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

这是一篇在职硕士论文，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形式，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获得硕士学校毕业证和硕士学位证书。（以上内容来自百度百科）今天为大家强烈推荐一篇在职硕士论文，供大家参考。1 引言1.1 课题研究背景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，空间加速度计主要包括机械连接式加速度计和无机械连接式加速度计，静电悬浮加速度计属于后者。常见的机械连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]，常见的无机械连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。机械连接式与无机械连接式空间加速度计的区别就在于检验质量 TM（TestMass，TM）是否与其他机械部分有连接。MEMS 加速度计利用 MEMS 技术，具有尺寸体积小、结构重量轻、功率耗散低、可靠性高等优点[1]，可有效减轻卫星载荷质量，提高卫星载荷的使用年限[2]。石英挠性加速度计主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）三个关键部分组成。它的理论基础是牛顿惯性定律，并且具有力反馈的平衡调节系统。石英挠性加速度计的摆片组件的质量不依赖于参考系，通过测量摆片组件加速时的惯性力来工作[4-6]。全光式加速度计采用光学方法对检验质量进行位移测量以及反馈控制，常用的有激光干涉仪，利用激光束的相位差来测量检验质量之间的相对位移[7]，曾用于 LISA 卫星上。接下来详细介绍一下本文的研究对象静电悬浮加速度计。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]。传感部分由检验质量和电容极板框组成，电容极板框与机械结构固连，无外力输入或噪声干扰时，检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检验质量与机械结构的位移变化转化为电容差。电路部分由电容位移传感电路与执行电路组成，电路部分的作用是当检验质量偏离中心位置时，经过电容位移传感电路中的电桥不平衡产生电压差。此差值通过反馈电路与执行电路产生反馈电压加载在电容极板框上，从而对检验质量产生静电反馈力，使检验质量回归平衡位置。此反馈电压可由电容位移传感电路输出电压计算得出。从而得知检验质量所受到的静电力大小，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工作示意图。.........1.2 课题研究意义加速度计作为精密测量仪器，为了更精确并且准确地测量加速度，我们有必要去探讨对加速度计测量造成影响的各种干扰因素，比如振动、干扰力矩、湿度和温度干扰等等，其中温度的影响十分深远。因此，对静电悬浮加速度计的研究，不仅需要突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设计。对于结构紧凑的加速度计，设计上把传感部分以及电路部分集中在一起，即机械与电路一体化的设计，使得功耗比较集中，距离检验质量也很近，这对于温度控制的设计要求更高了。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，而需要对传感盒内部进行热设计。本文的研究目标就是在外界环境温度波动幅度为 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，并根据分析结果对其热设计方案进行一定的指导，最后对热设计方案进行仿真分析。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同时还要保证前放电路具有较好的性能，把电路板与加速度计检验质量封装的很近。这样机械与电路一体化的设计虽然能得到良好的电路性能，但是牺牲了温度稳定性。在日益提升的加速度计测量精度下，对加速度计进行热分析以及热设计便具有重要意义。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℃变化时其漂移误差会很大。加速度计作为一个高精度测量仪器，我们有必要对其测量过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受到太阳辐照、地球红外辐射及卫星自身的热活动影响，静电悬浮加速度计内部检验质量等敏感结构的温度并不均匀，检验质量周围存在温度梯度，温度梯度的变化会导致辐射压、辐射计效应以及出气效应，从而产生力噪声。这是构成加速度计噪声的一项来源，是影响加速度计分辨率的主要因素之一。第四，论文中对加速度计简化模型的热设计研究为后续正式的热设计做了铺垫，具有一定的参考价值，并为今后进行实验奠定理论与仿真基础。实验与理论的结合，可更好地模拟各种情况。在具有实验条件的情况下，进行仿真模拟具有更加重要的意义。........2 静电悬浮加速度计的理论热分析以及模型简化过程2.1 静电悬浮加速度计的实际模型论文对静电悬浮加速度计的简化模型进行了研究。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易绘制并分解，爆炸示意图如图 2-1。爆炸示意图只是示意结构，并不是真实的物理模型。实际机械结构十分复杂，主要结构从内到外有检验质量 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（内外 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。其中检验质量 TM 与极板框之间的距离在 x、y、z 轴上都粗略地按 1mm 进行仿真，如图 2-2 所示。实际模型过多的小结构以及一些打标等处理对于热分析来说都是不利的，它会使热分析变得复杂而繁琐，增加热分析工作量，并且小结构对热分析的结果影响微乎及微，在此将其忽略。...........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易的稳态热分析。假设外界温度恒温 20℃，加速度计内部有恒热源，选取一个 x 轴方向，取由外界到检验质量中心为传热路径，从外界到真空腔外罩内表面都只考虑热传导，从真空罩内表面至检验质量 TM 处只考虑热辐射。取这个路径上的热源为 2W，对这个传热路径进行一个简易的稳态热计算[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外表面的空气 0.015m，电路板 0.002m，外屏蔽罩 0.003m，外屏蔽罩内表面到真空腔外表面的空气 0.01m，真空腔 0.002m，真空腔内表面至极板框外表面 0.005m。其中外屏蔽罩导热系数为 237W/(m )，空气导热系数为 0.023W/(m )，但是加速度计内部空气会有一定的流动，将流动传热计算进空气热传导，空气导热系数约可以提高 20 倍，这样可以大致计算出稳态有热源一维情况下，极板框处温度大致为 24.4℃。实际情况中，极板框还与底面的不锈钢底座进行热传导，这在一维计算中没有体现。因此，实际情况中，极板框的温度应低于此值。检验质量处的温度只和极板框的辐射换热关于，而 20℃左右的温度辐射换热很微弱，因此，检验质量处的温度应接近 20℃。这对于下一步模型简化的理论计算提供了一定的数值参考，也可以与第 3 章的仿真结果进行对比比较，具有一定的价值。...........3 基于 FEM 有限元软件的加速度计热分析仿真......263.1FEM 有限元热分析仿真总体介绍...........263.1.1 FEM 有限元分析简介 ....263.1.2 本文采用的 FEM 有限元软件介绍.......273.2 加速度计热仿真前设置 ...........283.3 加速度计热仿真网格划分以及迭代计算 .......303.4 仿真结果与分析........323.5 本章小结....354 基于 FEM 有限元软件的加速度计热设计仿真......374.1 热设计方案........374.2 热设计方案仿真........384.3 仿真结果与分析........394.4 后续的一些仿真结果与分析 ...........404.5 本章小结....415 总结与展望.........434 基于 FEM 有限元软件的加速度计热设计仿真4.1 热设计方案根据第 3 章的加速度计热仿真结果，可以得出两个最重要的热设计指导方针，即电路板处热源处增强导热和航天器的目标尽量缩小检验质量 TM 处温度波动问题，另外对于 TM 温度均匀性也可以做一些设计。由于航天器中的热设计以被动隔热为主，主动热控为辅，本模型本就是航天器的载荷，只采用被动隔热是最好的热设计方法。本模型的热设计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，对于航天器热设计中常用的多层隔热材料 MLI（Multi-LayerInsulation）并不能在加速度计上面使用。多层隔热包在加速度计模型外面虽然可以隔绝外界环境波动的影响，衰减倍数极大增多，但是这样也同时导致加速度计的传感盒结构内的电路板热耗散产生的热无法经由外表面传导出去，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然超过第 3 章模拟出的稳定温度。并且加速度计的结构尺寸并不大，而 MLI 是由多层镀铝聚酯薄膜中间夹疏松纤维、网、泡沫等间隔物组成的，可达到十几 mm 的厚度，并不适宜包裹在加速度计结构内部，虽然其具有良好的隔热能力，在本模型中也是不适用的。因此，对于隔热问题还需要做其他的构想，采取其他措施。接下来叙述一下对本模型热设计的想法。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式：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，电路板与电路框的接触部分传热。由第 2 章的 2.2 小节传热量计算，可知电路板附近的热辐射以及空气对流传热量都很小，主要是通过热传导散热。因此，本模型选择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。

.........总结作为在地球重力探测和基础科学实验等领域有重要应用的空间航天器精密测量仪器静电悬浮加速度计，对其整体温度情况以及检验质量 TM 处的温度波动情况进行研究分析具有重要意义。在对 GOCE、LISA、LISAPathfinder 等航天器进行了一定的调研后得知这些航天器都对于温度问题进行了相关的研究。其中 LISA Pathfinder 航天器还设置有一个专门的热诊断子系统诊断温度对检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设计的静电悬浮加速度计实际模型，确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℃正弦波动振幅为 1℃的条件下，对加速度计进行热分析仿真；再根据热分析仿真结果对加速度计进行热设计，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工作以及在受到外界热波动时在检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。最后对热设计的方案进行仿真验证，并对结果进行分析。..........参考文献（略）