基于子结构模型的音叉振动式微机械陀螺的检测电容解析方法

为建立加工缺陷对微机械陀螺性能影响的机理性模型,解决高精度微机械结构优化设计的计算时间问题,以微机械加工技术制备的音叉振动式微机械陀螺为研究对象,利用多自由度动态有限元解析理论,提出基于子结构模型的检测电容解析法,实现微陀螺实际工作状态的模拟,并对模拟结果进行试验验证。从实例解析出发,发现微陀螺加工缺陷和工艺误差虽然对其结构固频特性影响不大,但是对其最终输出的电容检测特性具有较大影响这一重要现象。解析方法和结果在提高微机械陀螺解析精度和解析效率的基础上,对多物理场耦合工作环境下音叉振动式微机械陀螺健壮性能的解析和评价具有重要的参考价值。     

电容式微机械陀螺调理电路

电容式微机械陀螺的驱动电压比敏感信号大4个数量级以上,而且敏感电容很小,敏感电容与驱动电容之间的杂散耦合电容往往只比敏感电容小2个数量级,因此产生驱动电压严重干扰敏感信号问题。电容式微陀螺有2个振动自由度,2个振动自由度的机械耦合也严重干扰敏感信号。本文提出一种调理电路方案,该方案利用电容式微陀螺振动的惯性,对其进行不连续驱动,在敏感信号达到最大值时进行积分采样,并且在采样时关闭驱动电压的方法,有效地减少了干扰。在往复运动的固定相位点进行信号采样,也有利于减缓机械耦合干扰,此方法比常规连续波相敏检测的方法的信噪比有了明显的改善。     

间接连接型音叉振动式微机械陀螺的性能变异分析

以一种间接连接型音叉振动式微机械陀螺为研究对象,分析了加工误差引起的关键参数的性能变异对检测输出电容的影响。通过对这种微机械陀螺的检测原理介绍并对其动力学进行分析,获得了误差检测模型输出电容表达式。结果表明,这种微机械陀螺检测微弹性梁弹性系数的变异引起的不对称对系统输出具有较大的影响,加工中对检测微弹性梁应引起足够的重视。工作为间接连接型音叉振动式微机械陀螺加工性能的提高具有一定的参考价值。     

振动式微机械陀螺的等效电学模型

根据振动式微机械陀螺的工作原理,建立了其机械特性的等效电路模型。陀螺差分检测电容模型和振动的等效电路模型构成了陀螺的等效电学模型,该模拟模型组合了传感器的机械特性和电学特性。陀螺等效电学模型通过电路模拟工具PSPICE实现,可用于分析陀螺的振动特性、对角速度的频响特性,优化陀螺的工作方式;还可以与接口电路混合模拟,分析陀螺和检测电路的整体性能,优化检测电路的设计。     

振动轮式微机械陀螺动态特性光学测试方法研究

振动轮式微机械陀螺尺寸小、振动频率高,为了精确评价其动态特性,建立了基于高速摄像技术、显微技术与数字图像相关技术的光学测试系统。配有光学显微镜的高速摄像设备(32000fps)记录并保存被测物瞬时序列图像,根据被测物的角振动特性设计相应的图像相关计算方法以获得振子各时刻的运动位移,并通过位移时间曲线分析振子的固有频率、阻尼系数及品质因子等动态特性参数。实验结果显示,图像相关精度达0.01像素,频率测量误差小于0.01%。高精度地测量了振动轮式微机械陀螺的动态特性,为微结构动态特性的研究提供了一个有效方法。     

振子框架式微机械陀螺的有限元模拟

利用有限元方法,研究振子框式微机械陀螺主要几何尺寸对其固有频率的影响。根据陀螺驱动模态频率和检测模态的频率匹配,优化了陀螺的结构尺寸,并为结构改进和制备工艺提供理论指导。     

微机械陀螺的动力学特性研究

有关微机械振动式陀螺的动力学特性测试的结果很多,而与微机械振动式陀螺设计相关的动力学特性的定量结果却很少见.文中基于拉格朗日方程建立微机械振动式陀螺的动力学方程,分析其动力学特性,推导其灵敏度与非线性度的计算公式,考虑输入角加速度影响的情况下,分析其带宽特性,并对其带宽特性进行模拟.所得结论对微机械振动式陀螺的设计提供一定的理论依据.     

电容检测型微机械陀螺的信号检测电路

微弱输出信号的检测技术是微机械陀螺研制中的关键技术之一.提出了一种适用于电容检测型微机械陀螺的信号检测电路并分析了其对噪声的抑制能力.此电路用积分电路检测微小电容变化量,并进一步采用开关相敏解调电路对信号全波检测,能检测到aF量级的电容变化,可以实现陀螺0.05(°)/s的分辨率.     

栅结构微机械陀螺运动特性的研究

对一种新型微机振动陀螺原型的运动特性进行了理论分析。采用差分电容信号调制解调方法测量了微机械陀螺驱动和检测模态的幅频特性。理论计算和实验结果表明,在大气状态下,该微机械陀螺驱动模态和检测模态的品质因子具有相近数值,在100左右。测量了驱动模态民激励驱动下,微机械陀螺检测模态的幅频特性,实验结果表明,在无角速度输入的情况下,微机械陀螺在驱动模态和检测模态的谐振模态的谐振频率处发生谐振。     

基于信息熵的模糊随机桁架结构动力特性分析

考虑桁架结构同时具有模糊性和随机性，利用模糊熵和概率熵的概念，将结构的随机性和模糊性统一为结构的模糊性，将模糊随机结构转化为纯粹的模糊结构。利用模糊因子法和区间运算推导出结构固有频率的主值和最大、最小值的计算表达式。通过算例，分析结构物理参数和几何尺寸的模糊随机性对结构固有频率的影响，获得了一些有意义的结论。