单液滴支承磁驱动微旋转平台仿真与实验研究

摘要

随着微机电技术的进步，微旋转平台技术得到了快速发展。采用固体轴承结构的微旋转平台难以避免固体摩擦对运动性能的影响，而气体轴承和非接触式轴承对制造精度要求高，且控制方式复杂。采用液体支承结构的微旋转平台能克服固体摩擦的限制，具有很好的柔顺性，并且结构比气体轴承和非接触式轴承简单，具有重要的研究意义。
　　本文以单液滴支承的磁驱动微旋转平台为研究对象，基于毛细液桥结构以及磁驱动方式，建立理论和仿真模型，分析了不同参数对其承载性能、运动性能和抗干扰性能的影响。建立单液滴支承磁驱动微旋转平台的实验系统，在不同参数下进行实验分析和验证。
　　首先，针对单液滴支承微旋转平台的液桥结构，提出自由型和限制型两种基底配置。基于Young-Laplace方程，利用二分法通过数值迭代求解液桥轮廓，进而计算作用于微旋转平台的毛细力。基于Surface Evolver，建立毛细液桥的有限元仿真模型，对液桥毛细力进行计算，并与微分方程方法进行对比。根据微旋转平台的结构，提出单液滴支承微旋转平台承载能力的评价指标。分析接触角和基底尺寸等参数对两种基底配置下微旋转平台承载能力的影响，并对两种基底配置进行了对比。
　　其次，基于亥姆霍茨线圈原理，推导产生绕任意轴的旋转磁场的控制算法。基于COMSOL Multiphysics，建立旋转磁场的仿真模型，并分析了磁场作用于微旋转平台的磁驱动力矩。建立流体摩擦阻力模型，分析粘度和旋转频率对阻力矩的影响。结合微旋转平台受到的磁力矩以及流体摩擦力矩，对微旋转平台能达到的最大旋转频率进行分析，研究不同参数对其最大旋转频率的影响。基于液桥理论模型，在抗拉伸、抗剪切、抗侧倾三个方面分析微旋转平台的抗干扰特性，研究了液桥不同参数对抗干扰特性的影响。
　　最后，进行单液滴支承的磁驱动微旋转平台的毛细力学实验研究和旋转特性实验研究。建立了液桥毛细力测试系统，在两种基底配置下测量了液桥毛细作用力，并与仿真得到的毛细力结果进行对比，验证了液桥毛细力学仿真模型的正确性。建立了单液滴支承磁驱动微旋转平台的旋转驱动与测试系统，在绕竖直轴连续旋转、绕倾斜轴连续旋转以及步进旋转三个方面对微旋转平台的运动性能进行了实验研究，获得了不同接触角、液桥体积、液体粘度以及磁场强度等条件对其各种运动形式下运动性能的影响规律。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 课题来源

1.4 主要研究内容

第2章 单液滴支承磁驱动微旋转平台结构与承载特性分析

2.1 引言

2.2 微旋转平台系统的结构

2.3 单液滴支承磁驱动微旋转平台毛细力学模型的建立

2.4 自由型基底配置下的承载能力分析

2.5 限制型基底配置下的承载能力分析

2.6 两种基底配置的比较

2.7 本章小结

第3章 单液滴支承磁驱动微旋转平台驱动与抗干扰特性分析

3.1 引言

3.2 旋转磁场控制与磁力矩分析

3.3 单液滴支承磁驱动微旋转平台流体摩擦阻力矩分析

3.4 单液滴支承磁驱动微旋转平台最大旋转频率分析

3.5 单液滴支承磁驱动微旋转平台抗干扰特性分析

3.6 本章小结

第4章 单液滴支承磁驱动微旋转平台实验研究

4.1 引言

4.2 单液滴支承磁驱动微旋转平台毛细力测试系统的建立

4.3 单液滴支承磁驱动微旋转平台旋转驱动与测试系统的建立

4.4 单液滴支承磁驱动微旋转平台毛细力学实验

4.5 单液滴支承磁驱动微旋转平台绕竖直轴连续旋转特性实验

4.6 单液滴支承磁驱动微旋转平台绕倾斜轴连续旋转特性实验

4.7 单液滴支承磁驱动微旋转平台的步进旋转特性实验

4.8 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢