磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的設(shè)計(jì)制造及其特性研究

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1、上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文摘要磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的設(shè)計(jì)制造及其特性研究摘要微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)具有體積小、功耗低、適宜批量生產(chǎn)、價(jià)格便宜、易與控制電路集成在一起等優(yōu)點(diǎn)。微慣性器件是微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，對(duì)微慣性器件的研究是目前國內(nèi)外的熱點(diǎn)之一。作為微慣性器件的微陀螺在汽車安全系統(tǒng)、日常生活、工業(yè)、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。在過去的二十余年的時(shí)間里，國內(nèi)外微陀螺的研究領(lǐng)域主要是基于科氏效應(yīng)的微振動(dòng)陀螺，由于微振動(dòng)陀螺的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及對(duì)微細(xì)加工的高精度要求，微振動(dòng)陀螺很難達(dá)到高精度。近來人們開始把目光投向懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺，包括靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺和磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺。懸浮轉(zhuǎn)

2、子微陀螺具有與傳統(tǒng)機(jī)械陀螺相同的工作機(jī)理，即高速轉(zhuǎn)動(dòng)剛體的定軸性，另外它從根本上消除了在傳統(tǒng)機(jī)械陀螺中存在的接觸摩擦，懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺有望實(shí)現(xiàn)具有高精度的微陀螺。本文對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的工作機(jī)理及其特性做了較為系統(tǒng)的研究，提出了一種分離式多圈線圈的新型定子結(jié)構(gòu)，并在定子中加入了差分電容檢測(cè)系統(tǒng)和加矩線圈。全文的研究內(nèi)容和結(jié)論如下：運(yùn)用磁力線法和等位線法對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的懸浮和穩(wěn)定原理進(jìn)行了較為直觀的分析；磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的旋轉(zhuǎn)原理同異步電機(jī)，文中分析了不同時(shí)刻各旋轉(zhuǎn)線圈的電流以及旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形成過程；從角動(dòng)量原理和陀螺基本特性兩方面介紹了陀螺力學(xué)效應(yīng)，給出了差分電容檢測(cè)系統(tǒng)；最后

3、給出了新型的磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，新型結(jié)構(gòu)具有懸浮力大、微轉(zhuǎn)子懸浮穩(wěn)定性好、易于微細(xì)加工方法實(shí)現(xiàn)和適宜閉環(huán)控制等方面的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用FEM．BEM法對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的懸浮特性進(jìn)行建模分析。研究了懸浮。叫，．≈懸浮力之間的變化關(guān)系：研究了電流參數(shù)與懸浮力之間的變化關(guān)系，這包括電流幅值和頻率對(duì)懸浮力的影響；研究了線圈尺寸參數(shù)與懸浮力之間的變化關(guān)系。穩(wěn)定性是磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺得以正常工作的前提條件。文中應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS，從穩(wěn)定和懸浮線圈的尺寸、轉(zhuǎn)子直徑以及電流幅值等方面，對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的穩(wěn)定特性進(jìn)行了研究。微轉(zhuǎn)子發(fā)生偏心時(shí)，水平側(cè)向分力的方向應(yīng)該和偏心上海交通大

4、學(xué)博士學(xué)位論文摘要的方向相反，這樣微轉(zhuǎn)子才能穩(wěn)定地懸浮在中心部位。結(jié)果表明微轉(zhuǎn)子要想得到較好的懸浮穩(wěn)定性，在穩(wěn)定線圈、懸浮線圈尺寸以及微轉(zhuǎn)子直徑之間有一個(gè)最佳的組合。文中應(yīng)用ANSYS分析軟件，從電流頻率、電流幅值、旋轉(zhuǎn)線圈徑向長度以及旋轉(zhuǎn)阻力矩四個(gè)方面，對(duì)磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的旋轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了研究。旋轉(zhuǎn)線圈電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩是用來克服轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的空氣阻力矩，空氣阻力矩與空氣的粘滯系數(shù)、微轉(zhuǎn)子懸浮高度、微轉(zhuǎn)子直徑以及轉(zhuǎn)速直接相關(guān)。定子主要是由基體、平面線圈和傳感電極組成，基體采用導(dǎo)磁性材料組成，平面線圈采用表面微細(xì)加工方實(shí)現(xiàn)，即光刻、電鍍或沉積以及研磨等工藝?？紤]到多個(gè)線圈引線的復(fù)雜

5、性，本文采用了引線埋層結(jié)構(gòu)，即引線從線圈和傳感電極的底層引出。文中研究了定子的整個(gè)工藝流程，并敘述了各個(gè)工藝所采用的參數(shù)。通過對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，該套工藝能得到較為完美的定子結(jié)構(gòu)。文中介紹了三種制造轉(zhuǎn)子的工藝方法，分別為蒸鍍，濺射和沖壓，對(duì)轉(zhuǎn)子質(zhì)量的測(cè)量和分析得到?jīng)_壓是制造微轉(zhuǎn)子較為適宜的方法。電容計(jì)算是電容檢測(cè)電路設(shè)計(jì)必要的步驟，本章開始部分分析了一種微傾角電容計(jì)算方法；研制了一種基于單位增益放大器的電容檢測(cè)回路，該電容檢測(cè)電路能夠感應(yīng)亞原子級(jí)的位移；研制了懸浮穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電路以及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路。搭建了系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置，．該裝置是由五個(gè)部分組成，分別為：信號(hào)源、功率放大及移相、磁懸浮

6、轉(zhuǎn)子微陀螺的主體、示波器；文中介紹了微轉(zhuǎn)子懸浮高度檢測(cè)和轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置，并對(duì)微轉(zhuǎn)子的懸浮、穩(wěn)定和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果同前面章節(jié)中的理論分析相吻合，從而進(jìn)一步證明了理論分析的正確性。本文完成了磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺核心部分的研制，系統(tǒng)地分析了磁懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的懸浮、穩(wěn)定和旋轉(zhuǎn)特性，為進(jìn)一步閉環(huán)控制及檢測(cè)提供了理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)。關(guān)鍵詞：微機(jī)電系統(tǒng)，微陀螺，電磁懸浮，渦流，平面線圈，微細(xì)加工，有限元，邊界元，轉(zhuǎn)速：一II—上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文ABSTRACTDesignandFabricationofMicromachinedGyroscopewith◆一Electromagn

7、eticallyLevitatedRotorandItsCharacteristicsStudy◆ABSTRACTMicro-electro．mechanicalsystemfⅣ匝MS)hasthecharacteristiCSofsmallvolume，lowpowerconsumption,suitabilitytomassproduction，adaptationtointegrationwithcontrolckcuit．nlemicro．inertialdeviceisanimpo