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【學會優博】程思源:基於多孔介質的液環式角加速度計模型構建研究

編輯: 研究生院 發布日期: 2019-12-20 瀏覽量:

 

獲獎學會:中國指揮與控製學會

  

博士論文主要內容及創新點

 

  研究背景

  

  角運動作為自然界中物體運動的一種基本形式廣泛存在於生產生活中。目前,針對載體角位移和角速度的測量技術已基本成熟。相比之下,對於角加速度的測量方法研究尚處初期階段,相關的測量技術、手段、標準都不完善,然而在航空航天、交通運輸、工業生產、無人係統等應用領域都存在大量對角加速度直接測量的應用需求。

  從 20 世紀 50 年代開始,俄羅斯(前蘇聯)和美國的研究人員開始對液環式角加速度計進行研究,在理論基礎、工藝設計、係統集成等方麵都進行了大量的探索性工作,其產品達到了較高的性能,在各領域得到了應用。從 20 世紀 90 年代開始,我國的研究人員也開始研究該種角加速度計,但由於發達國家對我國的技術封鎖,我國的研究人員缺少基礎理論研究的支撐,導致我國生產的工程樣機性能一直難以提高。針對這種現狀,對基於多孔介質的液環式角加速度計的信號產生機理進行研究,建立其理論模型,提出角加速度計優化設計方法,提高工程樣機性能。

  

  研究內容

  

  液環式角加速度計中動-壓轉換過程理論模型的建立和驗證。

  液環式角加速度計固相轉換器滲透率改進模型的建立及驗證。

  基於毛管束模型的液環式角加速度計壓-電轉換過程穩態模型的建立。

  研究液環式角加速度計中壁麵效應對壓-電轉換過程的影響。

  研究液環式角加速度計的狀態空間模型和噪聲特性。

  

主要創新點及學術影響

  

  主要創新成果:

 

  為突破國內在液環式角加速度計領域的研究瓶頸,針對一種基於多孔介質的液環式角加速度計進行理論研究,在對該種角加速度計進行機理研究,得到整機模型的同時,提出傳感器優化設計方法。主要創新點有:

  1. 首次提出了描述動-壓轉換過程的瞬變流模型,設計特征線法求解,自研實驗樣機完成模型驗證。基於該模型分析了傳感器多個結構參數對其性能的影響。

  2. 深入分析了多孔介質經典滲透率模型的主要誤差來源,建立了轉換器的改進滲透率模型,可準確計算各種微珠配比轉換器的滲透率。

  3. 建立了毛管束模型描述壓-電轉換過程,提出了轉換器中毛管管徑分布參數的估計方法,可同時計算zeta電勢、滲透率和流動電勢耦合係數。首次考慮壁麵效應以改進毛管束模型,得出流動電勢耦合係數的徑向分布特性,指導了電極設計。

  4. 建立液相質量體的多自由度模型以等效瞬變流模型,並首次得出液環式角加速度計的整體狀態空間模型。

  在論文研究的理論成果的指導下,該種傳感器新型樣機的帶寬提高了3倍,環腔直徑減小到原來的30%。

  

  學術影響:

  

  博士期間在角加速度計領域的研究具有高度前沿性,研究工作理論紮實、結論實用,具有重大的理論和工程意義,直接提升了我國在該領域的研究水準和工程能力。課題的研究取得了豐碩的成果,在博士期間共發表SCI論文5篇,其中頂級SCI論文1篇,三區SCI論文4篇,發表或收錄EI論文5篇,獲得發明專利授權3項。讀博期間獲得多項榮譽和獎勵,包括研究生國家獎學金、“挑戰杯”大學生科技作品競賽全國一等獎、日內瓦國際發明展銀獎、優秀研究生等。

  

  

  學術成果:

  

  Siyuan Cheng, Mengyin Fu and Francis A.Kulacki. Characterization of a Porous Transducer using a Capillary Bundle Model: Permeability and Streaming Potential Prediction[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, 118: 349–354. (SCI二區Top, IF="3.891)

  Siyuan Cheng, Mengyin Fu, Meiling Wang and Francis A.Kulacki. The Influence of Tube Wall on Fluid Flow, Permeability and Streaming Potential in Porous Transducer for Liquid Circular Angular Accelerometers[J]. Sensors & Actuators A: Physical, 2018, 276: 176–185. (SCI三區, IF= 2.311)

  Siyuan Cheng, Mengyin Fu, Meiling Wang, Li Ming, Huijin Fu and Tonglei Wang. Dynamic Fluid in a Porous Transducer-Based Angular Accelerometer[J]. Sensors, 2017, 17(2): 416. (SCI三區, IF="2.475)

  Siyuan Cheng, Mengyin Fu, Meiling Wang, Xiang Li, Meifeng Xiao and Tonglei Wang. Modeling for Fluid Transients in Liquid-circular Angular Accelerometer[J]. IEEE Sensors Journal, 2017, 17(2): 267-273. (SCI三區, IF="2.617)

  Mengyin Fu, Siyuan Cheng, Meiling Wang, Li Ming and Tonglei Wang. Permeability Modeling for Porous Transducer of Liquid-circular Angular Accelerometer[J]. Sensors & Actuators A Physical, 2017, 257: 145-153. (SCI三區, IF="2.311)

  Siyuan Cheng, Meiling Wang, Xiang Li, Meifeng Xiao, Mengyin Fu and Xin Zheng. Transfer Function of Fluidic System in Liquid-circular Angular Accelerometer[100]. IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings. 2016:1-5( EI 檢索)

  Meiling Wang, Xiang Li, Siyuan Cheng, Mengyin Fu and Meifeng Xiao. Experimental Model Identification of Liquid-circular Angular Accelerometer using Subspace Method[100]. Chinese Control Conference. 2016: 2218-2222.( EI 檢索)

  Ke Ning, Meiling Wang, Siyuan Cheng and Li Ming. Frequency-dependent Streaming Potential Experiments of Porous Transducer in Liquid Circular Angular Accelerometer[100]. IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings. 2018:1-6.( EI 檢索)

  Ke Ning, Meiling Wang, Siyuan Cheng, Li Ming and Xin Zheng. Liquid-circular Angular Accelerometer: A Review[100]. Chinese Control Conference, 2018: 4888-4893. ( EI 檢索)

  Mengyin Fu, Meifeng Xiao, Meiling Wang, Siyuan Cheng and Xiang Li. Particle Detection of Porous Media using Scanning Electron Microscope Images[100]. Eighth International Conference on Digital Image Processing. 2016:100334R.( EI 檢索)11. Li Ming, Meiling Wang, Tong Liu, Siyuan Cheng, Mengyin Fu and Tonglei Wang. Electrokinetic Experiments of Porous Transducer in Liquid Circular Angular Accelerometer[100]. IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference. 2017:1-6.( EI 檢索)

  

  其他成果:

  

  付夢印, 程思源, 王美玲, 肖梅峰. 一種圓柱形微流道中電勢分布數值的獲取方法: 中國, ZL104850749B[P]. 2017-09-01.(已授權)

  付夢印, 程思源, 王美玲, 明麗, 李響, 肖梅峰. 一種多孔介質滲透率的確定方法: 中國, ZL105628586A[P]. 2018-04-12. (已授權)

  王美玲, 李響, 付夢印, 程思源, 肖梅峰, 明麗. 一種多孔介質動-壓轉換特性測量裝置: 中國, ZL105675257A[P]. 2016-06-15. (已授權)

  王美玲, 傅薈瑾, 付夢印, 李響, 程思源. 液環角加速度計的設計方法及其動-壓過程建模方法: 中國, ZL107818225A[P]. 2018-03-20. (已公開)

  王美玲, 傅薈瑾, 付夢印, 程思源. 一種 XXX 動壓過程建模仿真方法: 中國, 國防發明專利 [P]. (已受理)

  王美玲, 郭若愚, 程思源, 明麗, 寧可, 傅薈瑾. 一種快速確定多孔介質表征單元體積尺寸的方法: 中國, 201710805196.5[P]. 2017-09-08. (已受理)

  王美玲, 傅薈瑾, 寧可, 劉彤, 程思源, 明麗, 郭若愚. 一種多環液環角加速度計: 中國, 201710512252.6[P]. 2017-06-28. (已受理)

  王美玲, 寧可, 傅薈瑾, 付夢印, 程思源, 明麗, 郭若愚. 一種動態流場下多孔介質的壓電轉換特性測量裝置: 中國, 201710832631.3[P]. 2017-09-15. (已受理)

  

  獲獎情況:

  

  2017 年, 2018 年,獲博士研究生國家獎學金。

  2017 年, 2018 年,分別獲工信部創新獎學金一等獎(第一作者),二等獎(第二作者)。

  2014 年,擔任“智能地麵移動機器人創新團隊”負責人,獲全國首批“小平科技創新團隊”榮譽稱號(第一作者)。

  2014 年,在日內瓦國際發明展中獲得“銀獎”和“個人特別獎”(第一作者)。

  2013 年,在第 13 屆“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽中獲得“全國一等獎”,北京市特等獎(第一作者)

  2013 年,在第 6 屆全國大學生創新創業年會上獲得“我最喜愛的項目”和“最佳創意項目”(第四作者)。

  

  國際化培養:

  

  2016年9月-2017年10月,美國明尼蘇達大學,機械工程係,國家公派聯合培養博士生。

  

  心得體悟:

  

  在科研道路上,興趣為你領航,耐心祝你前行

  

  個人簡介:

  

  程思源,1992年2月出生於安徽省宣城市,2009年-2013年就讀於北京理工大學自動化學院,2013年-2019年在自動化學院導航製導與控製方向本科直博,師從付夢印教授。2016年9月獲國家留學基金委(CSC)國家建設高水平大學公派研究生項目資助,赴美國明尼蘇達大學聯合培養1年。2019年3月博士畢業後就職於北京華為數字技術有限公司諾亞方舟實驗室。