基于双窗全相位FFT的激光多普勒频率提取与校正方法

针对于激光多普勒信号解算中存在的频谱泄露以及栅栏效应等问题,将性能更优异的汉宁自卷积窗(HSCW)以及全相位频谱分析(apFFT)运用于多普勒信号的短时傅里叶变换(STFT)中,并且通过双谱线法对所获得的频谱进行了校正。理论与仿真表明,双汉宁自卷积窗(HSCW)apFFT比传统apFFT更能抑制旁谱泄露,并且相对于传统FFT,双HSCW窗apFFT所提供的的频谱位置与幅值能够更好的满足双谱线校正法频率校正的要求。通过将该种算法应用于高冲击下加速度传感器的校准系统中,实测结果表明,其解算结果与标准传感器的加速度峰值误差在1 %左右。     

MEMS硅基环形波动陀螺抗高过载能力测试

针对MEMS硅基陀螺在制导炮弹等高过载环境中的应用,以一种S形弹性梁支撑形式的陀螺结构为研究对象,建立了陀螺结构的冲击动力学方程。利用ANSYS对陀螺结构进行瞬态仿真,仿真结果显示该结构在X、Z方向承受的最大应力分别为232.10 MPa、219.04 MPa,远小于硅材料的极限许用应力(790 MPa)。实验室环境下利用马歇特锤对陀螺结构样品进行高过载试验,冲击幅值为13600 g。试验前后通过共聚焦显微镜观察陀螺结构表面形貌,结构完好无损;使用拉曼散射光谱系统对非真空封装的陀螺结构进行应力分析,测试点最大应力为276.65 MPa;对真空封装的陀螺结构驱动模态固有频率进行扫频测试,过载前后频率变化量小于0.05%。仿真和试验结果表明该陀螺结构设计合理且抗过载幅值大于10000 g。     

电容式环形微机电振动陀螺的设计

针对环形振动陀螺结构对称、模态特性参数相同与抗干扰特性好的特点,提出了一种新型的电容式环形微机电振动陀螺。设计了S形弹性支撑梁形式的硅基环形振动陀螺敏感结构,并仿真分析了陀螺的工作模态与幅频响应特性。根据环形振动陀螺的动力学特性,研究了陀螺的机电接口形式与硅基电极的设置方法,建立了硅基电极的电学参数模型与陀螺的角速度敏感模型。基于深离子刻蚀技术设计了简单可行的传感器制备流程,并成功制备了陀螺的敏感结构。实验测试结果显示,该环形微机电振动陀螺驱动与检测模态的谐振频率分别为9 028.86Hz与9 036.15Hz,品质因数分别为25 051与25 026,标度因数为0.589 7mV/((°)·s~(-1))。实验结果验证了陀螺设计与研究方法的正确性,为高性能硅基微机电陀螺的研制提供了一种可行的方案。     

MEMS 环形陀螺模态间刚度耦合频率调谐

MEMS 陀螺结构的驱动和检测模态谐振频率差(Δf)是决定其机械灵敏度的主要因素,当 Δf≈0 时,陀螺处于频率调谐 状态,此时陀螺的机械灵敏度达到最大值。 本文针对一种电容式全对称 S 形弹性梁硅基环形波动陀螺,对其使用调频电压进行 频率调谐过程中发现,模态间存在一定的刚度耦合。 本文分析其模态间刚度耦合产生的原因是结构误差(环形谐振子的结构 误差主要体现在两个振动参数,一个是频率,另一个是阻尼),由于调频电压改变的主要参数是刚度系数,所以本文仅对频率误 差进行建模分析。 首先,介绍了环形陀螺结构,同时以此结构为基础分析了静电负刚度原理。 其次,分析了其频率误差产生的 原因,并建模推导出调频电压对两个工作模态产生的影响。 最后,结合理论模型和实验结果比对,验证理论推导的正确性,并通 过实验验证频率调谐状态下对环形陀螺的灵敏度提升了 2. 7 倍。     

基于GWO-BP方法的加速度计动态模型研究

针对高g值加速度计动态模型问题,基于Hopkinson杆的校准系统所测的输入输出数据建立系统模型,提出了GWO-BP神经网络动态建模方法。利用灰狼种群算法优化BP神经网络建立的加速度计动态模型,对模拟输入输出信号进行仿真。最后,利用Hopkinson杆标定系统对加速度计的输入输出进行实测。结果表明,相比于BP神经网络算法,该算法经过优化改进后,求解精度提高了43.6%,证明了该方法的可行性。     

一种检测闭环控制器及其全温稳定性验证

提出一种基于比例—积分和相位超前校正的闭环控制器设计,并验证电路在全温状态下的稳定性.分析闭环控制器的工作原理和电路的设计方案,并对闭环控制器的电路进行了仿真,得到了比较理想的结果.证明了在驱动回路和检测回路较小频率差的前提下,可通过控制系统的优化达到拓展带宽的目的.在不同温度状态下检测电路的性能,实验结果显示温度不会影响控制器的稳定性,但会影响控制器的带宽.     

推挽式谐振加速度传感器设计及仿真研究

设计了一种基于微杠杆原理的推挽式高精度、高灵敏度的硅微谐振加速度传感器.采用微杠杆放大结构,并通过单连接梁推挽谐振器实现力放大和差分输出,具有结构对称,尺寸易于加工的特点.通过设计结构、优化尺寸,并进行模态分析、静力分析和谐响应分析来完成整个结构的设计与仿真研究.结果表明:加速度计工作谐振频率分别为21.708 kHz...     

抗过载环形 MEMS 固体波动陀螺设计加工与测试

本文针对传统MEMS振动陀螺在经历高过载过程无法存活且冲击前后参数变化大的问题,开展了抗高过载MEMS固体波动环形微机械陀螺设计、加工和测试方面的研究工作。首先,提出了全对称梁的陀螺结构形式,该结构能够有效的减小冲击过程在结构中造成的应力残留,配合止挡机构以及灌封技术能够提升陀螺在冲击过程中的存活能力,并在此基础上推导了陀螺的动力学方程和敏感轴冲击振荡运动函数,指出了敏感轴冲击模态的固有频率越高、品质因数越小则越有利于提高陀螺在敏感轴上的抗冲击特性。其次,利用有限元分析软件对陀螺结构进行了模态分析和冲击特性仿真,结果显示在15 000 g@10 ms的冲击作用下,陀螺的最大位移和应力分别为9.46μm和99.6 MPa,保证了陀螺结构具有较好的抗冲击裕度。再次,利用较为成熟的玻璃-硅键合和深硅刻蚀工艺实现了陀螺结构的加工,结合陶瓷封装实现了陀螺结构的真空封装,并基于驱动闭环和检测开环回路搭建了陀螺的测试系统。最后,在实验室环境下利用冲击台实现了对陀螺样机的冲击测试,冲击过程(脉宽0.6 ms)出现了多个5 000 g以上的峰值,最大峰值为16 050 g,陀螺响应时间约为1 s,冲击前...     

一种检测闭环控制器及全温稳定性验证

提出一种基于比例—积分和相位超前校正的闭环控制器设计,并验证电路在全温状态下的稳定性。分析闭环控制器的工作原理和电路的设计方案,并对闭环控制器的电路进行了仿真,得到了比较理想的结果。在不同温度状态下检测电路的性能,实验结果显示温度不会影响控制器的稳定性,但会影响控制器的带宽。证明了在驱动回路和检测回路较小频率差的前提下,可通过控制系统的优化达到拓展带宽的目的,进一步提高了陀螺的动态性能。     

基于虚拟哥氏力的MEMS陀螺仪自标定方法及实验

本文提出了使用虚拟哥氏力来标定MEMS陀螺仪特性的一种方法,通过利用一系列电压信号来模拟哥氏力和角速率的输入,以获得陀螺仪的频率特性响应。该方法可以分别在开环模式和闭环模式的情况下便捷且高效的测量出陀螺的标度因数等性能指标。同时,该方法可以很容易识别外部角速度的动态响应,增大了传统标定方法的频率范围,避免了利用测试设备标定陀螺所面临的性能局限。并且,该方法可以用于微机械陀螺的误差校正和故障检测。本文所使用的陀螺是自主研制的双质量线振动陀螺。