硅微陀螺仪的机械耦合误差分析

机械耦合误差是硅微陀螺仪的主要误差之一,为了向减小或消除机械耦合误差提供理论依据,研究了机械耦合误差的产生机理。本文以z轴硅微陀螺仪为研究对象,以动力学方程和矩阵理论为基础,分析了由于加工非理想性产生的不等弹性、阻尼不对称和质量不平衡产生的误差信号,建立了机械耦合误差信号的数学模型,并定量分析了z轴硅微陀螺仪样品的机械耦合误差信号。结果表明,机械耦合误差信号包含了正交耦合误差和与有用信号同相位的误差信号,其中正交耦合误差为主要误差信号,且主要由不等弹性产生。最后,测试了z轴硅微陀螺仪的正交耦合误差信号,为342.59 º/s,且与理论结果相吻合。因此,抑制和补偿正交耦合误差是减小机械耦合误差的关键技术之一。     

四质量硅微陀螺阵列的正交误差校正系统分析

为了减小正交误差对硅微阵列陀螺仪测量精度的影响,提高系统性能,采用自适应模糊PID控制和正交耦合刚度校正法研究硅微阵列陀螺仪的正交误差校正问题。首先,分析了硅微阵列陀螺仪正交误差的产生原因及其对系统性能的影响;其次,阐述了基于静电结构耦合效应的正交耦合刚度校正法的工作原理,设计了校正电极;最后,基于自适应模糊PID控制设计了正交误差校正系统,根据系统不同的偏差E和偏差率Ec实现了PID参数的自整定。Simulink仿真结果表明基于自适应模糊PID的正交误差校正系统的动态响应速度是常规PID的3倍,超调量是常规PID的十分之一,有效地实现了正交误差校正,提高了系统的自适应性。     

硅微陀螺正交误差校正方案优化

本文意在寻求双质量硅微机械陀螺仪正交校正最优方案。首先介绍了带有正交校正和检测力反馈梳齿的双质量硅微机械陀螺结构,量化分析了正交误差对输出信号的影响并进行了仿真,结果显示解调相角变化为±2°,200(°)/s的正交误差等效输入角速率可引起15(°)/s的输出信号变化。然后,对目前3种比较主流的硅微机械陀螺仪正交校正方法(电荷注入法(CIM)、正交力校正法(QFCM)和正交耦合刚度校正法(QCSCM))进行了实验研究,从理论上证明了这3种方法的可行性。对未加入正交校正环节的陀螺进行了实验,结果显示其左、右质量块输出的正交误差信号峰峰值分别为150mV和300mV。针对两质量块正交误差不等的实际问题提出了质量块单独校正的方案。采用CIM、QFCM和QCSCM对校正前零偏及其稳定性分别为-4.589(°)/s和378(°)/h的陀螺进行了实验校正,结果显示3种方法均可有效消除检测通道中正交信号,3种方法的零偏及零偏稳定性结果分别为-8.361(°)/s和423(°)/h,2.419(°)/s和82(°)/h,1.751(°)/s和25(°)/h,证明了正交耦合刚度校正法为3种方法中的最优方案。     

高真空环境下硅微机械陀螺品质因数的温度特性

分析了温度在高真空环境下对硅微机械陀螺品质因数的影响机理。阐述了热弹性阻尼的复频率模型和硅材料的温度特性,建立了品质因数温度特性理论模型,并对理论模型进行了仿真验证和实验验证。理论计算得到常温下品质因数的温度系数为-9.76×10-3/℃。利用ANSYS对品质因数的温度系数进行仿真分析,得到常温下品质因数温度系数的仿真值为-9.96×10-3/℃。对硅微机械陀螺进行品质因数温度实验,得到常温下品质因数的温度系数为-9.02×10-3/℃,与理论计算结果相差8.20%。实验结果表明:高真空环境下建立陀螺品质因数温度特性的理论模型可为陀螺的温度误差补偿提供理论依据,为陀螺的优化设计提供实际指导。     

硅微陀螺仪的正交误差分析

推导了双框架式硅微陀螺仪驱动模态和检测模态的运动方程，定义了驱动位移和敏感位移。在此基础上，利用弹性主轴原理，分别推导了内外框弹性主轴偏转产生的正交误差信号表达式及正交误差信号和敏感信号的比值表达式。分析结果表明，双框架式硅微陀螺仪内外框弹性主轴发生偏转时，都将产生正交误差位移，且双框架式硅微陀螺仪产生的正交误差位移数值相当于单框架式硅微陀螺仪正交误差位移的两倍。测定了双框架式硅微陀螺仪的正交误差，正交误差信号，其值为431°／s，此时偏转角度仅为0．0196°。     

硅微陀螺仪零偏稳定性的优化

为了进一步提高硅微陀螺仪的零偏稳定性,使其满足更高精度应用场合的需求,研究了硅微陀螺仪零偏稳定性优化技术。以典型Z轴硅微陀螺仪为例,对影响其零偏稳定性的主要因素：机械耦合误差、电路耦合误差、机械热噪声、接口电路噪声进行了完整分析,并从抑制零偏温度漂移及输出噪声两个角度提出了改善硅微陀螺仪零偏稳定性的设计原则。基于上述原则,优化设计了硅微陀螺仪的机械结构及接口电路。最后对所设计的硅微陀螺仪进行了零偏稳定性测试,以验证所提出优化设计原则的有效性。实验结果表明,4个测试组的硅微陀螺仪零偏输出均无明显漂移,且零偏稳定性在6（°）/h左右,达到了中等战术级水平。     

微机电陀螺耦合刚度的辨识

针对微机电陀螺耦合刚度的辨识,提出了以驱动轴、检测轴、驱动-转动耦合和驱动-检测耦合频率响应特性为基础的耦合刚度辨识方法。设计了一种驱动轴和检测轴双向位移解耦的双质量线振动微机电陀螺,基于经过简化的梁的刚度特性建立了微陀螺平面运动动力学方程,导出了结构在存在耦合刚度情况下驱动轴、检测轴、驱动-转动耦合和驱动-检测耦合的传递函数。根据耦合传递函数把刚度耦合产生的根源定位到特定的几组梁之间的刚度误差。通过驱动-转动耦合与驱动轴幅频特性之比辨识出驱动-转动耦合刚度系数,通过驱动-检测耦合与检测轴幅频特性之比辨识出转动-检测耦合刚度系数。实验测试了设计加工的微陀螺的频率响应特性,利用提出的耦合刚度辨识方法得到陀螺的驱动-转动和转动-检测耦合刚度系数分别为0.14N和0.054 33N。得到的耦合刚度的辨识结果可为微陀螺梁刚度的激光修调提供参数依据。     

Fizeau激光波长计测量脉冲激光波长

详细讨论了采用单片机控制的Fizeau波长计测量脉冲激光波长的两种方法,包括脉冲激光同步测量方法与软件判别捕捉方法,文章最后给出了系统的测量结果,其测量精度与测量连续激光相同,即绝对精度<10^-6,分辨率<10^-7.     

纳米半导体复合薄膜的非线性光学性质及其在激光器中的应用

采用射频磁控溅射技术制备了Ge掺二氧化硅（Ge-SiO₂）和Ge,Al共掺二氧化硅（Ge/Al-SiO₂）两种复合薄膜,并进行了热退火处理形成了纳米Ge镶嵌结构。通过紫外-可见吸收谱测量,确定了两种薄膜中纳米Ge的光学带隙,并采用皮秒激光Z-扫描技术研究了薄膜的非线性光学性质。测试结果显示,在1 064 nm激发下得到的Ge-SiO₂和Ge/Al-SiO₂薄膜的非线性吸收系数分别为-1.23×10^-7 m/V和4.35×10^-8 m/W,前者为饱和吸收,而后者为双光子吸收。把两种薄膜作为可饱和吸收体均可实现1.06 μm激光的被动调Q和被动锁模运转。与Ge-SiO₂薄膜比较,采用Ge/Al-SiO2薄膜可以获得较窄的调Q脉冲和锁模脉冲。最后,理论分析和实验比较了两种薄膜实现被动调Q和锁模的机理。     

基于槽式悬臂梁结构的微质量传感器设计

压电式微质量传感器的测试精度直接依赖于结构频率对质量变化的灵敏程度。本文利用对称槽型梁和压电薄膜组成的对称敏感结构,提出了一种提高传感器灵敏度的结构设计方法,并设计了一种高精度谐振式微质量传感器。建立了结构频率变化对吸附质量敏感性的分析模型,并研究了槽型截面参数、自振频率及振动模态对灵敏度的影响。与矩形截面结构进行了仿真与实验对比,结果表明,相同几何尺寸参数下,槽型截面悬臂梁的一阶自振频率为1 851 Hz,矩形截面悬臂梁的一阶自振频率为1 610 Hz,相应的传感器灵敏度则分别为3.12×10⁴ Hz/g和1.5×10⁴ Hz/g,前者是后者的2倍。该项设计为提高微质量传感器灵敏度提供了一种新思路。     

Influence of wall roughness on discharge coefficient of sonic nozzles

To research the influence of roughness on discharge coefficient of axisymmetric sonic nozzles systematically, a turbulence model was established, and standard k–ε model was used in the turbulent core region while Wall Functions was carried out in the boundary layer region. A series of numerical simulations were conducted to research discharge coefficients of 6 critical flow Venturi nozzles with throat diameter ranging from 0.5 to 100 mm when Reynolds numbers ranges from 10⁴ to 10⁹ and relative roughness from 10⁻² to 10⁻⁶. The validity of the simulation model was confirmed by both the experimental data of Stewart and ISO 9300 empirical equation. According to the simulation results and theoretical analysis, the relations between discharge coefficient and relative roughness were obtained. It is recommended that the dimensionless parameter relative roughness should be used in ISO 9300 rather than absolute roughness. Additionally, when the machining of nozzle cannot satisfy the ISO 9300 requirement or the Reynolds numbers exceed the upper limits of the ISO 9300 equation, the effect of roughness should be considered, and the relative roughness of sonic nozzle should be provided clearly in the further experiment of discharge coefficient.     

弹性均压槽空气静压轴承静特性的影响因素分析

为了研究影响弹性均压槽空气静压轴承静态特性的因素,基于气固耦合原理,建立弹性均压槽空气静压轴承的耦合控制方程,采用有限差分对控制方程进行离散求解,分别研究供气压力、均压槽宽度和节流孔直径对弹性均压槽空气静压轴承静态特性的影响。结果表明:供气压力、均压槽宽度和节流孔直径对弹性均压槽空气静压轴承承载力和刚度的影响较大,供气压力越大,轴承的承载力和刚度也越大,但刚度最大时的工作气膜间隙越小;均压槽宽度越大,轴承刚度最大时的工作气膜间隙越大;节流孔直径越小,轴承刚度越大。实验结果和理论计算结果基本一致,验证了数学模型和理论方法的正确性。     

Design of a kinematic coupling for precision applications

To machine a complex precision product, several tools are needed. These tools are placed on a tool turret. A tool must return several times to its original position. To attain a very high repeatability between the upper part and the base of the tool turret mounted on a precision lathe, it is preferable that the parts of the tool turret are statically determined in their contacts. This is attained by using a kinematic coupling. To attain the required stiffness this coupling is provided with a preload of 1.5 · 10³ N. The machining forces are typically less than 1 Newton. A special kinematic coupling, consisting of grooves and balls, was designed, made, and tested. By providing the grooves with self-adjusting surfaces, hysteresis is reduced to less than one-tenth of a micrometer. Maximum stiffness is aimed at by using cemented carbide, a material with a high admissible stress, at the contact points. Experiments show that this kinematic coupling, under a preload of 1.5 · 10³ N, has a static stiffness of more than 1 · 10⁸ N/m in every direction and a repeatability better than one-tenth of a micrometer.     

偏载下大长径比水润滑轴承分布式动特性参数识别方法

为了解决偏载下大长径比水润滑轴承分布式动特性参数识别问题,建立水润滑轴承的两支点分布式动力学模型,提出水润滑轴承分布式动特性参数的识别方法,并验证该动特性识别方法的可靠性。通过仿真试验,引入加载和位移信号扰动对轴承分布式动特性参数识别的精度进行分析,开展偏载水润滑轴承分布式动特动特性试验。结果表明：随着激振力振幅扰动的增加,刚度和阻尼系数的识别误差线性增加;激振力相位扰动对刚度系数的影响较小,对阻尼系数的影响较大;随着位移幅值扰动的增加,刚度和阻尼系数的识别误差增加;位移信号的相位扰动对刚度系数的影响较小,对阻尼系数的影响较大;若要求刚度和阻尼的识别误差小于10%,则激振力和位移信号的扰动幅值应小于10%;若要求刚度和阻尼的识别误差小于20%,则这2个信号的扰动相位扰动偏差应小于1°。     

轴承载荷对转子系统各支承的耦合振动分析

以多支承转子 轴承 弹性基础系统为研究对象,对多支承转子系统某支承处轴承载荷变化引起不同支承点处轴及轴承的耦合振动响应进行了研究。首先,建立了多支承转子系统支承间的耦合振动模型,并进行了仿真和试验,耦合振动模型考虑了每个支承处的油膜耦合效应,通过轴承载荷敏感度矩阵得到各支承耦合力;然后,利用龙格库塔法对油膜刚度为定刚度和动刚度两种情况下的转子系统进行了数值分析及仿真;最后,在8支承转子试验台上进行试验,采取改变某一支承处的位移来得到轴承载荷的变化,并提取各支承处的振动信号。结果表明,轴承位置在稳态和瞬态两种情况下改变时振动响应明显不同,油膜刚度为动刚度的分析结果更为合理。     

机器人关节裂纹传动系统机电耦合动态特性研究

服务机器人关节采用驱控一体化集成设计,并且传动系统采用小模数变位齿轮。关节频繁运动容易导致齿轮传动系统产生裂纹,裂纹引起刚度变化从而影响整个系统的动态特性。根据变位齿廓建立变位齿轮裂纹刚度计算模型,分别研究变位系数、多种裂纹形式对时变啮合刚度的影响;其次利用集中参数法构建了机器人关节机电耦合平移—扭转动力学模型,并将驱动电机的电磁特性、齿侧间隙等因素考虑入方程中;最后通过统计学分析裂纹对传动系统的影响。研究结果表明：正变位使刚度增大,负变位反之;双侧裂纹对刚度的影响明显大于单侧;随着裂纹加深,时变啮合刚度加速降低;随着传动系统级数的增加,裂纹对传动系统的影响逐渐减弱。研究结果为变位齿轮传动系统裂纹故障诊断提供理论基础。