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超导陀螺仪转子支承系统研究

作　者: 汤继强
导　师: 孙枫
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 超导陀螺仪 转子支承系统 Meissner效应 磁场强度 转子偏移 支承刚度 球形差动电容传感器 有源磁悬浮 偏移控制
分类号: V241.5
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要


超导陀螺仪是利用低温超导体Meissner效应工作的惯性器件,它因精度高、能耗少等优点而极具发展潜力。作为国防科工委“十五”预研项目“高精度超导陀螺仪”的一部分,本课题侧重于超导陀螺仪转子支承系统的基础理论和基础方法研究,研究工作主要集中在以下几方面: 在London方程和Maxwell方程的基础上,运用分离变量法定量分析了静止超导态转子在外磁场中的穿透层深度、磁场分布以及磁性等电磁特性;在London方程电磁场Lorentz变换的基础上研究了旋转超导态转子的电磁性质,指出转子的旋转会使超导体的临界磁场减小,但在外磁场强度低于转子材料临界磁场强度的情况下低温超导体完全排斥磁力线依然成立;确定了超导陀螺仪的转子材料和外磁场强度等技术参数,从而为分析超导陀螺仪转子在球形腔内的支承特性奠定了基础并推导出了超导磁悬浮力和磁悬浮刚度的定量计算表达式和转子的偏移模型,提出了实现陀螺转子超导支承的一些方法,总结出了陀螺转子超导磁悬浮的特点。 为实现陀螺转子的偏移控制并提高转子支承系统的支承刚度,提出了超导陀螺仪有源磁悬浮转子支承方案。按照超导陀螺仪转子支承系统既能克服自激振荡又能克服强迫振荡的原则,提出在转子支承系统中加入位置微分反馈环节以增加系统阻尼,并通过综合不同的转子支承条件的研究结果,提出采用串联滞后.超前校正方案增加系统的相位裕量以改变系统的开环频率特性。经验算,校正后的陀螺转子支承系统的动态特性能满足期望的动态试验指标并给出了所研究的超导陀螺仪转子支承系统的技术指标;研究了转子偏移对陀螺漂移、转子姿态测量以及转子超导态的影响,阐明了转子偏移测试的必要性和偏移控制的重要性。 提出了基于球形差动电容的转子偏移测试方案,推导建立了转子偏移测试数学模型,给出了转子偏移为非微位移量时的转子偏移测试校正方法;设计了转子偏移测量方案并研究各参量间的关系,提出了实现转子零电位的八电极配置方案,对影响转子偏移测量精度的因素进行了理论分析并给出了相应的解决措施或模型适用范围;给出了超导陀螺仪转子偏移控制的实现方式;为了实现转子的位置监控,提出了转子绝对间隙测量方案并指出转子绝对间

全文目录


第1章 绪论  14-31
  1．1 研究超导陀螺仪的目的和意义  14-15
  1．2 超导陀螺仪的分类  15-19
    1．2．1 基于SQUID的陀螺仪  15-18
    1．2．2 基于Meissner效应的超导磁悬浮陀螺仪  18-19
  1．3 超导陀螺仪的发展概况  19-22
    1．3．1 超导磁悬浮陀螺仪的国内外发展状况  19-21
    1．3．2 几种超导陀螺仪的特性比较  21-22
    1．3．3 超导陀螺仪的特点  22
  1．4 超导陀螺仪支承系统的特点  22-27
    1．4．1 静电陀螺仪与超导陀螺仪的转子特性比较  23-24
    1．4．2 超导陀螺仪与静电陀螺仪的转子支承方式比较  24-26
    1．4．3 超导陀螺仪转子支承系统的特点  26-27
  1．5 课题研究的背景、目的和意义  27-29
    1．5．1 课题研究的背景  27-28
    1．5．2 课题研究的目的和意义  28-29
  1．6 论文的主要工作和创新点  29-31
第2章 陀螺转子的超导特性研究  31-55
  2．1 引言  31
  2．2 超导态转子的超导电性分析  31-44
    2．2．1 有关超导体电动力学的理论  31-34
    2．2．2 静止超导态转子在外磁场中的电磁特性分析  34-39
    2．2．3 旋转超导态转子在外磁场中的电磁特性分析  39-42
    2．2．4 转子的材料选择  42-44
  2．3 陀螺转子的超导磁悬浮特性分析  44-53
    2．3．1 超导磁悬浮的结构及悬浮原理  44-45
    2．3．2 超导线圈的磁路分析  45-47
    2．3．4 陀螺转子超导磁悬浮力  47-49
    2．3．5 陀螺转子超导磁悬浮刚度  49
    2．3．6 陀螺转子偏移模型  49-52
    2．3．7 超导控制线圈磁悬浮调节力与转子偏移的关系  52-53
  2．4 实现陀螺转子超导支承的分析  53-54
  2．5 陀螺转子超导磁悬浮的特点  54
  2．6 本章小结  54-55
第3章 转子偏移控制与偏移影响研究  55-75
  3．1 引言  55
  3．2 超导陀螺仪转子支承系统的基本性质  55-57
  3．3 陀螺转子支承系统的微分控制环节  57-60
  3．4 陀螺转子支承系统的滞后-超前校正  60-62
    3．4．1 串联滞后校正环节  60
    3．4．2 串联超前校正环节  60-62
  3．5 陀螺转子支承系统的动态特性验证  62-64
  3．6 超导陀螺仪转子支承系统的技术指标  64-65
  3．7 陀螺转子偏移影响研究  65-74
    3．7．1 转子偏移对陀螺漂移的影响  65-69
      3．7．1．1 非理想状况时转子间隙  65-66
      3．7．1．2 磁悬浮干扰力矩的分析计算  66-69
    3．7．2 转子偏移对转子姿态测量的影响  69-72
      3．7．2．1 转子偏移对赤道图谱法测试转子姿态的影响  69-71
      3．7．2．2 转子偏移对极顶法测试转子姿态的影响  71-72
    3．7．3 转子偏移对转子超导态的影响  72-74
  3．8 本章小结  74-75
第4章 陀螺转子偏移测试  75-93
  4．1 引言  75
  4．2 电容位移测量法的比较  75-76
  4．3 差动电容位移传感器的原理与分析  76-79
  4．4 差动球形电容的电容变化与微位移关系  79-85
    4．4．1 球面电极划分  79-80
    4．4．2 测量电极与转子间的间隙  80-81
    4．4．3 测量电极与转子间的电容  81-85
    4．4．4 转子偏移量求解  85
  4．5 球面电容与转子偏移关系校正方案  85-92
    4．5．1 分段线性插值拟合法  87-88
    4．5．2 球面电容与转子偏移关系校正  88-89
    4．5．3 分段线性插值拟合算法的程序设计  89-92
  4．6 本章小结  92-93
第5章 超导陀螺仪转子支承系统研究  93-119
  5．1 引言  93
  5．2 陀螺转子偏移测试电路研究  93-109
    5．2．1 转子偏移测试方案描述  93-101
      5．2．1．1 转子偏移与输出电压的变换关系  93-97
      5．2．1．2 前置放大和交流放大  97-98
      5．2．1．3 相敏检波  98-100
      5．2．1．4 测量电路的零点稳定性  100-101
    5．2．2 实现转子零电位的措施  101-103
    5．2．3 影响转子偏移测量精度的因素分析  103-109
      5．2．3．1 ΔC_0影响  103-104
      5．2．3．2 测量电压影响  104-105
      5．2．3．3 模型误差影响  105
      5．2．3．4 激励信号的影响  105-106
      5．2．3．5 影响因素综合分析与仿真  106-109
  5．3 陀螺转子偏移控制电路研究  109-112
    5．3．1 超导控制线圈的电源选择  109
    5．3．2 陀螺转子偏移控制电路的设计  109-112
      5．3．2．1 基准电压源环节  109-110
      5．3．2．2 电压加减环节  110
      5．3．2．3 电压比较与选择开关环节  110
      5．3．2．4 信号调制与功率放大环节  110-112
      5．3．2．5 整流滤波环节  112
  5．4 超导陀螺仪转子绝对间隙测量研究  112-118
    5．4．1 陀螺转子绝对间隙变化与输出电压的关系  112-115
    5．4．2 绝对间隙测量电路的通频带  115-116
    5．4．3 绝对间隙测量电路对转子偏移测量的影响  116-117
    5．4．4 绝对间隙测量的误差分析  117-118
  5．5 本章小结  118-119
第6章 转子支承系统激励信号源设计  119-137
  6．1 引言  119
  6．2 直接数字频率合成的基本原理  119-121
  6．3 直接数字频率合成器性能  121-123
  6．4 AD9850的控制方式  123-124
  6．5 应用AD9850需考虑的因素  124-126
  6．6 直接数字式频率合成信号的实现  126-133
    6．6．1 基于AD9850与MCS-51系单列片机的信号合成器实现  126-127
    6．6．2 正弦激励信号产生方案  127-133
      6．6．2．1 单片机的选择  127-128
      6．6．2．2 数据总线上拉电阻的配置  128-129
      6．6．2．3 程序框图与原程序  129-132
      6．6．2．4 500KHz正弦信号的滤波与放大电路  132-133
  6．7 实验结果  133-136
  6．8 本章小结  136-137
第7章 转子支承系统实验研究  137-147
  7．1 引言  137
  7．2 转子支承系统的实验条件  137-139
    7．2．1 超导陀螺仪转子偏移模拟装置  137-138
    7．2．2 陀螺转子偏移测量实验条件  138-139
  7．3 陀螺转子偏移及转子绝对间隙测试的可行性验证方案  139
  7．4 实验结果与分析  139-146
    7．4．1 电路调试实验  139-141
    7．4．2 绝对间隙测量对转子偏移测量的影响实验  141
    7．4．3 转子偏移测试实验  141-144
    7．4．4 控制电压变化实验  144
    7．4．5 转子绝对间隙测试实验  144-146
  7．5 本章小结  146-147
结论  147-149
参考文献  149-157
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  157-159
致谢  159-160
附录1 主要符号定义及说明  160-166
附录2 分段线性插值算法程序  166-179
附录3 超导陀螺仪转子支承系统电路图  179

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 航空仪表、航空设备 > 陀螺仪表
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