块质心偏移量的在轨标定。仿真结果表明,该方案的精度J向可以达到0．1mm,Y和Z向能达到0．04mm。