半球谐振子振动特性批量化测试技术

半球谐振子是半球谐振陀螺的核心部件,其振动性能测试贯穿生产加工、调平和装配整个过程,是半球谐振陀螺制造必不可少的环节,特别是对于高精度半球谐振陀螺,其谐振子具备高Q值低频率裂解的特性,需要高效率、批量化的测试手段,以满足半球谐振陀螺批量生产的需求。为解决谐振子批量化测试问题,首先,介绍了半球谐振子的工作原理,仿真分析了谐振子振动特性和表征方法;其次,针对半球谐振陀螺谐振子振动特性测试问题,提出了基于波动特性原理的振动特性测试方法;最后,根据所提出的振动特性的测试方法,设计了单腔室多工位谐振子振动特性批量化测试平台和工艺,采用激光测振仪进行振动信号的采集,完成了谐振子振动特性的检测,极大地提高了测试效率,满足半球谐振陀螺批量生产的要求。     

一种直升机旋翼振动测试方法

为能够有效测量直升机旋翼的振动特性，提出了一种基于三轴MEMS加速度传感器及无线传输技术的直升机旋翼振动测试方法并研制了相应的测试装置。测试系统主要包括三轴MEMS加速度传感器、A/D转换模块、无线传输模块以及PC上位机。无线传输模块将采集的加速度信号发送到振动测试接收电路，再通过串口通信发送到计算机上，计算机软件对加速度信号积分得到位移信号，并通过傅里叶变换得到旋翼振动的幅频特性曲线。在直升机模型上完成了振动测试实验，实验结果表明该方法能有效地对旋翼振动信号进行测试。     

激光陀螺微小绝对振动信号处理系统的研究

采用激光陀螺作为微小绝对振动传感器.在分析陀螺振动测量的原理和影响陀螺测量灵敏度的主要因素的基础上,研制了相应的信号处理系统,并对处理系统的噪声性能进行了测量.实验表明,该信号处理系统完全能满足微小绝对振动测量的要求.     

MEMS陀螺振动特性试验技术

对于MEMS振动陀螺来说,找到一个快速有效的方法来评估其结构参数是非常重要的,比如谐振频率和阻尼系数,应根据微机械陀螺设计和制作的不同阶段,从测试精度、测试速度和试验方便程度等方面考虑,采用不同的方法进行动态试验。本文给出了一种能够判断MEMS器件振动特性的可靠的电测试系统,并通过分析和实验比较了几种微机械陀螺振动系统传递函数的快速测定方法,分析讨论了微机械陀螺振动系统测试方法和数据处理等问题。     

一种基于磁传感器的MEMS陀螺标定方法

根据微型航姿测量系统各传感器的特点,研究出了一种基于磁传感器输出的MEMS陀螺标定方法,并根据MEMS陀螺误差参数模型设计相应的补偿算法,分别对MEMS陀螺的零偏和标度因数误差进行了补偿。与传统标定方法相比,该方法实现简单,适用于现场标定。实验结果表明,该标定方法能够有效地提高MEMS陀螺测量精度,补偿后陀螺在静态条件下2分钟内,俯仰角漂移小于0.035°,倾斜角漂移小于0.15°,航向角的漂移小于0.2°。当陀螺三轴均有角速率输入时,在角速度小于25°/s情况下误差都能保持在±2°以内。     

高灵敏度圆柱壳体振动陀螺的研究

灵敏度是陀螺的重要性能指标,灵敏度的提高可以直接带动精度提高,同时可以拓展陀螺的应用范围。影响圆柱壳体振动陀螺灵敏度的因素很多,本文通过考虑了科里奥利效应(Coriolis effect)的ANSYS谐响应分析,提取产生陀螺效应的圆柱壳体振动陀螺的输出位移,通过比较不同形状谐振子相同激励条件下的输出位移大小来反映灵敏度的大小。采用这种方法分别研究谐振子的各项参数对于陀螺灵敏度的影响规律,并基于仿真结果设计了高灵敏度的参数优化圆柱壳体振动陀螺谐振子,通过实验验证了该谐振子的高灵敏度。     

基于阶梯掩膜腐蚀的圆柱壳体振动陀螺谐振子的亚表面残余应力测试与分析

圆柱壳体振动陀螺是一种具有较高精度的金属振动陀螺,陀螺谐振子表面经过加工后会留下残余应力,对其性能影响较大。但目前国内外对圆柱壳体振动陀螺的表面和亚表面应力情况还缺乏深入的研究,针对圆柱壳体振动陀螺振动器件谐振子的几何结构和加工工艺特点进行研究,建立了谐振子切削加工的仿真模型,仿真分析了谐振子的亚表面残余应力的分布规律,并提出一种阶梯掩膜化学腐蚀的方法,对亚表面残余应力进行测试和分析,获得谐振子亚表面应力的分布规律,对实现谐振子的低应力制造和降低残余应力对圆柱壳体振动陀螺零偏稳定性的影响具有较好的指导意义。     

基于Kalman滤波和神经网络的MEMS陀螺温度漂移补偿

MEMS陀螺温度漂移严重影响系统的测量精度。传统的BP神经网络建模补偿容易使权值和阈值陷入局部极小值,导致网络训练失败。陀螺输出信号中的高频噪声也会影响模型精度。针对上述问题,该文提出一种Kalman滤波结合粒子群算法(PSO)优化BP神经网络的MEMS陀螺温度漂移补偿方法。首先对陀螺进行了温度漂移测试实验,然后采用Kalman滤波对实验数据进行降噪,最后建立陀螺温度漂移模型,从而实现温度漂移的补偿。实验结果表明,采用该方法补偿后MEMS陀螺在不同温度下的输出方差降低了65.09%,与传统的BP神经网络相比补偿精度明显提高。     

基于Polytec激光测振仪的微振动测试分析系统

给出了基于Polytec激光测振仪的微振动测试分析系统的组成及其采用的一种全新的频率特性的测试、分析方法.针对硅微谐振式传感器频率特性(谐振频率和品质因数)测量的特殊性,提出了以线性调频信号为激励信号、线性调频Z变换(CZT)为频谱分析工具的系统频率特性的动态测试方法,使得该系统能够高效、精确地测量机械式谐振传感器的频率特性.     

基于钎焊的MEMS陀螺真空封装设计与实验研究

对于线振动硅微机电系统(MEMS)陀螺,真空封装是减小其振动阻尼、提高振动品质因数,进而提高性能的一种有效的措施。设计了一种基于钎焊的硅MEMS陀螺真空封装方案,该方案因不采用吸气剂,故可实现真空度可控。理论计算表明:该封装形式可以保持1 Pa以下的真空度;经过对真空封装后的陀螺实验测试结果表明:设计的陀螺驱动轴品质因数为1500,实际封装后的陀螺驱动轴品质因数为1700,满足真空度设计目标。经过对封装后的陀螺品质因数进行186 d的跟踪测试,品质因数基本保持不变,验证了该真空封装方案的可靠性。     

基于陀螺仪的炮塔角速度测量装置的设计

针对国内炮控系统性能参数测试中对角速度测量的成本较高、操作复杂、时间较长等问题,设计了一种基于MEMS陀螺仪的炮塔角速度高精度测量装置,通过中值滤波、均值滤波以及加权平均融合的方法,抑制了测量噪声等因素对炮塔角速度值的影响.通过在转台和坦克上对该装置进行标定和测试,分析了滤波和融合前后的实验结果,其对炮塔角速度的测量精度可达0.02°/s.该装置操作简单、灵敏度高、成本较低、实用性强,能有效地提高测试精度,节省了人力物力,缩短了测量时间,满足实际应用的需求,具有很高的实用价值.     

MEMS陀螺仪在恶劣高温环境下提供准确的惯性检测

越来越多的应用需要从处于高温环境中的传感器收集数据。相比同等的分立式传感器,MEMS通常更小巧,功耗和成本都更低。此外,它们还可以在同样大小的半导体封装内集成信号调理电路。除了可以提供高精度倾斜(倾角)测量,还需要更加灵活和自由,以准确测量系统在严苛环境应用下的移动,在这些环境下,最终产品可能遭受冲击、振动和剧烈移动。这种类型的滥用会导致系统过度磨损和提前出现故障,由此产生高额的维护或停机成本。为了满足这一需求,开发了一款集成信号调理功能的高温MEMS陀螺仪,此传感器即使在冲击和振动环境下也能实现准确的角速率(转速)测量,且额定工作温度高达175℃。     

改进互补滤波在六旋翼飞行器中的应用

针对目前大多数消费级六旋翼飞行器捷联惯性导航姿态解算中,低成本微机电系统(MEMS)器件易发散而导致的姿态漂移问题,提出了一种基于改进一阶互补滤波的姿态解算算法,利用MEMS传感器中加速度计补偿陀螺仪偏差引起的姿态漂移误差,并针对非匀速运动引起的较大误差引入了比例—积分(PI)控制器,用修正后结果代替互补滤波的加速度计输入,从而提高非匀速运动下姿态解算的精度.基于嵌入式处理器STM32,以MPU6050为姿态测量单元的六旋翼飞行器实验平台实验表明:算法计算量小、估计精度高、实时性好,易于在低成本飞行器控制系统中实现.     

A method to simulate the vibrating characters of the resonator for resonant MEMS gyroscope

This paper proposes one study method of resonant MEMS gyroscope based on the circuit in order to solve problems such as long verification cycle and high cost of the MEMS gyroscope structure design. Firstly, on the basis of Euler–Bernoulli beam theory, this study establishes resonant beam vibration equation, obtains semi-Mathieu equation after normalization, namely parameter excitation characteristic equation of the frequency micro gyroscope, then deduces the characteristic equation in consideration of the damping condition, and uses the parameter perturbation method to study the output characteristic of gyroscope under ideal and damping states. Then, the analog circuit is innovatively used to obtain the characteristic equation of gyroscope under ideal and damping states, subsequently, the characteristic equation is normalized. It is realized that the dynamics equation is equivalent to the analog circuit. Finally, the experimental study is carried out, and experimental device for the frequency micro gyroscope harmonic oscillator parameter excitation characteristic is produced. Meanwhile, the analog circuit output waveform and frequency change correctness are verified by using the Runge–Kutta method and the parameter perturbation method, respectively. The experimental results show that the experiment device can be used to study the nonlinear vibration characteristics of the gyroscope.     

基于时间序列分析的Kalman滤波方法在MEMS陀螺仪随机漂移误差补偿中的应用研究

从工程实用的角度出发,探讨了MEMS陀螺仪随机漂移误差的有效补偿方法.首先采用时间序列分析的方法建立了MEMS陀螺仪的随机漂移误差模型,然后阐述了用基于时间序列模型的Kalman滤波方法减小该漂移误差的具体方法.对某MEMS陀螺仪实测数据的误差补偿结果表明,所介绍的滤波方法能够有效地抑制其漂移误差,提高MEMS陀螺仪在实际系统中使用精度.     

阈值去噪与RBF神经网络在MEMS陀螺仪误差补偿中的应用

针对现有MEMS陀螺仪中随机误差较大,导致器件输出信噪比低进而影响其应用范围的现状,提出一种基于小波阈值去噪与梯度径向基( RBF)神经网络结合的MEMS陀螺漂移非平稳时间序列建模预测方法。首先采用Allan方差法分析了MEMS陀螺仪的主要随机误差,随后利用小波阈值去噪分离出MEMS陀螺误差模型中的白噪声及漂移误差,最后采用RBF神经网络对漂移数据进行建模。通过实验对文中所述的误差补偿方法进行验证,表明了方法的有效性,对于基于MEMS陀螺仪的惯导系统精度提高具有重要意义。     

Adaptive tracking control of an MEMS gyroscope with H-infinity performance

Microelectromechanical systems (MEMSs) pose unique measurement and control problems compared with conventional ones because of their small size,low cost,and low power consumption.The vibrating gyroscope is one of those MEMS devices that have significant potential in many industry applications.When the MEMS gyroscope system is considered simultaneously with the coupling terms,the exogenous disturbances and the parameter variations,the controller design of this system becomes very challenging.This paper investigates the primary control problem of a perturbed vibrating MEMS gyroscope.A nonlinear robust adaptive control scheme is proposed for the drive axis of a vibrating MEMS gyroscope.By combining the dynamic surface control (DSC) method with the H-infinity disturbance attenuation technique,a simpler systematic design procedure is developed.The derived H-infinity controller has a simplified structure,and it can drive the drive axis to resonance,regulate the output amplitude of the drive axis to a desired value,and attenuate the generalized disturbances.The features of the derived controller are discussed and illustrated by the simulation of a closed-loop system.The analysis and simulation show that the obtained controller possesses good adaptability and robustness to system uncertainties.     

Microelectromechanical resonators for radio frequency communication applications

Over the past few years, microelectromechanical system (MEMS) based on-chip resonators have shown significant potential for sensing and high frequency signal processing applications. This is due to their excellent features like small size, large frequency-quality factor product, low power consumption, low cost batch fabrication, and integrability with CMOS IC technology. Radio frequency communication circuits like reference oscillators, filters, and mixers based on such MEMS resonators can be utilized for meeting the increasing count of RF components likely to be demanded by the next generation multi-band/multi-mode wireless devices. MEMS resonators can provide a feasible alternative to the present-day well-established quartz crystal technology that is riddled with major drawbacks like relatively large size, high cost, and low compatibility with IC chips. This article presents a survey of the developments in this field of resonant MEMS structures with detailed enumeration on the various micromechanical resonator types, modes of vibration, equivalent mechanical and electrical models, materials and technologies used for fabrication, and the application of the resonators for implementing oscillators and filters. These are followed by a discussion on the challenges for RF MEMS technology in comparison to quartz crystal technology; like high precision, stability, reliability, need for hermetic packaging etc., which remain to be addressed for enabling the inclusion of micromechanical resonators into tomorrow??s highly integrated communication systems.     

Integrated optimization design for high-speed three-axis actuator in optical pickup

Super-multi DVD drives are assumed to have the largest market share in the near future because of their high compatibility with all kinds of DVD/CD formats and high recording-reading speed at low cost. In this paper, we present a three-axis actuator used in a super-multi drive with a special magnetic circuit, consisting of symmetric driving coils and permanent magnets with proper placement. At first, the lens holder is optimized with sensitivity method to improve the flexible vibration modes in structure parts. Then, electromagnetic circuits are designed and optimized by Taguchi method and response surface methodology (RSM). Consequently, the final model is fabricated and tested by laser vibrometer system. The results verify the proposed actuator and the integrated design methods.     

姿态航向测量与误差补偿方法研究

设计了一种基于MEMS陀螺仪、加速度计、磁传感器的小型姿态航向参考系统;以四元数和角速率偏差为状态矢量,磁场强度和加速度计信息为量测矢量,构建基于Kalman的四元数姿态航向解算方法;通过调整测量噪声方差矩阵,解决动态过程中由于运动加速度造成的姿态角误差;采用陀螺仪误差建模和磁航向罗差补偿技术,进一步提高了系统测量精度。根据飞行数据分析,姿态航向参考系统具有较高测量精度和较好的稳定性、动态性,姿态角均方根误差小于1.5°,航向角均方根误差小于3°。