基于双弱连接结构的超流体陀螺效应仿真研究

论文摘要

超流体陀螺是基于低温物理技术的新型陀螺，特别是4He超流体陀螺在精度、体积、环境要求等多方面有着极高的应用潜力，目前大多仍处于物理原理研究阶段，还需要进一步对其向陀螺仪的方向的发展进行研究,论文对典型的基于双弱连接结构的超流体陀螺模型展开研究，并对其方案中的关键技术进行了探索。论文对该陀螺系统工作原理与详细数学模型进行了深入的研究与分析，仿真证明了该陀螺方案具备很好的陀螺效应，分析了该方案的量程范围，研究实际有效的提取变输入角速度信号的方法，为发展高精度能应用于实际场合中的陀螺做了前期的理论准备；研究陀螺输出的幅值锁定技术，以解决解决量程小和角速度方向无法判断的问题，并对应用该技术的新系统的误差源进行了分析。对陀螺系统进行研究，分析了系统工作原理并将其模块化，对该系统各关键单元进行了详细的数学描述并建立数学模型，对作为系统正常工作的前提的驱动单元进行了详细的理论与仿真分析，建立系统总体数学模型并验证了该陀螺系统良好的陀螺效应；从理论与仿真两方面对系统量程范围，以及其与各结构参数间的关系进行了分析，通过调整各结构参数对量程范围进行了一定的扩展，但量程范围依然很小；在输入变角速度情况下，对系统提取角速度信息方法进行了研究，分别对数值分析解算方法和频域分析方法进行了理论与仿真分析，通过对比最终选择使用数值分析的方法。研究能解决原基于双弱连接结构的超流体陀螺方案量程范围小与角速度方向无法判断的问题的幅值锁定技术，理论分析和仿真验证结果表明该技术能实际有效地解决这两个问题，并对应用了幅值锁定技术的新陀螺系统检测范围进行分析，新系统可精确检测随时间缓慢变化的任意输入角速度。对应用了幅值锁定技术的新陀螺系统中的各类误差源进行了总体分析，主要包括位移传感器噪声，陀螺内部噪声（热噪声），陀螺系统噪声（温度波动噪声和频率波动噪声），和外界振动噪声，为后续开展陀螺误差的系统性研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 注释表
• 缩略词
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 超流体陀螺的研究现状分析
• 1.2.1 基于量子化旋流的超流体陀螺
• 1.2.2 基于直流约瑟夫森效应的超流体陀螺
• 1.2.3 基于交流约瑟夫森效应的超流体陀螺
• 1.3 基于双弱连接结构超流体陀螺优势与关键问题
• 1.3.1 优势分析
• 1.3.2 关键问题分析
• 1.4 论文主要内容与编排
• 第二章 超流体物理机理与陀螺基本模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 超流体物理机理与特性研究
• 2.2.1 超流体与玻色-爱因斯坦凝聚
• 2.2.2 萨格纳克效应
• 2.2.3 量子化旋流与约瑟夫森效应
• 2.3 基于双弱连接结构超流体陀螺的工作原理
• 2.4 陀螺工作单元基本模型研究
• 2.4.1 驱动单元基本模型研究
• 2.4.2 敏感单元基本模型研究
• 2.4.3 检测单元基本模型研究
• 2.5 本章小结
• 第三章 陀螺驱动方式与陀螺效应验证研究
• 3.1 引言
• 3.2 陀螺系统参数选择
• 3.3 陀螺驱动方式研究
• 3.3.1 压力驱动方式研究
• 3.3.2 热驱动方式研究
• 3.4 总体数学模型研究
• 3.5 陀螺效应验证仿真分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 超流体陀螺测量量程分析与角速度信息提取方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 量程范围下限研究
• 4.3 量程范围上限研究
• 4.3.1 量程范围上限分析与验证
• 4.3.2 量程范围上限仿真分析
• 4.4 角速度信息提取方法研究
• 4.4.1 数值分析解算角速度方法研究
• 4.4.2 频域分析方法研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 超流体陀螺角速度测量量程扩展方案研究
• 5.1 引言
• 5.2 量程范围扩展方案研究
• 5.2.1 量程扩展方案理论分析
• 5.2.2 量程扩展方案仿真验证
• 5.3 采用幅值锁定技术的超流体陀螺角速度检测范围分析
• 5.4 采用幅值锁定技术的超流体陀螺误差总体分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及学术论文