基于压力和热相移的超流体陀螺量程扩展研究

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1、中图分类号：V241.5论文编号：102870316-SZ064学科分类号：081101硕士学位论文基于压力和热相移的超流体陀螺量程扩展研究研究生姓名郭紫专业类别工程硕士专业领域控制工程指导教师赵伟副教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一六年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringTheResearchofRangeExtensionofSuperfluid

2、InterferenceGyroscopeSystemBasedonPressureandThermalPhaseShiftAThesisinControlEngineeringbyGuoZiAdvisedbyAssociateProf.ZhaoWeiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2016承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成

3、果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：摘要超流体陀螺是以低温物理学为理论基础的新型陀螺。超流体干涉陀螺利用物质波干涉而具有显著的技术优势从而成为超流体陀螺的主要发展方向。超流体陀螺在国内外学者们的长期研究下已

4、经取得一定成果，但是仍然存在性质与技术方面的问题需要解决。论文针对超流体陀螺的驱动原理、超流氦传热机理和新的量程扩展方案展开了深入研究。论文首先对超流氦的性质以及超流体干涉陀螺的基本原理进行了研究，以美国研究学者Packard团队的陀螺为模型，对超流体陀螺的各个模块的工作原理进行了详细研究，并且建立相应的数学模型，并提出可能存在的关键问题。通过对超流体陀螺驱动机理的研究，对超流体陀螺的压力驱动和热驱动方式进行建模，并对驱动过程中的流量和薄膜位移等参数进行了建模，构成了驱动工作中的驱动模型、流量模型和薄膜位移模

5、型，并仿真了两种驱动方式下的超流体陀螺各参数变化规律，对两种驱动方式进行分析，得出两种驱动方式都可以产生恒定的化学势能差，保证超流体进行稳定的约瑟夫森振荡，令超流体陀螺能够稳定工作，稳定振荡的流量和薄膜位移是超流体陀螺量程扩展的基础，所以对驱动系统的研究为量程扩展研究的基础。量程扩展系统为超流体陀螺中的重要模块，为超流体陀螺的主要组成部分。由于量程扩展系统中使用加热热阻的方式进行热相移注入，所以量程扩展系统与超流氦传热机理具有紧密联系。通过对量程扩展系统和超流氦传热机理的综合研究可以得出结论，热相移的注入并非

6、瞬时完成，存在的延迟会很大程度上影响超流体陀螺的性能，所以需要对超流氦传热机理进行深入研究并探究新的量程扩展方案解决时延问题。为了解决热相移注入时延，论文提出了基于压力和热相移协同作用的量程扩展方案。利用薄膜拉扯驱动热管中的超流体产生压力相移，利用加热热阻产生热相移，令两种相移共同实时补偿萨格纳克相移，从而解决热相移时延、薄膜产生压力相移不能长时间工作的问题，提高量程扩展系统性能。论文对两种相移的产生和综合补偿原理进行了建模和仿真，验证方案可行性。最后在该方案的基础上，采用模糊逻辑控制方案改善热相移产生过程的

7、动态性能，缩短了补偿热相移达到目标相移的时间，提高了量程扩展系统的性能。最后仿真验证。关键词：超流体干涉陀螺，交流约瑟夫森效应，超流氦传热，量程扩展系统，压力相移，相移锁定法IAbstractThesuperfluidgyroscopeisanewkindofgyroscopebasedonCryogenics.Thesuperfluidinterferencegyrohasahugeadvantagebecauseofbasingonmatterwaveinterferometrythereforebeco

8、mesthemaindevelopmentdirectionofthesuperfluidgyroscope.Althoughunderlongtermresearchdomesticandforeignscholarshavemadesomeachievements,therearesomekeyproblemstobesolved.Inthisthesis,thedrivingmechanism