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静电悬浮加速度计热分析与热设计的初步仿真在职硕士论文研究

   发布时间:2018-07-24   [点击量:615]  


本文是一篇,在职硕士按申硕的种类分为单独考试、同等学力申硕和在职攻读硕士。单独考试是先考试后入学的方法,入学可以是全脱产、半脱产、在职学习,修满课程学分和考试及格及论文答辩完成后即可取得硕士毕业证和硕士学位证书。(以上内容来自百度百科)今天为我们引荐一篇,供我们参看。


1 导语
1.1 课题研讨布景
1.1.1 静电悬浮加速度计简介静电悬浮加速度计是常见的空间加速度计的一种,空间加速度计首要包括机械联接式加速度计和无机械联接式加速度计,静电悬浮加速度计归于后者。常见的机械联接式空间加速度计有 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)加速度计[1,2]与石英挠性加速度计[3],常见的无机械联接式空间加速度计有全光式加速度计和静电悬浮加速度计。作为空间加速度计,除了对加速度测量的精度有很高的要求之外,不同空间加速度计的优势都不同。机械联接式与无机械联接式空间加速度计的差异就在于查验质量 TM(TestMass,TM)是否与其他机械部分有联接。MEMS 加速度计运用 MEMS 技术,具有标准体积小、结构重量轻、功率耗散低、可靠性高档利益[1],可有用减轻卫星载荷质量,前进卫星载荷的运用年限[2]。石英挠性加速度计首要是由石英摆片组件,电容式传感器,伺服控制系统(包括力矩器和伺服电路)三个要害部分组成。它的理论基础是牛顿惯性定律,并且具有力反响的平衡调度系统。石英挠性加速度计的摆片组件的质量不依赖于参看系,通过测量摆片组件加速时的惯性力来作业[4-6]。全光式加速度计选用光学方法对查验质量进行位移测量以及反响控制,常用的有激光干涉仪,运用激光束的相位差来测量查验质量之间的相对位移[7],曾用于 LISA 卫星上。接下来具体介绍一下本文的研讨政策——静电悬浮加速度计。静电悬浮加速度计可分为三个部分:传感部分、电路部分和机械结构部分[8]。传感部分由查验质量和电容极板框组成,电容极板框与机械结构固连,无外力输入或噪声烦扰时,查验质量是悬浮在极板框正中央[8-12]。传感部分的作用是把由外界输入的非保守力引起的查验质量与机械结构的位移改动转化为电容差。电路部分由电容位移传感电路与实行电路组成,电路部分的作用是当查验质量违背中心方位时,通过电容位移传感电路中的电桥不平衡发作电压差。此差值通过反响电路与实行电路发作反响电压加载在电容极板框上,然后对查验质量发作静电反响力,使查验质量回归平衡方位。此反响电压可由电容位移传感电路输出电压核算得出。然后得知查验质量所遭到的静电力大小,此力与非保守力大小可根据运动方程推算出。图 1 为静电悬浮加速度计单自由度的作业暗示图。

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1.2 课题研讨意义


加速度计作为精密测量仪器,为了更精确并且精确地测量加速度,我们有必要去评论对加速度计测量构成影响的各种烦扰要素,比方振动、烦扰力矩、湿度和温度烦扰等等,其间温度的影响非常深远。因此,对静电悬浮加速度计的研讨,不只需求打破传感与控制等单元技术问题[17],还要对其进行热分析和热规划。关于结构紧凑的加速度计,规划上把传感部分以及电路部分会合在一同,即机械与电路一体化的规划,使得功耗比较会合,间隔查验质量也很近,这关于温度控制的规划要求更高了。不能在传感盒外直接贴上多层隔热材料与环境隔绝热交换,而需求对传感盒内部进行热规划。本文的研讨政策就是在外界环境温度不坚定崎岖为 1℃的情况下,对静电悬浮加速度计的简化模型进行理论以及仿真热分析,并根据分析效果对其热规划方案进行必定的教导,终究对热规划方案进行仿真分析。本课题的意义有以下几点:第一,静电悬浮加速度计为了保证结构尽量紧凑的一同还要保证前放电路具有较好的功用,把电路板与加速度计查验质量封装的很近。这样机械与电路一体化的规划虽然能得到出色的电路功用,但是牺牲了温度安稳性。在日益前进的加速度计测量精度下,对加速度计进行热分析以及热规划便具有重要意义。第二,加速度计的电路部分噪声与温度相关。当环境温度在-40℃~+60℃改动时其漂移差错会很大。加速度计作为一个高精度测量仪器,我们有必要对其测量进程中出现的各种影响做出补偿和控制。第三,加速度计的分辨率受温度影响很大。由于航天器在轨飞行时遭到太阳辐照、地球红外辐射及卫星本身的热活动影响,静电悬浮加速度计内部查验质量等灵敏结构的温度并不均匀,查验质量周围存在温度梯度,温度梯度的改动会导致辐射压、辐射计效应以及出气效应,然后发作力噪声。这是构成加速度计噪声的一项来历,是影响加速度计分辨率的首要要素之一。第四,论文中对加速度计简化模型的热规划研讨为后续正式的热规划做了烘托,具有必定的参看价值,并为往后进行实验奠定理论与仿真基础。实验与理论的结合,可更好地仿照各种情况。在具有实验条件的情况下,进行仿真仿照具有更加重要的意义。
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2 静电悬浮加速度计的理论热分析以及模型简化进程
2.1 静电悬浮加速度计的实践模型
论文对静电悬浮加速度计的简化模型进行了研讨。为了更清楚地展示加速度计传感部分以及电路部分组合成的加速度计的大致内部结构,对整个加速度计进行简略制造并分解,爆炸暗示图如图 2-1。爆炸暗示图仅仅暗示结构,并不是真实的物理模型。实践机械结构非常复杂,首要结构从内到外有查验质量 TM、三明治结构极板框、真空腔、离子泵、分布在真空腔四周的 5 块电路板(表里 CEU 板以及三块 FEEU 板)、电路板端盖板、外屏蔽罩、底座、上端盖板、四个角的盖板。零散的机械结构还包括螺钉、螺母等等小结构。其间查验质量 TM 与极板框之间的间隔在 x、y、z 轴上都粗略地按 1mm 进行仿真,如图 2-2 所示。实践模型过多的小结构以及一些打标等处理关于热分析来说都是晦气的,它会使热分析变得复杂而繁琐,增加热分析作业量,并且小结构对热分析的效果影响微乎及微,在此将其疏忽。
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2.2 静电悬浮加速度计的理论热分析
本节对加速度计做一个简略的稳态热分析。假定外界温度恒温 20℃,加速度计内部有恒热源,选取一个 x 轴方向,取由外界到查验质量中心为传热途径,从外界到真空腔外罩内表面都只考虑热传导,从真空罩内表面至查验质量 TM 处只考虑热辐射。取这个途径上的热源为 2W,对这个传热途径进行一个简略的稳态热核算[45]。从外至内的材料以及厚度分别为:外屏蔽罩 0.004m,外屏蔽罩内表面到电路板表面面的空气 0.015m,电路板 0.002m,外屏蔽罩 0.003m,外屏蔽罩内表面到真空腔表面面的空气 0.01m,真空腔 0.002m,真空腔内表面至极板框表面面 0.005m。其间外屏蔽罩导热系数为 237W/(m   K),空气导热系数为 0.023W/(m   K),但是加速度计内部空气会有必定的活动,将活动传热核算进空气热传导,空气导热系数约可以前进 20 倍,这样可以大致核算出稳态有热源一维情况下,极板框处温度大致为 24.4℃。实践情况中,极板框还与底面的不锈钢底座进行热传导,这在一维核算中没有体现。因此,实践情况中,极板框的温度应低于此值。查验质量处的温度只和极板框的辐射换热有关,而 20℃左右的温度辐射换热很弱小,因此,查验质量处的温度应靠近 20℃。这关于下一步模型简化的理论核算供应了必定的数值参看,也可以与第 3 章的仿真效果进行比照比较,具有必定的价值。
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3 根据 FEM 有限元软件的加速度计热分析仿真......26
3.1FEM 有限元热分析仿真全体介绍...........26
3.1.1 FEM 有限元分析简介 ....26
3.1.2 本文选用的 FEM 有限元软件介绍.......27
3.2 加速度计热仿真前设置 ...........28
3.3 加速度计热仿真网格区别以及迭代核算 .......30
3.4 仿真效果与分析........32
3.5 本章小结....35
4 根据 FEM 有限元软件的加速度计热规划仿真......37
4.1 热规划方案........37
4.2 热规划方案仿真........38
4.3 仿真效果与分析........39
4.4 后续的一些仿真效果与分析 ...........40
4.5 本章小结....41
5 总结与展望.........43
4 根据 FEM 有限元软件的加速度计热规划仿真
4.1 热规划方案
根据第 3 章的加速度计热仿真效果,可以得出两个最重要的热规划教导政策,即电路板处热源处增强导热和航天器的政策——尽量缩小查验质量 TM 处温度不坚定问题,别的关于 TM 温度均匀性也可以做一些规划。由于航天器中的热规划以被逼隔热为主,主动热控为辅,本模型本就是航天器的载荷,只选用被逼隔热是最好的热规划方法。本模型的热规划的难点在于由于整个加速度计是封闭结构,且热源在封装的传感盒内部,结构是内部有热源,模型内部结构紧凑,因此,关于航天器热规划中常用的多层隔热材料 MLI(Multi-LayerInsulation)并不能在加速度计上面运用。多层隔热包在加速度计模型外面虽然可以隔绝外界环境不坚定的影响,衰减倍数极大增多,但是这样也一同导致加速度计的传感盒结构内的电路板热耗散发作的热无法经由表面面传导出去,这样会导致整个加速度计温度持续升高,电路板处最高温度必定逾越第 3 章仿照出的安稳温度。并且加速度计的结构标准并不大,而 MLI 是由多层镀铝聚酯薄膜中心夹疏松纤维、网、泡沫等间隔物组成的,可到达十几 mm 的厚度,并不合适包裹在加速度计结构内部,虽然其具有出色的隔热才干,在本模型中也是不适用的。因此,关于隔热问题还需求做其他的设想,采纳其他方法。接下来叙说一下对本模型热规划的主意。首先是电路板增强导热的问题,要想方法把电路板热耗散更多的传导至底座处将热散出去。电路板处三个传热方法:热源向电路板附近的表面辐射传热,电路板附近的空气对流传热,电路板与电路框的触摸部分传热。由第 2 章的 2.2 末节传热量核算,可知电路板附近的热辐射以及空气对流传热量都很小,首要是通过热传导散热。因此,本模型挑选增大电路板与电路框的导热面积,在电路板附近增加薄铜片导热,增加电路板热传导散热。

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总结
作为在地球重力勘探和基础科学实验等范畴有重要使用的空间航天器精密测量仪器静电悬浮加速度计,对其全体温度情况以及查验质量 TM 处的温度不坚定情况进行研讨分析具有重要意义。在对 GOCE、LISA、LISAPathfinder 等航天器进行了必定的调研后得知这些航天器都关于温度问题进行了相关的研讨。其间 LISA Pathfinder 航天器还设置有一个专门的热确诊子系统确诊温度对查验质量处的力噪声如辐射计效应、辐射压以及出气效应等的影响。本论文针对本课题组的内部有热源的电路与机械一体化规划的静电悬浮加速度计实践模型,判定了热仿真边界条件以及各项物理参数之后,在外界环境室温 20℃正弦不坚定振幅为 1℃的条件下,对加速度计进行热分析仿真;再根据热分析仿真效果对加速度计进行热规划,以使其保证电路板上元器件不至于温度过高而影响其正常作业以及在遭到外界热不坚定时在查验质量处的影响在可接受范围内,不至于过大影响加速度计的分辨率。终究对热规划的方案进行仿真验证,并对效果进行分析。
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参看文献(略)

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