本文選題：加速度計　切入點：磁懸浮　出處：《浙江大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：適用于輕小型高精度慣性導航的加速度計長期以來精度難以提高,無法滿足遠距離、長航時運載器的導航需求。本論文針對現(xiàn)階段普遍應用的石英撓性加速度計存在的撓性梁長期不穩(wěn)定形變、永磁力矩器電磁特性變化使電流表征值無法等同于力矩器實際產生的電動力,導致加速度測量精度受到限制的問題,以及靜電懸浮加速度計存在的使用環(huán)境苛刻、靜電力微弱、量程小、只能適合測量慢變的微弱加速度的問題,提出了發(fā)展高精度的基于氣隙磁場陣列化檢測直接表征磁力的直流伺服磁懸浮加速度計的想法。這種加速度計的最大優(yōu)勢在于氣隙磁場測量直接表征慣性力,將磁力測量的影響環(huán)節(jié)減小到了最低程度,從而提高加速度測量的精度和穩(wěn)定性。通過對這種新型磁懸浮加速度計的理論及仿真建模分析,其精度主要取決于磁場傳感器的測量性能和基于多點磁場的磁力反演合成,此外,鑒于目前磁懸浮控制理論已經(jīng)發(fā)展到相當?shù)乃?系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定特性主要受限于磁性材料自身性能。從這些問題出發(fā),我們開展了更加深入的工作：1)研究了氣隙中有限離散點磁場合成敏感懸浮體所受磁力的技術。通過仿真分析比較了采用簡化模式麥克斯韋應力張量法與傳統(tǒng)的虛位移法計算的相對精度,表明在采用合理的磁性結構下,選取少量離散點仍可獲得較高精度的磁力計算值。研究中設計了氣隙磁場測量表征磁力的試驗系統(tǒng),通過掃描方式測量氣隙中的陣列點磁感應強度,并運用離散麥克斯韋應力張力計算方法,合成了驅動系統(tǒng)對慣性體所施加的磁場合力,通過與實測磁力進行對比,具有較好的一致性；2)研究適合于氣隙磁場檢測應用的高精度磁場傳感器的技術原理,并通過實驗和仿真的方法進行應用分析。在仿真的基礎上,改進了一種具有異常大的磁電阻效應器件的設計結構,使之更適合于應用在磁懸浮加速度計的氣隙磁場測量中。研究中還提出了采用石墨烯為基礎材料制作這種磁場傳感器的相關工藝技術,并進行了工藝試驗,表明了該器件工藝實現(xiàn)的可行性；3)分析指出影響磁懸浮系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定特性的關鍵問題是受到磁性材料磁滯特性的影響。因而研究了塊狀固態(tài)超順磁材料的合成機理與方法,設計了采用超順磁納米顆粒與高分子聚合材料進行合成的技術路線,形成了合理的制備工藝；通過工藝試驗和對合成材料的相關技術測試,表明該材料已經(jīng)具備一定的超順磁特性,但在機械特性、磁導率等方面還有所欠缺,通過分析為該材料后續(xù)的進一步性能改善找到了合適的發(fā)展路徑；4)根據(jù)對新型磁懸浮加速度計的分析和各方面研究的綜合,設計了基于Z軸約束的二維磁懸浮加速度測量試驗裝置,在目前的研究階段,試驗裝置的磁性材料采用高導磁鐵氧體,磁場傳感器采用超微型的霍爾線性傳感器,以盡量接近將來分項研究成熟后的狀態(tài)。試驗開展了在磁懸浮控制下的重力場靜態(tài)翻滾試驗,并在試驗過程中對比了由氣隙磁場綜合表征的加速度及傾斜角測量與采用控制電流表征慣性量的兩種不同測量方式,證明氣隙磁場測量表征方法有效消除了系統(tǒng)磁滯的影響,有助于提高加速度測量的性能。受當前試驗裝置結構、電路性能水平等的限制,系統(tǒng)對加速度測量的實際精度還不高,但這種新型測量方法已經(jīng)顯現(xiàn)出高精度高性能實現(xiàn)的潛力。通過本論文的研究,為實現(xiàn)高精度的磁懸浮加速度計,并在長航時、高精度導航應用中發(fā)揮長足的作用奠定了基礎。
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【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH824.4

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本文編號：1571084