超导磁悬浮装置漂移误差分析及漂移测试方法研究

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惯性导航技术是一种不依赖外界条件、完全自主、具有高隐蔽性的导航方式,其在航空、航天、航海及国防等领域都有很重要的应用。现阶段,惯性导航系统中角速度和角位移测量部件的精度是限制我国惯性导航系统导航定位精度的关键问题之一。由于极低温和超导磁悬浮的支承方式,使得超导磁悬浮装置在高精度的角速度和角位移测量方面有很大的应用潜力和研究价值。  在超导磁悬浮装置工作时,受各种干扰因素的影响,装置核心部件——超导转子会产生进动,导致转子极轴发生漂移,而超导磁悬浮装置对角速度和角位移的测量精度就是通过转子极轴漂移的状况来反映的。为评价超导磁悬浮装置的精度和性能,并为漂移误差的补偿提供依据,需要对超导磁悬浮装置进行漂移误差分析和漂移测试方法研究。而实现超导转子的高速旋转是降低装置漂移率并对装置进行漂移测试的前提和必要条件。因此,本文首先对超导转子实现高速旋转的关键技术问题展开了研究,接着对超导转子旋转恒速性、超导磁悬浮装置漂移误差和漂移测试方法进行了详细研究。  本文的研究工作主要集中在以下几个方面:  第一,对超导转子实现高速旋转的关键技术问题进行了研究。利用转子动力学理论对超导转子的运动状态进行了分析,研究了系统阻尼系数和超导磁支承刚度这两个关键参数对超导转子运动状态的影响。根据不同磁支承刚度下超导转子幅频响应曲线的变化规律,提出了一种通过快速改变磁支承刚度来规避超导转子临界转速和共振问题的方法。利用该方法对超导转子进行了加转实验,实验结果表明,该方法成功实现了超导转子的安全稳定加速,最高转速达到了256Hz(15360rpm)。高速旋转的实现对于提高超导转子的定轴性,降低转子极轴漂移率具有重要意义,同时也为超导磁悬浮装置漂移测试的顺利进行奠定了坚实基础。  第二,对超导转子旋转恒速性问题进行了详细研究。利用稀薄气体动力学理论和转子动力学理论分别研究了悬浮球腔剩余氦气和径向质量偏心对超导转子旋转恒速性的影响。分析结果表明,当悬浮球腔剩余氦气处于自由分子流状态时,超导转子的自转角速度会呈指数规律衰减。接着对不同球腔压强下超导转子的旋转恒速性情况进行了实验研究,经对比发现,实验结果与理论结果具有较好的一致性。对比结果还表明,径向质量偏心是现阶段影响超导转子旋转恒速性的主要因素。  第三,对超导磁悬浮装置的漂移误差进行了研究。从物理作用机理的角度出发,研究了超导磁悬浮装置的主要漂移误差来源及其对装置漂移特性的影响。根据分析结果及各漂移误差源的估计误差范围,利用VC++编写了一套超导磁悬浮装置漂移误差仿真计算软件。  第四,对超导磁悬浮装置的漂移测试方法进行了研究。针对现阶段超导磁悬浮装置的结构特点和倾斜角度限制,分别设计了超导磁悬浮装置的伺服法漂移测试方案和力矩反馈法漂移测试方案。受超导磁悬浮装置现阶段不能实现90。翻转的限制,提出了一种四位置力反馈漂移测试法,并分析了这种方法的测试原理误差。最后,对力矩反馈法的关键执行部件—一超导力矩器的输出特性进行了研究。  第五,对超导磁悬浮装置进行了漂移测试试验。首先设计了一套反射式强度调制型光纤极轴传感系统,并分析了超导转子极轴信号的正交分解方法和相位基准问题。在此基础上,对超导磁悬浮装置进行了漂移测试试验,并对测试结果进行了分析,确定了超导磁悬浮装置的短期漂移特性。  本课题的研究成果为下一步对超导磁悬浮装置进行长期的漂移测试打下了基础,进一步推进了超导磁悬浮装置的工程化和实用化进程。
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