石英晶体微量天平的设计及其在月尘测量中的应用

论文摘要

石英晶体微量天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)具有较高的灵敏度,在微小质量颗粒的测量中,尤其在月尘测量中有着独特的优势。我国在嫦娥三号着陆器上首次使用了石英晶体微量天平进行了月尘测量。在充分调研国内外近几十年开展的月尘及宇宙尘埃探测工作的基础上,本文针对嫦娥三号月尘测量系统展开研究,重点研究了石英晶体微量天平的设计及其在月尘测量中的应用。论文首先介绍了石英晶体微量天平的应用背景,阐述了月尘测量系统的组成及设计,由于石英晶体频率信号易受干扰,所以在月尘测量系统的软硬件设计上需要采取相应的稳定频率的措施。之后,重点研究了石英晶体微量天平的设计及其应用。具体工作如下:(1)基于石英晶体谐振器的等效电路分析方法,设计了适用于月尘测量的石英晶体振荡电路。在研究振荡电路及其等效电路模型的基础上,通过电路动态参数的分析计算,从理论上论证了振荡电路输出频率仅取决于石英晶体谐振器本身的振荡频率。测试结果表明,振荡电路输出波形清晰、幅值稳定、频率波动小、高次谐波成份少,满足了设计和应用要求。(2)总结了月尘测量系统中石英晶体微量天平的测试和标定方法,通过相应的实验,测试了石英晶体微量天平的频率漂移曲线,给出了其质量分辨率、称量量程和频率—质量换算系数等关键参数。(3)介绍了月尘测量系统的在轨测试情况,通过测试数据的筛选和处理,给出了在轨测试结果,证明了石英晶体微量天平在轨应用的合理可行性。研究与测试结果表明,本文所设计的石英晶体微量天平在嫦娥三号月尘测量系统上运行可靠,可以满足探月工程需求。石英晶体微量天平的测试及标定方法为国外内其他领域空间微量颗粒的测量提供了工程借鉴。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
•   1.1 课题背景和意义
•     1.1.1 月尘的特性及危害
•     1.1.2 QCM测量技术
•     1.1.3 研究的意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 论文的主要工作
• 第二章 月尘测量系统设计
•   2.1 着陆器系统组成
•   2.2 月尘测量系统组成
•   2.3 月尘测量系统硬件设计
•     2.3.1 系统供电
•     2.3.2 控制和通讯
•     2.3.3 频率信号处理
•   2.4 月尘测量系统软件设计
•     2.4.1 主循环
•     2.4.2 QCM探头管理
•     2.4.3 频率采集管理
•   2.5 本章小结
• 第三章 石英晶体振荡电路设计
•   3.1 QCM的基本原理
•     3.1.1 晶体压电效应
•     3.1.2 石英晶体测量原理
•   3.2 石英晶体等效电路
•   3.3 石英晶体振荡电路
•     3.3.1 频率读取电路
•     3.3.2 振荡电路设计
•     3.3.3 起振电路动态分析
•     3.3.4 振荡电路频率输出
•   3.4 本章小结
• 第四章 QCM的测试及标定
•   4.1 QCM的测试
•     4.1.1 晶体原始输出频率测试
•     4.1.2 频率漂移测试
•   4.2 QCM的标定
•     4.2.1 质量系数标定
•     4.2.2 最小分辨率及量程
•   4.3 测试和标定结果
•   4.4 本章小结
• 第五章 QCM的在轨应用
•   5.1 月尘测量系统的工作模式
•   5.2 月尘测量系统的测试
•   5.3 月尘测量系统的数据处理
•   5.4 测试数据的反演
•   5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 论文总结
•   6.2 未来展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 宗朝

导师: 杨凌,马勉军

关键词: 月尘测量,石英晶体微量天平,振荡电路,晶体频率采集,测试和标定

来源: 兰州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 天文学,航空航天科学与工程

单位: 兰州大学

分类号: V476.3;P184

总页数: 61

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