磁致伸缩固体振子微陀螺的设计仿真及其电路-研究

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1、万方数据上海交通大学硕士学位论文摘要磁致伸缩固体振子微陀螺的设计仿真及其电路研究摘要陀螺仪自问世以来，发展迅速，在航空、航天、航海、军事等领域得到广泛的应用。MEMS陀螺采用振动部件，与传统陀螺采用转子部件相比，具有可靠性好、抗冲击力强、体积小、重量轻、成本低等优点，成为陀螺仪发展的又一重要方向。不同于发展成熟的支悬梁-活动质量块结构的振动微陀螺，我们提出了一种基于超磁致伸缩材料块体的固体振子微陀螺，其结构简单，无支撑梁，抗冲击振动能力强；借助于超磁致伸缩材料(GMM)的大应变振动特性，其测量灵敏度高。本文主要从以下几个方面展开研究：1、磁致伸缩固体振子微陀螺的设计和仿真。进行了

2、微陀螺的机械结构设计，其结构由GMM固体振子、平面方形线圈、偏置永磁体和GMR传感器组成。根据磁致伸缩材料数理模型，利用COMSOL有限元分析软件，采用更具扩展性的弱解方程方法计算了振子的振动工作模态，获得固有频率193.178KHz，与传统比拟法193.722KHz相近；对永磁体和通电线圈的空间磁场分布进行了仿真设计。从而为微陀螺的结构参数设计提供指导。2、磁致伸缩固体振子微陀螺的制造。详细阐述了MEMS平面方形线圈的微加工工艺，获得了多种线宽和匝数的微陀螺线圈定子。对GMM固体振子、偏置永磁体和GMR传感器进行了选购。成功组装了长宽高尺寸之和不大于20mm的磁致伸缩固体振子微

3、陀螺表头。3、微陀螺的驱动及检测电路的研究。为微陀螺设计实现了线圈稳流驱动电路和信号检测电路，主要包括实现恒电流输出的线圈驱动电路、GMR磁场信号检测电路和信号解调电路的仿真分析及其PCB板的制作。I万方数据上海交通大学硕士学位论文摘要4、测试实验。对加工完成的方形定子平面线圈的阻抗进行了测量，为微陀螺表头组装中上下定子驱动线圈的配对选取提供了参考。研究了测量磁致伸缩方体振子谐振频率的方法，分别利用加工的定子平面线圈和绕制的线圈进行激励测量，二者结果基本相同，证明了本微陀螺采用双侧平面线圈的激振方式使GMM振子工作在驱动谐振频率上是可行的。最后对微陀螺表头及其测控电路系统进行了整

4、机联调，发现该微陀螺能灵敏地检测输入角速度的变化，证明了本文的设计方案在原理上是可行的。关键词：微陀螺，固态，超磁致伸缩材料，弱解方程，测控电路，联调II万方数据上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTDESIGN,SIMULATIONANDCIRCUITSOFANEWSOLIDMICROGYROSCOPEWITHBULKMAGNETOSTRICTIVERESONATORABSTRACTGyroscopehasbeenwidelyusedinnavigation,military,aviationandotherfieldssinceitsadvent.Comparedwitht

5、raditionalgyroscopeusingrotorparts,MEMSgyrousingvibratingcomponentshasthesuperiorityonlightweight,lowcost,goodreliability,smallvolume,largemeasuringrange,strongimpactresistanceandsoon.MEMSgyroscopehasbecomeanotherimportantdevelopmentdirectionofgyroscope.DifferentfromthesuccessfullydevelopedME

6、MSvibratorygyroscopewithsuspendedsupportingbeams,anewkindofsolidgyrowithoutanysupportingbeam,usingbulkygiantmagnetostrictivematerials(GMM)asaresonator,waspresented.ForthissolidmicrogyrowithGMMresonator,itsstructureissimplesothathighanti-impactcapabilitycanbeobtained,andduetolargestrainpropert

7、iesofthegiantmagnetostrictivematerials,highsensitivitycanbeachieved.ThemainresearchworkaboutthissolidGMMmicrogyroareconcludedasfollows.1.DesignandsimulationofthesolidGMMmicrogyro.ThedesignedstructureofmicrogyroconsistsofGMMsolidvibrator,plane