锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺的结构设计与振动分析EI北大核心CSCD

设计了锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺,分析了结构的模态顺序与振动灵敏度特性。所设计的结构驱动方向采用反平行杠杆机制,检测方向使用四根线弹性梁连接的锚点耦合圆环梁,实现了驱动方向和检测方向模态顺序的优化,其检测方向的同相频率比反相频率提高了30%。建立了音叉式陀螺的二阶振动微分方程,利用坐标变换法得出锚点耦合式比传统耦合式结构的反相和同相振动输出分别降低了74.8%与88.0%,并进行了Ansys仿真分析验证。在不牺牲陀螺灵敏度的前提下,锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺能够很好地实现模态优化和大幅降低振动输出误差。     

电容式硅微机械陀螺仪结构设计及仿真

通过对微机械陀螺的调研分析,提出了一种新型微机械陀螺仪,并对陀螺进行了结构设计.该结构采用静电梳齿驱动、栅结构电容检测,使陀螺具有较高灵敏度.驱动模态和检测模态均为滑膜阻尼,能够实现较高的Q值,且具有一定的解耦特性.文中通过仿真分析得到了结构的各阶频率,使陀螺驱动模态和检测模态固有频率匹配,验证了结构的合理性.结合现有...     

微机械隧道陀螺仪的设计

提出了一种高精度低量程复合梁结构的新型隧道电流式陀螺仪,采用标准硅微加工技术进行了设计与加工,实现了隧道效应传感器的高灵敏度与哥氏力测量角速度原理的结合,从力学角度对陀螺仪的驱动梁与检测梁的力学特性进行了分析,对陀螺的基本原理进行了必要的模态和静力学仿真,仿真结果满足驱动与检测模态的要求。另外,制定了切实可行的工艺流程,阐述了加工所需要的关键工艺,重点研究了隧尖制造技术。     

具有栅结构与静电梳齿驱动的电容式微机械陀螺的仿真、设计与测试

电容式陀螺仪是一种振动式陀螺仪,由于加工的特殊性使其具有了传统的陀螺无法比拟的优点,从而拓宽了其应用领域.为了提高陀螺仪的检测精度,本文提出了一种静电梳齿驱动、栅结构的电容式检测的微机械陀螺仪的设计方法,并分析了其工作原理.运用ANSYS软件对陀螺结构进行了仿真和模态分析,仿真结果与理论计算结果相接近.所设计的陀螺结构采用体硅标准工艺方法进行了设计,并对其进行了流片加工和封装,最终得到了电容式微机械陀螺仪.实验测试的结果表明,陀螺驱动模态的固有频率为4.06kHz,灵敏度为0.027 9 v/((°)s-1).     

静电驱动下振梁微陀螺仪的性能分析

研究了一种末端带有检测质量块的单轴静电悬臂梁式微陀螺仪。检测质量块受到两个固定电极的耦合作用,这两个电极均连接直流电压以使质量块产生较大的静态变形。在驱动方向上的电极还受到交流电压的作用,驱动质量块产生主振动。当有旋转发生时,在垂直于主振动的敏感方向上质量块会受到科氏力而产生1个二次振动,通过测得二次振动的幅值大小便可以测得角速度。首先,依据Hamilton原理建立了振梁微陀螺仪的控制方程,研究了旋转悬臂梁的两个横向耦合振动。其次,分析了多种参数对微陀螺仪静态变形的影响,并求得了系统前2阶固有频率。研究发现不同参数对系统固有频率的影响规律,并讨论了系统驱动和敏感方向上的动力学放大效应及其校正曲线。     

数传天线机电耦合建模及微振动特性仿真与试验研究EI北大核心CSCD

星载数传天线是航天器低频段微振动的主要扰振源,严重影响了遥感卫星成像质量。研究了一种以步进电机为驱动源的数传天线的微振动特性。通过线性化方法简化了步进电机的动力学方程,根据固定界面模态综合法建立了在柔性边界上步进电机驱动柔性负载的动力学模型,并给出了数传天线微振动的解析表达式。通过仿真和试验验证了上述微振动模型,分析了微振动的成因和影响因素。结果表明:试验和仿真得到的微振动频域峰值处的频率一致,幅值误差不超过9.41%&并且合理选择步进电机转速可有效降低数传天线的微振动。该模型可应用于在轨微振动预测、天线控制系统设计等领域。     

伺服关节驱动的柔性臂系统耦合动力学模型辨识与实验

针对整个伺服关节驱动的柔性机械臂系统,在考虑其机电、刚柔耦合特性的基础上,理论上进行了动力学建模。分析了包含直流伺服电机、谐波减速器以及伺服驱动器的伺服关节的驱动及摩擦特性,对实验中测到的电机匀速正反转数据进行线性拟合,得到了关节驱动模型中的库伦摩擦力常数和黏滞摩擦力系数。分别建立了从伺服电机驱动电压到光电编码器检测的电机转角、从伺服驱动电压到代表柔性臂振动的应变桥路输出之间的理论传递函数,以伪随机二进制序列为激励信号,通过实验辨识得到了此对应伺服关节柔性臂转动与振动耦合以及机电耦合的两个传递函数,在伪随机和正弦信号激励下,辨识得到的传递函数模型与实际结构的转动位移和振动响应具有较高的一致性。从而得到了伺服关节驱动的柔性臂系统刚柔耦合、机电耦合的动力学模型。     

单片三轴硅微机械振动陀螺仪研究

设计、制造了一种单片集成三轴硅微机械振动陀螺仪.该器件由两个结构完全相同的单轴水平陀螺仪和一个单轴垂直陀螺仪组合而成,三只单轴陀螺仪均采用静电驱动、电容检测的结构形式.采用体硅溶解薄片法制造了该三轴陀螺仪芯片,并对其在空气中的驱动性能进行了初步测试.测试结果表明,该单片三轴硅微机械振动陀螺仪驱动模态的实际谐振频率与理论值之间的最大误差小于5%,满足设计要求.     

锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺的结构设计与振动分析

设计了锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺,分析了结构的模态顺序与振动灵敏度特性。所设计的结构驱动方向采用反平行杠杆机制,检测方向使用四根线弹性梁连接的锚点耦合圆环梁,实现了驱动方向和检测方向模态顺序的优化,其检测方向的同相频率比反相频率提高了30%。建立了音叉式陀螺的二阶振动微分方程,利用坐标变换法得出锚点耦合式比传统耦合式结构的反相和同相振动输出分别降低了74.8%与88.0%,并进行了Ansys仿真分析验证。在不牺牲陀螺灵敏度的前提下,锚点耦合式双质量块音叉微机械陀螺能够很好地实现模态优化和大幅降低振动输出误差。     

国产硅微机械陀螺仪比对测试

日前,北京长城计量测试技术研究所惯性技术研究室对电子十三所和中科院上海微系统所研制的国产硅微机械陀螺仪开展了比对测试工作,依据《国产硅微机械陀螺仪测试大纲》,对两家比测单位提供的几只陀螺仪进行了全部的参数测试和环境试验（主要是振动和冲击）,并负责编制了《国产硅陀螺仪测方法及计划》。     

微陀螺动力学建模与非线性分析

建立了微陀螺的动力学模型,采用多尺度方法对微陀螺的非线性模型进行求解,探讨了驱动微弹性梁和检测微弹性梁的非线性刚度对微陀螺输出的影响规律,研究了微陀螺的带宽在非线性刚度作用下的设计原则,结果表明:微陀螺振动系统的检测灵敏度和带宽呈反比关系;微弹性梁的非线性刚度会使得输入角速度与检测输出呈非线性关系。因此,从微弹性梁的设计角度出发,可根据较大的输出或者较小的非线性要求选取合适的驱动微弹性梁;而检测微弹性梁则需要选取较小的非线性刚度。     

基于线振动台的液浮陀螺仪二次项误差系数标定方法研究

为提高液浮陀螺仪静态误差模型系数中二次项系数的标定精度,提出了线振动台振动整周期的方法来标定液浮陀螺仪。在充分考虑线振动台的寄生转动和垂直度误差,测试时产生的角振动以及陀螺仪的安装误差的基础上,设计了六位置法来标定陀螺仪二次项系数的标定方案。该方法抑制了线振动台的寄生转动、测试时产生的微小角振动以及陀螺仪的安装误差对标定精度的影响,能够提高液浮陀螺仪在线振动台上测试的精度。最后进行了相应的误差分析,验证了该方法能够准确的标定出陀螺仪的二次项误差模型系数,标定精度可达10~(-4)(°/h/g~2)数量级。     

载体加速度对静电驱动微机械陀螺响应的影响分析

载体的运动会导致微机械陀螺的响应发生变化,因而引起测量误差,甚至导致系统故障。针对载体运动对微机械陀螺响应的影响开展研究。考虑载体运动以及微陀螺的非线性支承刚度和非线性静电力,基于拉格朗日方程建立了系统的动力学方程。利用谐波平衡法结合留数定理求解了含分式非线性项的系统的周期响应,研究了载体加速度对系统响应特性的影响,发现驱动方向的载体加速度主要导致系统的灵敏度降低。检测方向的载体加速度除使得系统灵敏度降低,还会导致零偏,且零偏和加速度的大小成正比,但比例系数与驱动电压无关。驱动电压较小时,载体在检测方向较小的加速度对灵敏度和非线性度影响很小;而在驱动电压或者检测方向加速度较大时,系统的灵敏度急剧下降,且非线性度也发生了剧烈变化。     

Modal Coupling in Micromechanical Vibratory Rate Gyroscopes

The authors present modeling approaches to describe the coupling of modes in a resonant vibratory rate gyroscope. Modal coupling due to off-diagonal stiffness and damping terms is considered. Three analytical modeling approaches are presented in the context of a$z$-axis micromechanical vibratory rate gyroscope fabricated in an integrated polysilicon surface-micromachining process. The first approach is based on frequency-response analysis of the gyroscope output. The second approach takes the route of state-space-based system identification to identify the modal-coupling parameters. A third approach based on measured vibration data identifies the coupling parameters due to stiffness and damping. These three methods are then applied to predict the extent of displacement and force coupling between the drive and the sense axes of an existing device as a function of varying degrees of matching between the resonant frequencies associated with the drive and the sense modes. Experimental data show that as the resonant frequencies of the drive and sense modes are brought closer together, an improvement in overall resolution and scale factor of the device is obtained at the expense of an enhanced coupling of forces to displacements between the two axes and the onset of instability for an open-loop sensing implementation.     

振动式微机械陀螺的电学模拟

根据振动式微机械陀螺的动力学模型导出其等效的电学模型，并利用电路模拟工具对其进行了模拟。利用电路模拟结果，分析了陀螺的运动特性。利用这个电学模型，可以与接口电路混合模拟，优化检测电路的设计。     

电子雷管在铁路隧道减振爆破中的应用

介绍了隆芯1号电子雷管首次在铁路隧道工程爆破中的应用情况,探索了电子雷管在隧道爆破中的使用方法,为复杂环境下隧道爆破提供了新的手段。在爆破试验过程中分析了爆破振动监测结果,找出爆破振动的特点,调整孔间延时以观测振动效果的改善情况,最终将爆破振动最大值控制在1.5cm/s左右,仅为采用导爆管爆破其值的30%,平均掘进进尺达到3m,满足了振动安全和掘进速度两方面的要求。     

Theory of direct frequency output vibrating gyroscopes

Vibrating gyroscopes are instruments for measuring the angular velocity of a system with respect to an inertial reference frame. Most currently available vibrating gyroscopes are based on the excitation of a reference vibration in the plane of a vibrating structure, and the amplitude detection of the vibration normal to the plane induced by the Coriolis effect, which is proportional to the angular velocity of the applied rotation. This paper describes a new vibrating gyroscope based on the simultaneous driving of the two modes of vibration (in plane and out of plane) and the detection of resonance frequencies. It is shown, in this paper, that the resonance frequencies of the two modes vary with the applied angular velocity, and that the difference between them is approximately proportional to the applied angular velocity. It is demonstrated that this kind of gyroscopes presents a lock-in effect related to the natural frequencies and the driving electronics. The results obtained are fundamental to the design of this kind of gyroscopes.     

电子雷管在铁路隧道减振爆破中的应用

介绍了隆芯1号电子雷管首次在铁路隧道工程爆破中的应用情况,探索了电子雷管在隧道爆破中的使用方法,为复杂环境下隧道爆破提供了新的手段。在爆破试验过程中分析了爆破振动监测结果,找出爆破振动的特点,调整孔间延时以观测振动效果的改善情况,最终将爆破振动最大值控制在1.5cm/s左右,仅为采用导爆管爆破其值的30%,平均掘进进尺达到3m,满足了振动安全和掘进速度两方面的要求。     

Development of an Algorithm to Suppress Frequency Splitting of an Axisymmetric Resonator of a Wave Solid-State Gyroscope with Optical Detection

Measurement Techniques - This paper describes a mode of functioning of a wave solid-state gyroscope with a quartz resonator used as a sensing element. The components of the gyroscope errors are...     

隧道状态下纳米级振动检测技术的研究

使用德国SIOS公司生产的纳米坐标测量机微动平台作为调整机构,配合自行研制的隧道电流传感器,通过外加振动源,在隧道状态下对纳米级振动进行了检测实验。纳米级振动的研究既可以分析微弱振动对扫描隧道显微镜的作用机理,为以后的扫描隧道显微镜设计提供参考,又可以使振动测量的结果作为扫描隧道显微镜的振动补偿,提高扫描隧道显微镜的测量精度。