直管式科氏质量流量计对脉动流响应的研究

弹性测量管的振动特性决定了科氏质量流量计的测量精度.以直管科氏质量流量计为例,初步分析研究了流体脉动对其测量管振动特性的影响.建立了被测流体脉动时测量管振动的数学模型;采用Galerkin法对模型进行了处理,将模型转化为受外激励和参数激励联合作用的有耦合多自由度振动问题;用多尺度法对其进行了分析,给出了脉动流作用下科氏质量流量计测量管振动的主要频率成分,揭示了脉动流作用的机理.所得到的大部分结论与有关文献的实验结果吻合.     

谐振式科里奥利质量流量计

对谐振式科里奥利质量流量计的基本敏感机理进行了论述.基于典型的U型管敏感结构,建立了谐振式直接质量流量计的数学模型,给出了检测质量流量的信号解算模型,设计了一种信号解算电路并研制了相应的样机.实测结果表明:所研制的信号检测电路的测量误差小于0.1％,具有一定的实用价值,为样机研制提供了具有一定参考意义的理论和实验研究结果.     

超声波流量测量中流速计算方法的对比

超声波流量计(UFM,Ultrasonic Flow Meter)通过测量管路中顺流和逆流方向的超声波传播时间变化计算流速,因此超声波传播时间的准确测量对流量计的精度影响至关重要.对超声波流量计的测量方法进行研究,从环境温度的变化、时间测量的准确性、不确定度的计算3个方面,对比超声波传播时间差法和频率差法对流量测量精度的影响.通过超声波流量测量实验,验证了在流量计未校准的情况下,与频率差法相比,时间差法的测量精度更高,且其校准系数曲线的线性度更好,校准后可在全流量范围内获得更高的测量精度.     

应用激光测振技术提高模态试验测量准确度

以一个标准直梁为研究对象,应用扫描式激光测振系统对梁进行了模态测量,得到梁的弯曲振动和纵向振动固有频率和振型,光测结果与理论计算结果相符。与传统的传感器测量结果相比,激光多普勒测振技术测量准确度高,可以很好的解决传感器对结构产生的附加质量的问题,尤其适用于轻薄结构的模态测量。     

科氏质量流量计全数字闭环系统的设计与实现

科氏质量流量计(CMF,Coriolis Mass Flowmeter)全数字闭环系统,采用现场可编程门阵列(FPGA,Field Programmable Gate Array)和现代数字信号处理方法对CMF传感器进行稳定精确的闭环控制,实时性和精度较高.以高速并行器件FPGA为运算和控制核心,在相位控制中引入FIFO(First In First Out)组件,通过控制FIFO的读、写请求信号来改变时间差,实现对拾振和激励信号的相位差准确、稳定的控制;采用不连续和连续幅值控制相结合的非线性幅值控制方法,快速、准确地设定幅值,适应性强,实现对拾振信号幅值的良好控制,并控制拾振信号以稳定的幅值输出,提高CMF的测量精度和稳定性.实流标定对比实验结果表明:CMF数字闭环在零点稳定性、动态响应特性和重复性方面都优于模拟闭环,并在一定程度上提高了CMF的测量精度.      

在轨加注用超声波流量计的设计与试验

针对航天器在轨加注对推进剂流量的精确测量要求,研制了在轨加注用超声波流量计。在对传播时间法研究的基础上,提出流量计管路布局的设计要求,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)的方法模拟4种不同管路布局(直角型、45°锐角型、直线型和圆弧型)对流体速度分布的影响,对比得到了优化的管路布局。信号处理电路使用斩波稳定比较器,通过阈值比较法,保证了传播时间的测量精度。流量计经标定后,在量程（0～150g/s）范围内可达到0.1%的测量精度。为了验证在轨加注过程中流量计的作用,在地面环境下进行了在轨加注地面模拟试验,试验表明超声波流量计在推进剂在轨加注中使用是可行的和必要的。     

谐振式微小型压力传感器数字闭环系统

在微小型特别是硅谐振微传感器中,低信噪比的微弱信号检测、闭环自激电路的小型化和抗干扰等问题十分突出.复合音叉微小型谐振式压力传感器数字锁相环闭环检测系统将输入的模拟信号(压力)直接转换为准数字量(频率),测量精度高,基本上解决了测量系统中结构参数小、工作频率高、信号幅度弱、耦合强、干扰大等问题,该方法可直接应用于硅谐振式微传感器,对实现硅谐振微传感器的工程化具有指导意义.      

光纤读出的微光机电振动传感器

针对采用半导体工艺加工的微机械结构对振动进行测量的问题,提出了基微光机电系统(MOEMS)结构并采用光纤读出的振动传感器的设计方案,分析了该传感器的基本测量原理并推导了数学模型.该传感器采用单光纤的读出方式,利用固定于探测器敏感头前端的微结构感受待测物体的振动,通过测量由微结构振动引起的反射光强度的变化,实现对振动的测量.单光纤结构的使用和微结构参数的合理设计,使得该系统与传统的光纤读出系统相比,具有灵敏度高、尺寸小、易于同光纤匹配的特点.应用该系统对压电陶瓷的振动情况进行测量,可探测到0.18nm的位移.      

MEMS陀螺半实物仿真系统设计

微机电(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)陀螺是基于科氏力原理,用于检测外部旋转的一种角速度传感器。由于MEMS陀螺本身性能的限制,其内部机理研究和接口电路设计的进程发展缓慢。本文通过分析MEMS陀螺的数学模型,并通过将RLC电路与MEMS陀螺特征方程形式进行对比,说明了借助RLC电路建立MEMS陀螺半实物仿真 (Hardware-in-loop Simulation,HILS) 系统模型的可行性。在充分考虑了实际MEMS陀螺的输入/输出项、耦合项和谐振频率调节等完整功能的前提下,完成了MEMS陀螺的HILS系统模型各个功能模块的设计。本文设计的MEMS陀螺的HILS系统模型可实现实际MEMS陀螺的输入输出、谐振频率调节以及角速度检测,并通过一系列实验证实了其性能的可靠性,本设计为将HILS方法应用于MEMS陀螺研究提供了有效的依据。     

分布式液压流体脉动主动控制方法

针对飞机液压能源管路系统中的周期性流体脉动诱发流固耦合振动,导致管路疲劳损伤的问题,针对管路中存在压力驻波特性,在采用单点消振时寻找误差传感器最佳布局位置困难而引起脉动抑制效果不理想的缺点,提出了一种分布式流体脉动主动控制方法,即沿管路不同位置布置多个主动消振阀和误差压力传感器,在任意飞行阶段,避开压力驻波点,以误差压力传感器的脉动测量值为控制目标,采用一种针对周期脉动主动控制的自适应前馈控制法和多通道自适应滤波-X LMS(Least Mean Square)算法,调整控制器参数,使主动消振器产生的次级脉动与管路中的初始脉动相互抵消,达到整个管路中的平均流体脉动最小的效果.为了验证分布式主动控制方法的有效性,设计了主动控制平台.实验结果表明,所提出的分布式流体脉动主动控制原理和方法能对流体脉动进行很好的抑制,消振量达10 dB以上.      

新型数字-频率变换在科氏质量流量计中的应用

对新型全数字式科氏质量流量计频率输出信号采用数字—频率转换D/F(Digital to Frequency Conversion)方法实现.利用晶振和现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Arrays)与数字信号运算处理单元DSP(Digital Signal Processing)配合实现频率量输出,有效避免了传统的模拟式科氏质量流量计的电压—频率V/F(Voltage to Frequency Conversion)转换方法中存在的精度不高、温漂以及电路复杂等问题,而且也消除了由于频率刷新造成的输出频率非整周期对输出结果的影响.实验表明,该数字—频率转换方法具有较高的转换精度,实现了输出频率的整周期刷新,不存在V/F转换电路的温漂等问题.该电路简单,与数字电路实现无缝接口,对于数字系统的频率输出设计具有较高的参考价值.      

直接式涡轮质量流量计的数学模型

提出了直接式涡轮质量流量计的概念,应用流体力学的二元边界层理论和二元叶栅理论建立了质量流量传感器的数学模型,并计算了涡轮轴向力的大小。计算表明,涡轮转子所受轴向力的大小与涡轮动量ρQ^2成正比。所提供的结论为研制这一类质量流量计提供了理论依据,也为设计轴向测力传感器提供了数据。     

航天遥感器用泵驱两相流体回路热真空试验研究

针对航天遥感器核心组件的高精度与高稳定度的控温需求,设计并搭建了一套泵驱两相流体回路(MPTL)试验装置,该装置使用了一套具有被动冷却能力的两相控温型储液器。为验证MPTL系统在高真空、极低温与变化外热流条件下的工作能力,在真空罐内对MPTL系统在不同工况点下的散热与控温能力进行了测试,并通过温度和压力等数据研究了主回路的运行特性、储液器内热力学变化特性及两者之间的传热传质过程。结果表明：MPTL系统的控温点可通过储液器进行快速调整,蒸发器温度的变化受外热流与热源开关影响较小;进入毛细管中的过冷液与储液器中的液相形成的温差保证了储液器冷量的供应;主回路发生相态转变时,储液器与主回路工质交换特性引起了系统压力降脉动。     

数字科氏质量流量计闭环系统及信号解算

在科氏质量流量计测量系统设计中,提出一种数字式信号处理、解算的全新设计思路.采用高速并行模拟数字转换电路(A/D)将传感器输出的信号完整采样,借助数字信号处理芯片(DSP, Digital Signal Processor)强大运算能力对信号进行深入的分析与处理;利用信号处理方法对信号进行实时滤波处理并精确计算两路信号的相位差,进而解算出流体的质量流量和密度,辅以单片机和现场可编程器件(FPGA, Field Programmable Gate Array)实现系统的控制、显示与通讯;提出谐振电路的数字式闭环设计新思想,利用数字电路及其信号处理方法实现传统的闭环增益控制(AGC, Auto Gain Control).实验结果表明:该系统有效提高了测量系统的零点稳定性和测量精度.     

反演航天器在轨瞬态外热流的导热反问题

获得航天器在轨飞行过程中的外热流数据对于研究热控涂层在轨退化规律、各种空间因素对热控产品的影响以及航天器姿轨控发动机羽流热效应都有非常重要的意义,然而直接测量热流存在很多困难,因此可以通过求解导热反问题得到满足一定精度的结果.首先,通过研究利用航天器设备在轨遥测温度值反演出航天器在轨瞬态外热流的导热反问题方法,建立了反演航天器在轨瞬态外热流的数学模型,采用共轭梯度法求解导热反问题并从物理概念角度改进了共轭梯度法的迭代过程以增加其抗不适定性;然后构造了两组能够代表目前大多数地球轨道航天器以及深空探测航天器在轨吸收外热流变化的数值试验对共轭梯度法的反演效果进行了检验.除阶跃变化位置以外反演值与真实值的最大相对偏差为2.9%,反演效果非常好;对于阶跃变化位置的吸收外热流在对反演结果进行分析处理后也能够得到较好的反演结果.      

传感器安装对平板气动热测量精度的影响

对高超声速飞行器来说，气动热的准确预测是其合理选择防热材料及热结构设计的重要依据，但目前在激波风洞试验中气动热的高精度测量仍较为困难，热流的测量精度受到诸多非理想因素的影响，但传感器安装对热流测量精度的影响却鲜见研究。选取平板模型来研究传感器非理想安装对气动热测量精度的影响，针对不同的传感器安装偏差(凸出或凹入模型表面0.1~0.5 mm)，分析不同雷诺数下传感器安装对气动热测量精度的影响规律及机理。研究结果表明:传感器安装对气动热测量精度有较大影响，凸出安装会导致热流测量结果偏大，而凹入安装则会导致测量结果偏小，热流偏差会随着安装偏差的增大而增大，且高来流雷诺数下传感器非理想安装所引起的热流误差更大；以边界层当地厚度对凹凸程度无量纲化，非理想安装带来的测量偏差只与该无量纲参数相关。研究结果能够为气动热测量的实验方案设计及测量误差分析提供一定的理论指导。