磁致伸縮固體振子微陀螺的設(shè)計(jì)仿真及其電路研究.pdf

1、陀螺儀自問世以來,發(fā)展迅速,在航空、航天、航海、軍事等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。MEMS陀螺采用振動(dòng)部件,與傳統(tǒng)陀螺采用轉(zhuǎn)子部件相比,具有可靠性好、抗沖擊力強(qiáng)、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn),成為陀螺儀發(fā)展的又一重要方向。不同于發(fā)展成熟的支懸梁-活動(dòng)質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的振動(dòng)微陀螺,我們提出了一種基于超磁致伸縮材料塊體的固體振子微陀螺,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無支撐梁,抗沖擊振動(dòng)能力強(qiáng);借助于超磁致伸縮材料(GMM)的大應(yīng)變振動(dòng)特性,其測(cè)量靈敏度高。
　　本文

2、主要從以下幾個(gè)方面展開研究:
　　1、磁致伸縮固體振子微陀螺的設(shè)計(jì)和仿真。進(jìn)行了微陀螺的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其結(jié)構(gòu)由GMM固體振子、平面方形線圈、偏置永磁體和GMR傳感器組成。根據(jù)磁致伸縮材料數(shù)理模型,利用COMSOL有限元分析軟件,采用更具擴(kuò)展性的弱解方程方法計(jì)算了振子的振動(dòng)工作模態(tài),獲得固有頻率193.178KHz,與傳統(tǒng)比擬法193.722KHz相近;對(duì)永磁體和通電線圈的空間磁場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。從而為微陀螺的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供指

3、導(dǎo)。
　　2、磁致伸縮固體振子微陀螺的制造。詳細(xì)闡述了MEMS平面方形線圈的微加工工藝,獲得了多種線寬和匝數(shù)的微陀螺線圈定子。對(duì)GMM固體振子、偏置永磁體和GMR傳感器進(jìn)行了選購。成功組裝了長寬高尺寸之和不大于20mm的磁致伸縮固體振子微陀螺表頭。
　　3、微陀螺的驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)電路的研究。為微陀螺設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了線圈穩(wěn)流驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)檢測(cè)電路,主要包括實(shí)現(xiàn)恒電流輸出的線圈驅(qū)動(dòng)電路、GMR磁場(chǎng)信號(hào)檢測(cè)電路和信號(hào)解調(diào)電路的仿真分析及其P

4、CB板的制作。
　　4、測(cè)試實(shí)驗(yàn)。對(duì)加工完成的方形定子平面線圈的阻抗進(jìn)行了測(cè)量,為微陀螺表頭組裝中上下定子驅(qū)動(dòng)線圈的配對(duì)選取提供了參考。研究了測(cè)量磁致伸縮方體振子諧振頻率的方法,分別利用加工的定子平面線圈和繞制的線圈進(jìn)行激勵(lì)測(cè)量,二者結(jié)果基本相同,證明了本微陀螺采用雙側(cè)平面線圈的激振方式使GMM振子工作在驅(qū)動(dòng)諧振頻率上是可行的。最后對(duì)微陀螺表頭及其測(cè)控電路系統(tǒng)進(jìn)行了整機(jī)聯(lián)調(diào),發(fā)現(xiàn)該微陀螺能靈敏地檢測(cè)輸入角速度的變化,證明了本文的設(shè)