WaveNet-Volterra神经网络在主动噪声控制中的应用：一种完全因果性的方法

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：WaveNet-Volterra Neural Network for active noise control: A fully causal approach

针对线谐振器陀螺仪的偏置稳定性问题，提出基于磁电复合材料（ME）的力传感机制。通过预加载安装ME复合材料，直接检测线轴向力变化，降低装配难度并提升传感可靠性。建立融合ME复合材料的磁-机-电耦合效应、线几何非线性及弯曲刚度的动态模型，实验原型实现静态力测量（频率偏移/电压变化）与动态力测量（亚毫牛分辨率）的协同，MS相的主动传感特性增强动态灵敏度。

　　本研究围绕共振陀螺仪的偏置稳定性问题展开，重点探讨了一种基于磁电复合材料的力传感机制，以应对传统方法在材料均匀性、制造一致性及装配可靠性方面所带来的限制。共振陀螺仪作为一种重要的惯性导航设备，广泛应用于航空航天、航海、汽车等高精度定位领域。然而，其偏置稳定性受多种因素影响，尤其是材料和制造过程中的不均匀性以及装配误差，这些因素在极端环境下可能导致检测精度的显著下降。因此，寻找一种能够有效提升偏置稳定性的新型力传感机制成为研究的关键。

本研究提出了一种基于结构维度降低理念的线型共振陀螺仪，相较于传统的二维结构（如圆柱壳体）和三维结构（如半球形），线型结构在制造复杂性和加工误差方面具有明显优势。这使得线型共振陀螺仪在偏置稳定性方面展现出更大的潜力。然而，线型结构的核心挑战在于如何将科里奥利力有效地转化为可检测的电信号。为此，本文聚焦于线型振动线的力传感机制，旨在为后续线型共振陀螺仪的研究提供理论支持。

传统的力传感方法主要包括电阻式、电容式、电感式和压电式。电阻式方法虽然可以直接测量应变，但由于其依赖于粘附层和传感器本身的特性，可能会导致振动线品质因子的下降。此外，电阻式传感器在热稳定性和长期稳定性方面表现不佳。电容式方法则通过检测电容极板之间的距离变化来间接测量力，其具有高分辨率、快速响应和温度独立性等优点。然而，电容式传感的精度受限于极板间隙的均匀性，对于线型结构而言，这种限制尤为明显，因为其表面积和曲率半径远小于三维结构，使得装配难度增加，检测精度受到影响。电感式方法通过频率扫描来检测线型结构在轴向应力下的自然频率变化，具有良好的长期稳定性，但其在高精度动态力测量方面存在不足。压电式方法则能够直接将力转化为电压信号，具有优秀的高频响应能力，但其无法进行静态力测量，因为压电材料容易发生电荷泄漏。

为了解决上述问题，本文提出了一种基于磁电复合材料的新型力传感机制。磁电复合材料作为一种典型的多功能材料，因其高磁电耦合系数而在力传感领域展现出广阔的应用前景。该材料可以安装在线型结构固定端下方，通过预加载的方式实现对线型结构轴向力的直接检测。这种设计不仅减少了力传递过程中的中间环节，还降低了装配误差和接触式传感方法对线型结构的干扰，从而显著提升了整体的传感可靠性。此外，磁电复合材料由磁致伸缩（MS）相和压电（PE）相组成，两者相互补充，能够满足静态和动态力测量的不同需求。在静态模式下，磁致伸缩相在驱动线圈产生的磁场作用下发生形变，从而抑制由电荷泄漏引起的输出电压信号衰减。在动态模式下，压电相则提供足够的检测精度和响应速度，以实现高精度的动态力测量。

为了验证所提出的力传感机制的有效性，本文建立了磁电复合材料与线型结构组成的系统动态模型，并通过实验对模型进行了校准和验证。该模型综合考虑了磁电复合材料的磁-机械-电耦合特性以及线型结构的几何非线性和弯曲刚度，构建了外部力与输出电压信号之间的关系。通过对原型机的测试，研究结果表明，该力传感机制能够有效提升线型共振陀螺仪的偏置稳定性，特别是在静态力测量和动态力测量方面分别达到了较高的精度和可靠性。

在实验设计方面，本文采用了两种不同的测试方案：静态力测试和动态力测试。静态力测试通过调整固定端的预加载力，模拟不同轴向力对线型结构的影响，并通过测量输出电压信号的变化来评估静态力的检测能力。动态力测试则通过施加由安培力产生的动态力，利用频率扫描方法检测线型结构的自然频率变化，并通过对比实验和仿真结果，验证了该力传感机制在动态力测量方面的可行性。实验结果表明，该机制在静态模式下能够实现高精度的力测量，而在动态模式下则表现出优异的检测分辨率和响应速度。

此外，本文还对磁电复合材料的主动传感特性进行了研究，分析了其在不同应用环境下的适用性。通过结合磁致伸缩相和压电相的特性，该力传感机制不仅能够克服传统方法的局限性，还能够适应多种应用场景的需求。例如，在需要高精度静态力测量的场合，该机制能够提供稳定的输出信号；而在需要高分辨率动态力测量的场合，该机制则能够快速响应并准确检测微小的力变化。

综上所述，本文通过提出一种基于磁电复合材料的新型力传感机制，有效提升了线型共振陀螺仪的偏置稳定性。该机制不仅克服了传统方法在静态和动态力测量方面的不足，还通过结构维度降低的设计理念，降低了制造复杂性和装配误差的影响。实验结果验证了该机制的可行性，并展示了其在不同测量模式下的优异性能。未来的研究可以进一步优化磁电复合材料的性能，探索其在更广泛应用场景中的潜力，为惯性导航技术的发展提供新的思路和方法。