基于AR多变量模型的半球谐振陀螺温度漂移建模

在半球谐振陀螺工作过程中,环境温度的变化是不可避免的.温度的变化影响陀螺的结构和谐振频率,导致陀螺产生温度漂移,为了提高半球谐振陀螺的精度,根据温度漂移和温度变化的相关性,本文利用时间序列中的AR多变量模型对温度漂移数据进行分析,建立了漂移和温度的两个变量的随机数学模型,为温度补偿打下了基础.     

硅微陀螺模态频率温度特性的研究

硅微机械陀螺的零位输出受温度影响较大,为提高精度,对其进行温度误差补偿很有必要,而陀螺表头真空封装后内部温度难以直接测量.通过研究模态频率与温度之间的关系,发现驱动轴谐振频率与温度之间存在很好的线性相关性,同时具有很好的温度重复性.由于谐振频率的精度很高,所以用谐振频率测量温度会有很好的分辨率.因此,可以利用驱动模态的谐振频率来标定陀螺表头内部的温度,为下一步的温度补偿提供新的方法.     

谐振式光纤陀螺偏振波动噪声的温度特性

光纤环形谐振腔环境温度变化带来的偏振波动噪声是影响谐振式光纤陀螺检测精度的主要光学噪声源之一,通过控制谐振腔温度,可以使偏振波动噪声得到有效抑制.为了抑制偏振波动噪声,减小R-FOG精度受FRR温度变化的影响,从理论上分析了谐振腔温度变化对谐振曲线、解调曲线的影响;针对不同温度下光纤环的谐振特性、解调曲线特性、陀螺零偏及零偏稳定性开展了实验,并对实验结果进行了分析.结果表明,谐振腔的工作温度为27.00℃时,两本征偏振态相距最远,总谐振曲线关于谐振频率点对称,谐振频率点检测误差可以忽略;陀螺零偏稳定性近似等于谐振腔温度为25.50℃时的1/100,在150 s的采样时间内达到0.07°/s,陀螺检测精度得到很大提高.     

MEMS陀螺仪驱动谐振频率的温度补偿方法

微机电系统(MEMS)陀螺的模态谐振频率和品质因子具有较强的温度敏感性,使得MEMS陀螺的输出零偏随温度漂移。为了解决零偏随温度漂移问题,提出了一种基于MEMS微机械陀螺的驱动谐振频率做温度基准的零偏温度补偿方法。温度在-40～60℃范围内变化,经多次循环测量陀螺零偏,获得零偏与温度之间的变化关系,并在此基础上,对零偏进行建模分析。利用谐振频率与温度的线性关系,以驱动谐振频率为温度参考,对陀螺零偏进行实时温度补偿。实验结果表明:上电零偏稳定性由补偿前的143. 81°/h变为补偿后的26. 51°/h,降低了5. 42倍;温度在-40～60℃范围内变化,补偿前后的零偏稳定性分别为1368. 05°/h和62. 86°/h,降低了22倍。     

电磁激励的硅谐振梁设计和有限元分析

介绍了电磁激励硅谐振梁的激励和检测原理,给出了双端固支的硅谐振梁谐振频率公式,并利用该公式分析了双端固支梁的谐振频率和梁尺寸的关系.本文利用有限元软件模态分析计算了三种不同的谐振频率情况,并逐一加以比较分析.本文还利用有限元软件对受力弯曲的工字梁做了静态分析,从而得出了在一定磁场力作用下的应力分布图,从而对压敏电阻的设计提供了一定的依据.     

MEMS谐振陀螺实时自动模态匹配控制技术

为了消除温度对陀螺模态匹配的影响,提出了一种实现微机械谐振陀螺在温度-30～60℃内实时自动模态匹配控制方法。驱动模态和检测模态的谐振频率跟温度成线性关系,两轴的谐振频差与温度也成线性关系,该方法以驱动模态谐振频率作为温度参考而获得两模态谐振频差,根据谐振频差实时调节静电调谐电压,使得检测模态谐振频率与驱动模态谐振频率匹配。实验结果表明:检测谐振频率和驱动谐振频率在温度-30～60℃范围内,匹配误差不超过0. 3 Hz,验证了该方法的可行性、匹配精度,同时证明本文所采用的开环控制方案的有效性。     

微陀螺模态特性的参数化分析方法

模态分析是微陀螺结构设计的重要环节,针对一种采用L形截面悬臂梁支撑的微陀螺结构,提出了参数化的模态分析方法.建立了微陀螺的参数化模型,以VC作为封装ANSYS的APDL命令流的工具,开发了微陀螺参数化的模态分析模块.利用该模块研究了微陀螺模态频率随主要结构尺寸变化的规律,发现对模态频率影响较大的是硅结构的厚度和支撑梁的...     

多晶硅双端固支梁高周循环下疲劳特性的分析

多晶硅固支梁是MEMS器件中较常见的可动部件,通过静电激励的方式对其进行疲劳振动加载;所用结构为面外运动结构,为了测试样品的加速疲劳特性,通过在固支梁面内引入缺陷的方式来增大应力水平值;器件在经历了1.72×1011次循环之后,微梁的谐振频率、振动幅度发生了较大偏移,其谐振频率的偏移量达到14.531 kHz,器件性能发生了严重的退化.研究结果表明,利用谐振频率的改变来表征材料性能的退化是一种准确、可行的方法,同时本文进一步分析指出,器件上引入凹槽缺陷的方法确实可起到加速疲劳的作用;可利用此方法制作不同应力水平幅度的结构进行振动载荷疲劳加载实验,从而得到固支梁结构疲劳加速因子.     

基于LabVIEW的石英音叉陀螺闭环驱动的实现

分析了石英音叉陀螺驱动端幅频相频特性,设计了LabVIEW控制算法,使陀螺工作在最佳频率点;首先根据机电等效理论得出陀螺等效电路中串联支路电流等效于驱动端叉指振动速度,且串联支路电流在不同频率点处对频率的敏感度不同,然后通过对陀螺进行扫频得到了陀螺驱动端幅频相频特性,最后,基于在谐振频率点附近陀螺驱动端相频特性呈线性关系,设计了LabVIEW控制算法;根据该算法.设置相位分别为0°和～4°,40min内这两个谐振频率点处驱动反馈信号的标准差分别为1.4728e-005v、1.9229e-005v(1σ),因此,0相位处为较理想工作点,设置参考相位为各个谐振频率点的对应相位,通过比较可确定陀螺的最佳谐振频率点,提高陀螺驱动端的振动稳定性.     

MEMS氮化钛谐振式压力传感器研究

提出了一种基于TiN双谐振梁结构的MEMS谐振式压力传感器,利用TiN谐振梁的谐振频率与被测压力的关系进行压力测量。针对传感器的敏感结构建立了数学模型,通过理论分析和ANSYS有限元软件的模拟,得出了谐振梁长度的变化范围和谐振梁的结构参数,并确定了TiN谐振梁在矩形压力膜上方的最佳位置。这对传感器的结构设计具有重要的指导意义。     

真空封装MEMS陀螺高温老化失效机理研究

为了快速掌握真空封装MEMS陀螺老化失效机理,陀螺进行125℃高温加速实验,并对不同时间节点下的陀螺关键性能进行参数提取。分析结果表明,由于高温老化导致MEMS陀螺内部材料放气、疲劳和应力释放,从而改变品质因子和初始检测电容,最终导致陀螺的零偏、角随机游走系数、零偏稳定性、标度因子等关键性能的严重退化。在工程实际中有一定的参考价值。     

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。     

Transition interface for improving the temperature characteristics of micromachined gyroscopes

This paper reports a method for improving the temperature performance of micromachined gyroscopes by using a transition interface between the sensitive structure and the vacuumed package. We analyzed the effect of transition interface on the thermal stress of the micromachined gyroscopes. The temperature dependence of the static capacitance, resonant frequency and zero output were experimentally studied over the range ?40 to 60 °C. A micromachined gyroscope suspended by a slanted beam was adopted in the experiment. In order to identify how the factors affect the temperature performance of the micromachined gyroscope, two types of the introduced gyroscopes were characterized. One was the original gyroscope having no transition interface, and the other was using 2 mm silicon as the transition interface. In contrast to the original gyroscope having no transition interface, the static capacitance and resonant frequency of the gyroscope adopting transition interface had a smaller temperature coefficient, especially for the static capacitance which has more than an order of magnitude improvement. As a result, the bias instability of the gyroscope improved to a higher level over temperature variations. It would provide a convenient and practical method for improving the temperature performance of micromachined gyroscopes.     

原子陀螺研究进展及展望

原子陀螺是基于量子物理原理和量子技术的新型高性能惯性传感器,在国防、军用以及民用等领域均具有广阔的应用前景,已成为国内外惯性技术领域的研究热点。目前原子陀螺主要分为核磁共振陀螺、无自旋交换弛豫陀螺和原子干涉陀螺,分别对它们的研究历程和现状进行了详细介绍,并对原子陀螺的未来发展趋势方向进行了展望,最后针对国内原子陀螺技术研究提出了一些思考。     

一种具有广泛适应性的微机械加工方法研究

研究了一种具有广泛适应性的微机械制造方法,该方法可用于制备各种不同的器件,包括硅微陀螺仪、加速度计、剪切应力传感器以及光开关等.利用该方法,制备了硅微陀螺仪,并给出了所制备的硅微陀螺仪的性能测试结果,同时分析了利用该制备方法制备各种不同器件时,工艺流程对器件性能的影响,重点讨论了硅-玻璃阳极键合、减薄工艺以及深刻蚀所形成的侧壁质量,包括侧壁垂直度、侧壁杂质等因素对器件性能的影响.     

Study on frequency stability of a linear-vibration MEMS gyroscope

Thermal-dependent frequency stability of a linear-vibration gyroscope, based on elastic theory of thin plate, is studied. As an elastic structure, the resonant frequency of the gyroscope is determined by the secant coefficient of thermal expansion of the material in which the gyroscope is made. For decreasing the frequency variation under different temperatures, the gyroscope can be changed in its structure to eliminate the thermal stress caused by mismatch of materials the gyroscope made in. Two gyroscopes with straight-beam and folded-beam supporting respectively are designed and analyzed. When replacing straight-beam by folded-beam in the gyroscope, the frequency variation of the gyroscope decreases. The two structures then are manufactured for testing. The testing shows the same result as analysis.     

硅微机械陀螺仪温度控制系统的PID算法实现

温度的变化对硅微机械陀螺仪的性能有较大的影响,对温度的稳定性控制有着重要意义。分析了硅微机械陀螺仪的温度影响机理,通过对表头测试得到性能参数随温度变化的规律。介绍了PID控制算法的基本概念,对其进行了系统仿真,并在实际的温控系统中完成了试验验证,试验结果表明利用PID算法实现的温控系统具有良好的控制效果。     

微机械陀螺的仿真与优化

微机械陀螺依靠振动模态频率来测量旋转角速度,通常微机械结构的振动模态相当复杂。虽然已有很多文章研究了如何调节驱动模态和敏感模态以获得最大的敏感度,却很少有人分析微机械陀螺的振动模态。振动模态与陀螺结构的设计参数有极大的关系,这些参数包括陀螺检测质量的尺寸、支撑系统的类型和尺寸,以及用以制造陀螺主体的多晶硅的残余应力。研究了一个静电驱动、电容检测、敏感垂直轴角速度的陀螺(也称平面陀螺)。同时,用有限元法分析法对微机械陀螺的结构进行了分析。     

Vibration sensitivity analysis of MEMS vibratory ring gyroscopes

This paper presents a detailed model for possible vibration effects on MEMS degenerate gyroscopes represented by vibratory ring gyroscopes. Ring gyroscopes are believed to be relatively vibration-insensitive because the vibration modes utilized during gyro operation are decoupled from the modes excited by environmental vibration. Our model incorporates four vibration modes needed to describe vibration-induced errors: two flexural modes (for gyro operation) and two translation modes (excited by external vibration). The four-mode dynamical model for ring gyroscopes is derived using Lagrange's equations. The model considers all elements comprising a ring gyroscope, namely the ring structure, the support-spring structures, and the electrodes that surround the ring structure. Inspection of this model demonstrates that the output of a ring gyroscope is fundamentally insensitive to vibration due to the decoupled dynamics governing ring translation versus ring flexure, however, becomes vibration-sensitive in the presence of non-proportional damping and/or capacitive nonlinearity at the sense electrodes.     

基于卡尔曼滤波算法的MEMS陀螺仪误差补偿研究

为了补偿MEMS陀螺仪的漂移误差,本文采用了一种新的卡尔曼滤波算法。文中对MPU3050陀螺仪进行分析,提出其漂移模型。通过分析陀螺仪的误差,建立陀螺仪的误差模型。卡尔曼滤波的效果通过阿伦方差进行评估,与其他滤波算法比较,在MEMS陀螺仪中采用卡尔曼滤波算法可以有效的减少SCM（单片机）计算,并在转台上对陀螺仪进行测试。实验结果表明,结合误差模型和卡尔曼滤波算法可有有效的减少陀螺仪的漂移误差。