气隙磁力表征型磁悬浮加速度计的关键技术研究

发布时间：2018-03-05 16:46

  本文选题：加速度计　切入点：磁悬浮　出处：《浙江大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：适用于轻小型高精度惯性导航的加速度计长期以来精度难以提高,无法满足远距离、长航时运载器的导航需求。本论文针对现阶段普遍应用的石英挠性加速度计存在的挠性梁长期不稳定形变、永磁力矩器电磁特性变化使电流表征值无法等同于力矩器实际产生的电动力,导致加速度测量精度受到限制的问题,以及静电悬浮加速度计存在的使用环境苛刻、静电力微弱、量程小、只能适合测量慢变的微弱加速度的问题,提出了发展高精度的基于气隙磁场阵列化检测直接表征磁力的直流伺服磁悬浮加速度计的想法。这种加速度计的最大优势在于气隙磁场测量直接表征惯性力,将磁力测量的影响环节减小到了最低程度,从而提高加速度测量的精度和稳定性。通过对这种新型磁悬浮加速度计的理论及仿真建模分析,其精度主要取决于磁场传感器的测量性能和基于多点磁场的磁力反演合成,此外,鉴于目前磁悬浮控制理论已经发展到相当的水平,系统的动态稳定特性主要受限于磁性材料自身性能。从这些问题出发,我们开展了更加深入的工作：1)研究了气隙中有限离散点磁场合成敏感悬浮体所受磁力的技术。通过仿真分析比较了采用简化模式麦克斯韦应力张量法与传统的虚位移法计算的相对精度,表明在采用合理的磁性结构下,选取少量离散点仍可获得较高精度的磁力计算值。研究中设计了气隙磁场测量表征磁力的试验系统,通过扫描方式测量气隙中的阵列点磁感应强度,并运用离散麦克斯韦应力张力计算方法,合成了驱动系统对惯性体所施加的磁场合力,通过与实测磁力进行对比,具有较好的一致性；2)研究适合于气隙磁场检测应用的高精度磁场传感器的技术原理,并通过实验和仿真的方法进行应用分析。在仿真的基础上,改进了一种具有异常大的磁电阻效应器件的设计结构,使之更适合于应用在磁悬浮加速度计的气隙磁场测量中。研究中还提出了采用石墨烯为基础材料制作这种磁场传感器的相关工艺技术,并进行了工艺试验,表明了该器件工艺实现的可行性；3)分析指出影响磁悬浮系统动态稳定特性的关键问题是受到磁性材料磁滞特性的影响。因而研究了块状固态超顺磁材料的合成机理与方法,设计了采用超顺磁纳米颗粒与高分子聚合材料进行合成的技术路线,形成了合理的制备工艺；通过工艺试验和对合成材料的相关技术测试,表明该材料已经具备一定的超顺磁特性,但在机械特性、磁导率等方面还有所欠缺,通过分析为该材料后续的进一步性能改善找到了合适的发展路径；4)根据对新型磁悬浮加速度计的分析和各方面研究的综合,设计了基于Z轴约束的二维磁悬浮加速度测量试验装置,在目前的研究阶段,试验装置的磁性材料采用高导磁铁氧体,磁场传感器采用超微型的霍尔线性传感器,以尽量接近将来分项研究成熟后的状态。试验开展了在磁悬浮控制下的重力场静态翻滚试验,并在试验过程中对比了由气隙磁场综合表征的加速度及倾斜角测量与采用控制电流表征惯性量的两种不同测量方式,证明气隙磁场测量表征方法有效消除了系统磁滞的影响,有助于提高加速度测量的性能。受当前试验装置结构、电路性能水平等的限制,系统对加速度测量的实际精度还不高,但这种新型测量方法已经显现出高精度高性能实现的潜力。通过本论文的研究,为实现高精度的磁悬浮加速度计,并在长航时、高精度导航应用中发挥长足的作用奠定了基础。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH824.4

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本文编号：1571084