氣隙磁力表征型磁懸浮加速度計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、適用于輕小型高精度慣性導(dǎo)航的加速度計(jì)長(zhǎng)期以來(lái)精度難以提高，無(wú)法滿足遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)航時(shí)運(yùn)載器的導(dǎo)航需求。本論文針對(duì)現(xiàn)階段普遍應(yīng)用的石英撓性加速度計(jì)存在的撓性梁長(zhǎng)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(wú)法等同于力矩器實(shí)際產(chǎn)生的電動(dòng)力，導(dǎo)致加速度測(cè)量精度受到限制的問(wèn)題，以及靜電懸浮加速度計(jì)存在的使用環(huán)境苛刻、靜電力微弱、量程小、只能適合測(cè)量慢變的微弱加速度的問(wèn)題，提出了發(fā)展高精度的基于氣隙磁場(chǎng)陣列化檢測(cè)直接表征磁力的直流伺服磁懸浮加速度

2、計(jì)的想法。
　　這種加速度計(jì)的最大優(yōu)勢(shì)在于氣隙磁場(chǎng)測(cè)量直接表征慣性力，將磁力測(cè)量的影響環(huán)節(jié)減小到了最低程度，從而提高加速度測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)這種新型磁懸浮加速度計(jì)的理論及仿真建模分析，其精度主要取決于磁場(chǎng)傳感器的測(cè)量性能和基于多點(diǎn)磁場(chǎng)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(dāng)?shù)乃?，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性主要受限于磁性材料自身性能。從這些問(wèn)題出發(fā)，我們開(kāi)展了更加深入的工作:
　　1)研究了氣隙中有限離散點(diǎn)

3、磁場(chǎng)合成敏感懸浮體所受磁力的技術(shù)。通過(guò)仿真分析比較了采用簡(jiǎn)化模式麥克斯韋應(yīng)力張量法與傳統(tǒng)的虛位移法計(jì)算的相對(duì)精度，表明在采用合理的磁性結(jié)構(gòu)下，選取少量離散點(diǎn)仍可獲得較高精度的磁力計(jì)算值。研究中設(shè)計(jì)了氣隙磁場(chǎng)測(cè)量表征磁力的試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)掃描方式測(cè)量氣隙中的陣列點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度，并運(yùn)用離散麥克斯韋應(yīng)力張力計(jì)算方法，合成了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)慣性體所施加的磁場(chǎng)合力，通過(guò)與實(shí)測(cè)磁力進(jìn)行對(duì)比，具有較好的一致性;
　　2)研究適合于氣隙磁場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用的高精度

4、磁場(chǎng)傳感器的技術(shù)原理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真的方法進(jìn)行應(yīng)用分析。在仿真的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了一種具有異常大的磁電阻效應(yīng)器件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使之更適合于應(yīng)用在磁懸浮加速度計(jì)的氣隙磁場(chǎng)測(cè)量中。研究中還提出了采用石墨烯為基礎(chǔ)材料制作這種磁場(chǎng)傳感器的相關(guān)工藝技術(shù)，并進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，表明了該器件工藝實(shí)現(xiàn)的可行性;
　　3)分析指出影響磁懸浮系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性的關(guān)鍵問(wèn)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(jī)理與方法，設(shè)計(jì)了采用超順磁

5、納米顆粒與高分子聚合材料進(jìn)行合成的技術(shù)路線，形成了合理的制備工藝;通過(guò)工藝試驗(yàn)和對(duì)合成材料的相關(guān)技術(shù)測(cè)試，表明該材料已經(jīng)具備一定的超順磁特性，但在機(jī)械特性、磁導(dǎo)率等方面還有所欠缺，通過(guò)分析為該材料后續(xù)的進(jìn)一步性能改善找到了合適的發(fā)展路徑;
　　4)根據(jù)對(duì)新型磁懸浮加速度計(jì)的分析和各方面研究的綜合，設(shè)計(jì)了基于Z軸約束的二維磁懸浮加速度測(cè)量試驗(yàn)裝置，在目前的研究階段，試驗(yàn)裝置的磁性材料采用高導(dǎo)磁鐵氧體，磁場(chǎng)傳感器采用超微型的霍爾線性傳

6、感器，以盡量接近將來(lái)分項(xiàng)研究成熟后的狀態(tài)。試驗(yàn)開(kāi)展了在磁懸浮控制下的重力場(chǎng)靜態(tài)翻滾試驗(yàn)，并在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)比了由氣隙磁場(chǎng)綜合表征的加速度及傾斜角測(cè)量與采用控制電流表征慣性量的兩種不同測(cè)量方式，證明氣隙磁場(chǎng)測(cè)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(cè)量的性能。受當(dāng)前試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)、電路性能水平等的限制，系統(tǒng)對(duì)加速度測(cè)量的實(shí)際精度還不高，但這種新型測(cè)量方法已經(jīng)顯現(xiàn)出高精度高性能實(shí)現(xiàn)的潛力。
　　通過(guò)本論文的研究，為實(shí)現(xiàn)高精度的