基于FPGA的谐振音叉高速信号采集装置的搭建

谐振音叉作为一种重要的谐振敏感元件,其输出信号直接体现了其频率特性,且直接决定了谐振式传感器的性能,所以对谐振音叉输出信号的研究具有重要意义。本文搭建了一套基于FPGA的高速信号采集装置来进行音叉信号的采集和处理。该装置由硬件部分和软件部分组成,其中硬件部分主要包括电荷放大、滤波、电平转换、模数转换、FPGA信号解算单元及串口调试单元等;软件部分则包括下位机软件和上位机软件。为了对装置性能进行测试,本文采用实验室实际的音叉样件进行实验,通过对其输出信号的拾取和信号处理,测得该装置测试精度可达到0.2%。这样的实验结果表明该装置可满足谐振音叉在1 kHz~30 kHz范围内频率特性的测量要求,且性能良好。     

耦合结构对音叉式陀螺振动特性的影响

耦合结构对MEMS音叉式陀螺振动特性具有重要影响。针对一种典型结构的音叉式陀螺及其耦合结构,在分析其工作原理的基础上,建立了其驱动模态的振动模型。基于该模型,计算了在陀螺刚度不对称、驱动力幅值不对称及质量不对称三种情况下,该耦合结构对陀螺振动特性的影响。利用有限元仿真软件,对该耦合结构在三种情况下对陀螺振动特性的影响进行了仿真比较。计算与仿真结果表明,通过改变耦合结构尺寸,能够调整陀螺固有频率,进而对振动特性产生影响。根据结果,提出了音叉式陀螺耦合结构的设计准则。     

微石英音叉陀螺的方波驱动及解调电路研究

在分析微石英音叉陀螺的工作原理及电学特性的基础上,对微石英音叉陀螺的驱动电路和微弱角速度信号的提取方法进行了研究;论证了方波驱动的可行性,提出了在自激驱动回路中加入移相环节,使微石英音叉陀螺的驱动振动频率等于其机械谐振频率,分析了开关同步相敏解调在角速度信号的提取中的应用及其对噪声的抑制能力;设计并分析了一个用方波驱动微石英音叉陀螺,用开关同步相敏解调完成信号解调的电路,该电路结构简单,工作可靠,性价比高.     

双端固定音叉作谐振敏感元件的电磁激励效率的理论与实验研究

为了能够增强谐振音叉的输出信号,进而提高谐振音叉的激励效率,测量、分析并比较了谐振音叉在不同激励信号下的激励效率.针对双端固定音叉,对不同激励信号从理论上进行分析.最后,利用谐振式加速度测试平台,以不同的激励信号对谐振音叉进行激励,测量输出信号.测试结果表明:激励信号的激励效率从大到小的排列顺序是:方波、正弦波、三角波、锯齿波.激励信号所加的直流偏置越大,输出的信号波形的幅值就越大.     

复杂管路系统压力谐振特性仿真研究

本文用轴向九柱塞航空油泵作为脉动流量源,对一种简单管路系统和由此扩展而成的两种复杂系统进行了实验研究和仿真计算。计算值同实验值很吻合。从实验和计算的相互验证以及系统结构的演变过程中,作者提出了将复杂系统分解为基本系统和附加系统的新观点,进而提出了估算复杂系统谐振特性的重要结论,即复杂系统的谐振特性可用构成它的基本系统的谐振特性来进行估算。     

动态轴向载荷下谐振梁振动响应分析

在航空航天飞行控制中,为实现关键参数的高精度高动态测量,急需发展具有快速响应特性的谐振式传感器。谐振式传感器本质上是输入与谐振器振动状态之间的映射。这种映射一般通过跟随输入的轴向载荷调制谐振梁的固有频率实现。高动态应用中的核心问题是动态轴向载荷下谐振梁的振动响应。利用基本的微元力学平衡关系建立了动态轴向力作用下谐振梁振动行为的数学模型。此模型比Mathieu方程的适用面更广,在一般假设下更难以进行解析或数值求解。为此引入了等效电路方法进行模型求解。通过对等效电路的仿真,得到了谐振梁在多种典型动态载荷下的振动响应。动态轴向载荷对于谐振梁的作用具有强烈的非线性和独特的规律,值得进一步深入研究探讨。     

磁致伸缩材料与石英音叉复合低阻尼谐振磁电效应

采用磁致伸缩材料与石英音叉谐振器复合设计了一种低阻尼的谐振式磁电敏感单元。石英音叉工作在弯曲振动模式,音叉叉指结合区域(底部)产生的应力/应变方向相反、弯矩相互抵消,实际为解耦区域。将底部与磁致伸缩材料粘接复合设计谐振式磁电敏感单元的Q值主要取决于音叉谐振器自身的高Q值,磁致伸缩材料的高磁机阻尼被隔离。动态磁场作用下,磁-机-电转换过程可看作一个受迫振动过程,当激励磁场频率接近于音叉谐振频率时,输出电信号最大。实验结果表明:磁电敏感单元Q值高达5 034;谐振磁电电流系数达到799.2 nA/Oe;在接近谐振频率32.774 kHz信号激励下,磁电电流系数相对偏置磁场变化的灵敏度达到5 (nA/Oe)/Oe。     

一种磁性薄膜/石英音叉复合磁传感器研究

针对磁电层复合式磁传感器Q值低的问题,提出一种磁性薄膜与石英音叉复合的磁传感器结构,通过测量音叉谐振频率变化量或Q值变化量达到检测静磁场的目的。采用有限元方法对磁性薄膜的位置进行了分析,发现薄膜复合于音叉侧臂顶部有最灵敏的磁场探测能力,并进行了实验验证。实验结果表明:测量Q值变化量比测量谐振频率变化量更优,最大灵敏度为119.471/mT,测量Q值分辨率为1,石英音叉Q值稳定度为20×10-6时,该磁传感器结构对磁场的分辨率为10-6T,敏感结构在零偏置磁场时Q值达2000左右。     

不同轴截面薄壁筒在轴向冲击下吸能特性研究

针对目前飞行器坠撞安全性问题研究,要减缓碰撞时的冲击载荷和耗散能量,以薄壁筒结构为研究对象,采用非线性有限元理论建立计算模型,采用显式动力学算法进行数值仿真。利用非线性有限元软件ABAQUS仿真了不同轴截面的薄壁筒在受轴向冲击下的变形,通过比较四种薄壁筒在受轴向冲击下的压溃力峰值、平均压溃力及比吸能研究其吸能特性,并与相关的理论解进行了对比。结果表明：冲击动能相同条件下,无论从比吸能方面还是从压溃力峰值方面来考虑,轴截面为梯形的薄壁筒的吸能特性优于轴截面为矩形的薄壁筒;从乘员的安全角度考虑圆台做吸能结构吸能是方台的1.5倍,而压溃力峰值只有方台的75.3%。     

轴向增强炮弹破片场优化控制及反导效能分析

为了弥补弹目迎击交汇过程中炮弹命中精度不足,提高对目标毁伤的效能,设计了一种能够在轴向形成能量相对集中和径向形成均强分布破片场的新型高效毁伤炮弹——轴向增强炮弹。结构方面首次采用炸药直接驱动前置预置破片的方法来提高轴向速度和形成高密度轴向抛撒的破片场对目标毁伤,通过理论和数值方法建立了弹目交汇过程的理论模型和对空中目标的毁伤效能模型,运用有限元仿真计算的方法系统的对不同破片排布方式的轴向增强炮弹战斗部在不同遭遇条件下对目标的毁伤效能进行了仿真。结果表明调整预制破片的排布形式对提高对目标的毁伤效能是非常有效的。     

基于切片理论的水下灵巧手手指动力学分析

水中环境的影响使多自由度水下机械臂的动力学模型较为复杂．鉴于动力学模型对系统仿真、控制系统设计的重要性，本文基于切片理论对水下灵巧手手指的动力学进行分析；考虑水阻力、附加质量力的影响，建立了较为精确的动力学模型．采用SimMechanics进行了动力学仿真．仿真结果显示，水动力使手指运动轨迹偏离，因此，手指动态运动控制时必须对其进行补偿．     

谐振式微加速度传感器的有限元分析

有限元分析用来评估一种新颖的谐振微加速度传感器,仔细分析新结构的几个主要振动模态,优化结构参数,证实这种硅基谐振式微加速度传感器的灵敏度高于1 000 Hz/gn.而且在有限元分析的基础上对实际制造的非完全匹配的双端固定音叉的特点和对于测量的不良影响进行分析.     

一种基于谐振音叉的新型差动式硅微加速度计设计与分析

为提高谐振式加速度计灵敏度、稳定性以及减小加速度计体积,本文提出一种结构新颖的谐振式硅微加速度计。采用一级微杠杆机构对质量块惯性力进行放大,通过一对差动布置的双端固支音叉谐振器的固有频率变化检测惯性力,从而实现对加速度的测量。该加速度计可采用体硅加工工艺,给出了总体工艺流程。采用解析和有限元分析方法对加速度计敏感元件进行了分析,有限元分析结果与解析分析结果相吻合,有限元分析可得加速度计灵敏度为57.4 Hz/gn。分析结果表明该加速度计结构具有高灵敏度、高温度稳定性和小体积等优点。     

不等基频硅微谐振式加速度计

分析了硅微谐振式加速度计的两个谐振器在谐振频率相交点附近区域产生耦合的原因,设计了一种新型的不等基频硅微谐振式加速度计,并对其进行了有限元仿真.该加速度计由质量块、放大惯性力的杠杆机构以及一对尺寸不同的谐振器组成.采用DDSOG工艺加工.利用ANSYS有限元软件进行仿真,结果表明加速度计上谐振器的谐振基频为124 67...     

两种消偏陀螺的轴向磁场灵敏度

运用琼斯矩阵,分别建立了轴向磁场作用下,单消偏陀螺系统和双消偏陀螺系统产生Faraday非互易相位差的理论模型.导出了两种系统的非互易相位差的表达式,并对其进行理论分析和仿真,最后给出两种系统轴向磁场作用下的实验结果.提出:采用双消偏系统并使得两个消偏器的45°误差之和趋于0,可以在很大程度上减小消偏陀螺的轴向磁场灵敏度.     

退磁场对磁致伸缩应力耦合谐振磁传感器灵敏度的影响研究

将磁致伸缩材料与石英音叉谐振器复合的谐振式磁传感器具有高灵敏度、高分辨率、高Q值等优良性能。然而,磁性敏感材料的退磁场效应导致磁传感的灵敏度随敏感材料的尺寸变化。采用退磁因子计算经验公式与Maxwell电磁仿真相结合,分析了相同截面积、不同长度铁镓（FeGa）磁致伸缩合金的退磁因子,并将退磁因子代入非线性磁致伸缩模型,分析并预测了退磁场对FeGa合金磁致伸缩性能和FeGa/石英音叉谐振器复合谐振式磁场传感器灵敏度的影响。采用10.6mm、20mm和30mm三种不同长度FeGa合金与石英音叉谐振器复合,制备器件实验表明：退磁因子和传感器灵敏度随FeGa合金长度增加而分别减小和增加,最优偏置点的灵敏度分别为3.7Hz/Oe,5.8Hz/Oe和9Hz/Oe,实验结果和理论分析结果较为吻合。     

Fe-Ga窗式换能器结构设计与分析

针对目前换能器工作效率低,结构性差等问题,设计了一种以Fe-Ga材料为核心的窗式换能器。搭建实验平台对窗式换能器中的核心元件Fe-Ga材料进行磁特性测量,绘制了Fe-Ga材料在不同频率下的磁滞曲线,计算了对应的磁损耗、矫顽力以及剩磁的大小,构建了变幅杆的理论模型,以变幅杆纵振波动方程为基础,通过理论计算,推导了变幅杆的谐振频率、位 移节点、放大倍数。最后通过COMSOL多物理场有限元软件对换能器建立了仿真模型,通过磁－力耦合对换能器进行了频域和时域仿真,得到了换能器的谐振频率、位移大小以及应力分布情况,通过仿真验证了换能器理论计算的准确性,为下一步的换能器制作提供了有效的指导作用     

基于正弦力激励的预紧压电式力传感器的研究

为了校准预紧的压电式力传感器动态灵敏度并研究其频响特性和预紧结构的设计,首先介绍了正弦力激励的方法并建立校准数学模型。分别在传感器正立和倒立安装方式下进行测试,通过对比试验研究传感器端部等效质量引入的惯性力对传感器动态灵敏度的影响。然后根据传感器固有频率的落球测试方法,将传感器和附加质量块安装于振动系统。通过白噪声激励得到系统安装谐振频率,进而研究传感器有效频率范围和测量精度与安装谐振频率的关系。最后通过理论分析,说明传感器非对称设计的原因。试验结果表明,当附加质量块质量约为传感器质量的121倍时,可忽略端部等效质量对灵敏度标定的影响;压电式力传感器固有频率高达46kHz,但其有效使用频率范围受安装谐振频率限制,当试验频率与安装谐振频率比 时,压电式传感器精度等级为1%;传感器两端等效质量不同,预紧结构是非对称的,用于动态测试时要将端部等效质量轻的一端连接到被测物体。本研究结果可为开展传感器的现场标定和预紧结构的设计提供理论依据。     

轴向预压缩压电双晶片驱动器静动态特性仿真

研究轴向预压缩力增大压电双晶片驱动位移及力矩问题,对某微型飞行器的压电双晶片驱动器进行了机电耦合场有限元仿真,得到在不同轴向力及电压作用下的静动态特性。为了验证系统可靠性,采用解析解进行比较,结果表明:有限元解和解析解复合较好。采用上述压电双晶片驱动器,在150V电压及25N轴向力的作用下,驱动转角峰峰值为14°,驱动力矩为2.4N*mm,都达到未施加轴向力的压电双晶片驱动器的4倍以上。一阶固有频率为95Hz远大于普通电动舵机,可大幅提高微型飞行器的操稳性。     

基于AGC闭环控制的谐振式压力传感器驱动仿真及接口电路设计

谐振式压力传感器利用正反馈原理,构成包括机械谐振子在内的机电一体的高品质闭环谐振系统,闭环拓扑结构对保持机械谐振器振荡的稳定性和可靠性起着重要作用。本文针对一种典型结构的静电驱动电容检测谐振式压力传感器,在分析工作原理的基础上,构建了其行为级闭环自激仿真模型,在MATLAB中对自激回路的起振情况进行了仿真;最后设计了基于AGC的闭环控制电路。