基于物質(zhì)波干涉效應(yīng)的新型低溫超流體陀螺關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、4He超流體的交流約瑟夫森效應(yīng)和物質(zhì)波干涉技術(shù)是低溫凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域取得的前沿研究成果，基于此技術(shù)實(shí)現(xiàn)超流體陀螺儀是當(dāng)前世界上新概念陀螺技術(shù)研究的一個(gè)重要方向，其中，從物理效應(yīng)研究到形成超流體陀螺儀理論還面臨若干關(guān)鍵的問題。本文針對這些問題開展了研究，主要工作包括:
　　開展了超流體物質(zhì)波干涉儀模型研究與實(shí)現(xiàn)超流體陀螺技術(shù)的分析。對4He超流體物質(zhì)波干涉儀的典型基本結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，分析了超流體物質(zhì)波干涉（Sagnac環(huán)路）

2、模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和振動(dòng)信號輸出模塊的機(jī)理。開展超流體量子干涉儀敏感角速度機(jī)理的仿真，通過仿真結(jié)果分析了線性、非線性、大動(dòng)態(tài)、小動(dòng)態(tài)情況下輸入角速度的影響特點(diǎn)。根據(jù)理論和仿真結(jié)果總結(jié)分析了超流體量子干涉儀實(shí)現(xiàn)成為陀螺的四個(gè)關(guān)鍵問題:角速度解算、角速度檢測范圍、穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)和超流體干涉特性的陀螺誤差性能分析等。
　　在超流體陀螺角速度檢測技術(shù)方面，論文研究了兩種有效的技術(shù)方案:時(shí)域分析的薄膜位移增量法;頻域分析角速度解算方法。并通過解算效果

3、的對比，優(yōu)選得出時(shí)域分析的薄膜位移增量法能夠直接而準(zhǔn)確地解算得到角速度值。針對此方法產(chǎn)生的偏值和跳變誤差，研究給出了相應(yīng)的抑制誤差處理，使誤差水平得到了顯著抑制，降低了一個(gè)數(shù)量級。該角速度檢測技術(shù)解決了目前超流體干涉陀螺在有角加速度情況下角速度信息提取的問題。
　　論文研究了擴(kuò)展超流體陀螺量程的問題。首先對超流體干涉儀的角速度檢測范圍進(jìn)行了原理研究和仿真分析，總結(jié)了量程限制以及影響因素。采用加熱補(bǔ)償方式設(shè)計(jì)了兩種工作點(diǎn)控制方案:幅

4、值鎖定法和歷程監(jiān)測法，兩種方案均能有效達(dá)到擴(kuò)展角速度檢測范圍的目的。通過仿真對比了兩種方案，結(jié)果顯示歷程監(jiān)測法綜合效果更好。研究進(jìn)一步提出了避免加熱補(bǔ)償超過超流體上限的限制補(bǔ)償技術(shù)。為擴(kuò)展監(jiān)測靈敏度，提出了一種新型的多層多超流回路干涉盤結(jié)構(gòu)，在使用同等面積的情況下，能將超流體陀螺的靈敏度和分辨率提高2～3個(gè)數(shù)量級，進(jìn)一步增強(qiáng)了超流體陀螺在這些方面的優(yōu)勢。
　　對于超流體陀螺的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)相差補(bǔ)償，論文開展了超流體熱動(dòng)力學(xué)問題分析

5、。以超流體雙分量模型及其理論為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬超流管路中的非定常熱擴(kuò)散和勢差驅(qū)動(dòng)非定常對流，得到了熱擴(kuò)散和勢差驅(qū)動(dòng)對流在超流體管路中演變到穩(wěn)定所需的時(shí)間（即響應(yīng)滯后時(shí)間）。分析指出了勢差驅(qū)動(dòng)對流是動(dòng)態(tài)響應(yīng)的主導(dǎo)機(jī)理，并根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果總結(jié)了超流體勢差波傳播特征和響應(yīng)滯后時(shí)間與音速和管路長度的關(guān)系。首次給出了超流體陀螺干涉環(huán)路中對動(dòng)態(tài)輸入的響應(yīng)滯后特性，并在分析掌握了熱驅(qū)動(dòng)和壓差驅(qū)動(dòng)各自優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)兼顧兩者優(yōu)勢的組合驅(qū)動(dòng)補(bǔ)

6、償方案。
　　最后，研究建立了一套具有穩(wěn)定熱驅(qū)動(dòng)、相位動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、角速度位移增量提取、滯后校正模塊等環(huán)節(jié)的超流體陀螺性能仿真模型。以該模型為基礎(chǔ)開展了陀螺特性的仿真分析，分析了超流體陀螺的誤差特性。結(jié)果顯示，本課題新提出的新型超流體物質(zhì)波干涉陀螺，在變輸入角速度輸入情況下的物質(zhì)波Sagnac干涉信號檢測方法、兼顧高靈敏度和大工作范圍的超流體陀螺儀方案、超流體陀螺穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)和補(bǔ)償技術(shù)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后及校正等方面的技術(shù)方案是有效的。