液浮转子式微陀螺的热学特性分析

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MEMS微陀螺作为集合MEMS技术与陀螺技术的微传感器,是惯性传感器领域研究的热点。陀螺的热学特性是影响器件稳定性与灵敏度的关键。本课题针对一种新型MEMS液浮转子式微陀螺,采用仿真与实验相结合的方法对陀螺的热学特性进行了研究与分析。本论文首先对液浮转子式微陀螺的结构与工作原理进行阐述,进而建立其转子系统与定子系统的热源的数学以及有限元模型。其次利用COMSOLMultiphysics软件对陀螺的温度场分布进行建模与仿真,对比陀螺采用三种不同粘滞系数的浮液在低速、中速、高速情况时的温升情况,并分析传热路径与温度梯度。第三,利用红外热像仪对陀螺工作状态时的温度场分布进行了测试,得到了稳定转速时的温升情况,与仿真温度误差在1℃以内,验证了仿真的合理性。绘制出定子、转子区域的最高温与最低温曲线并进行分析,陀螺三种浮液的温度梯度为0.3℃~0.5℃。最后,通过COMSOL模拟了浮液温度梯度引发的Marangoni热对流,并分析热对流对浮液速度场的影响,当温差为0.05K时,浮液温度不再线性变化;而温度差为2K时,温度场与速度场耦合。分析并计算出浮液存在温度梯度对转子产生的干扰力矩以及对陀螺误差模型一次项系数D1的影响。
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