石英音叉陀螺不同谐振频率点性能分析

分析了石英音叉陀螺驱动端振动速度幅值在3个不同谐振频率点的稳定性.首先根据机电等效理论得出陀螺驱动端的串联支路电流等效于音叉叉指振动速度;然后通过分析串联支路导纳的幅频特性,得到串联支路电流在不同谐振频率点处对频率的敏感度不同;最后针对闭环驱动电路中存在的微小频率跟踪误差,对等效电路进行仿真分析,得出了在串联谐振频率点处对陀螺进行闭环控制将使音义振动速度幅值波动最小的结论.     

石英音叉陀螺最佳谐振频率点的分析与控制

分析了石英音叉陀螺驱动端叉指振动速度幅值在3个不同谐振频率点的稳定性,实现了最佳谐振频率点的控制。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音叉振动速度;然后分析了串联支路导纳的幅频特性,得出在串联谐振频率点处音叉振动速度幅值受频率抖动影响最小的结论;但实际求得的谐振频率点与真实谐振频率点之间存在差别。设计移相电路,调整移相电路的阻容值使陀螺工作在不同的谐振频率点,通过比较可以看出在真实串联谐振频率点处陀螺驱动端叉指振动最稳定;调整移相电路的阻容值使其产生3.78°的相移可使陀螺工作在真实串联谐振频率点处。     

石英音叉陀螺的温度特性及其补偿方法

石英音叉陀螺的零偏随温度的改变而变化,根据石英音叉陀螺的工作原理和3种零偏温度特性,建立了相应的数学模型。根据不同的数学模型设计相应的补偿电路,并通过具体的实验数据分析补偿的效果和各种补偿方式的适应性。     

石英音叉陀螺芯片工艺误差的影响分析

加工高质量的石英音叉需要解决工艺误差导致的机械耦合误差及频率漂移等问题.使用测量显微镜对石英音叉驱动叉指的长度和宽度在主要工艺过程中的变化进行了测量,其中以石英音叉化学腐蚀引入的尺寸误差较大.采用有限元法建立了引入工艺误差的仿真模型,得到的仿真结果更接近实际测试数据.质量平衡调节可以有效地补偿工艺误差,消除机械耦合误差,提高石英音又陀螺的性能.     

石英MEMS陀螺的结构特性分析

介绍了石英微机电系统(MEMS)陀螺的工作原理及敏感芯片的音叉结构特点,采用有限元法分析了敏感芯片的结构特性,并对结构进行优化。利用石英晶体的压电效应,设计了合理的电极布局,并结合敏感芯片结构特点介绍了其微机械加工工艺。通过结构优化和合理的电极布局,提高了石英MEMS陀螺的性能。     

石英微机电陀螺的频率干扰特性研究

石英微机电陀螺是一种哥氏(Coriolis)振动陀螺,其敏感芯片采用音叉式结构,工作时音叉处于谐振状态。敏感芯片具有多阶模态,前9阶模态覆盖频率为3～21 kHz。敏感芯片的部分模态易受外部振动影响而导致敏感芯片产生共振,使陀螺产生零位偏移误差,陀螺的零位偏移误差可达0.5 (°)/s。该文分析了敏感芯片模态共振误差机理,提出通过结构错频设计避免外部环境特定频率对敏感芯片的影响,从而抑制了零位偏移误差,零位偏移误差减小到约0.03 (°)/s,提高了陀螺的振动环境适应性。     

高性能音叉结构MEMS陀螺的抗冲击设计

MEMS音叉陀螺存在很多振动模态,分析发现,其在驱动方向上受到冲击时的振动形式与工作在驱动模态的振动形式是不同的。通过改进悬挂梁的尺寸结构,提高了冲击振动模态谐振频率以增强陀螺的抗冲击性,同时保持驱动模态谐振频率不超过20 kHz,保证了陀螺的性能。采用SOG工艺制备了所设计的MEMS音叉陀螺,经过测试,该陀螺驱动模态的品质因数为5 734,检测模态的品质因数超过了430 000,具备实现高精度角速度检测的能力。在重锤上对制备的陀螺进行了抗冲击测试,测试表明该陀螺在驱动方向上的抗冲击性能达到了23 000 g,能够满足惯性导航对器件的苛刻要求。     

光电稳定跟踪平台中微机电陀螺滤波方法研究

根据微机电陀螺的实测数据,分析了其噪声特性,建立了微机电陀螺零漂的AR模型.研究了基于Kalman滤波的陀螺去噪算法,给出了去噪结果,分析了Kalman滤波不能够在微机电陀螺信号去噪中获得较好效果的原因.在此基础上,将基于阈值决策的小波去噪方法应用于微机电陀螺的信号处理中,给出了滤波结果.实测结果表明由于后者不依赖于噪声的精确模型,根据噪声在不同频段的统计特性采用阈值决策滤波,具有更好的抑噪效果.最后给出了两种滤波算法的比较结果.     

光纤陀螺在机载光电稳定平台中的应用

通过试验方法掌握机载光电稳定平台所用光纤陀螺零偏电压、标度因数等主要指标随温度变化情况及其对陀螺性能影响,采用最小二乘法找到它们的变化规律,利用数学模型对它们随温度的变化加以补偿,为在机载光电稳定平台应用奠定基础.     

基于振动放大的石英音叉光纤气体传感器设计

设计了一种基于振动放大的石英音叉光纤气体传感器,并提出了一种气体浓度检测方法。传感器改变了采用前置放大及锁相放大的传统方法,利用激光反射放大的方法测量音叉臂因光声效应产生振动的幅度,利用线阵CCD作为激光反射放大的检测部件。通过实验对比,证明了该方法的有效性。     

音叉式石英晶振谐振频率的非电学快速测量方法

设计了声激励和光激励两种非电学快速测量音叉式石英晶振谐振频率的方法。不同于传统的电激励测量法,在外部激励源激发音叉振动同时,使用一束探测光把音叉振臂的振动信号转化成光强变化信号,从而避免了在测量中压电效应的使用。在声激励实验中,对比了不同的声波发生器和有无导声管的激励效果,优化了声波激发位置;在光激励实验中,研究优化了光束激发的位置。     

一种用于石英音叉光声检测的前置带通滤波器

针对石英增强光声检测系统中石英音叉共振信号的特征及提取要求,设计了一款六阶切比雪夫有源模拟带通滤波器。根据切比雪夫滤波器理论和Sallen-Key拓扑结构模型完成实际电路的设计,并通过石英音叉共振特性测试实验对滤波器的性能做出了验证。实验结果表明,该滤波器能对石英音叉光声信号进行滤波去噪并无失真放大,其性能指标满足:通频带宽935 Hz,波纹0.8 dB,带外衰减51 dB,品质因数(Q)值35.09,能有效抑制环境噪声,可用于石英增强光声光谱检测领域光声前端信号的处理。     

石英音叉微细加工若干问题探讨

采用基于半导体工艺的光刻、化学腐蚀等微细加工方法在石英晶体基片上批量制作石英音叉。化学腐蚀石英音叉时，叉指的一个侧面中央有棱角，腐蚀速率先慢后快有利于棱角的消除，但去掉棱角的主要方法是增加腐蚀时问；实验探索了能够耐受长时问腐蚀液浸泡的Cr／Au掩模的制作方法和工艺，成功地腐蚀出石英音叉样品；选用黑白反相的十字套准标记进行石英音叉图形的双面光刻套准可以减小人为对准误差，腐蚀出的双面音叉图形的套准精度可小于3μm。石英晶体结构的三角对称性和Cr／Au掩模的耐腐蚀性是限制微细加工制作石英音叉达到理想形状的关键。     

Improved Design and Modeling of Micromachined Tuning Fork Gyroscope Characterized by High Quality Factor

This paper proposes an improved design of micromachined tuning fork gyroscope （M-TFG） to decouple the cross talk between driving and sensing directions better and to increase resolution. By employing dual-folds spring suspension, the drive mode and the sense mode are mechanically decoupled. Through careful layout design of the location of the dual-folds spring suspension and the drive combs, the mechanical coupling effect is further decreased by isolating the unwanted excitation from detection. The quality factor investigation demonstrates that high quality factor can be attained by using this structure, which can bring in accurate resolution. As a result, this design has the potential to accomplish low bias drift and accurate resolution for initial level applications.     

压电音叉频率特性检测系统研究

压电音叉广泛应用于工业领域,其频率特性是工程技术应用的关键指标。传统的压电音叉频率的检测效率低、适应性差,为了精确地测定压电音叉的频率特性,提高测试效率,该文以工业中常用的音叉物位计为对象,设计了基于ARM9的频率特性检测系统,此系统能够显示压电音叉的固有频率,以判断是否符合要求,提高了效率和精度。     

压电音叉及其应用

介绍了压电音叉的基本结构和等效电路,详细描述了压电音叉的工作原理以及各种实际应用,并对实际产品的选材及性能作了详细的介绍。作者还根据自己的研究结果介绍了几种实用的和用作压电音叉换能元件的压电陶瓷材料的配方。     

基于“8悬臂梁-质量块”结构的新颖x轴音叉式硅微机械陀螺

设计、制作并测试了一种新颖的x轴音叉式微机械陀螺,它以"8悬臂梁-质量块"结构来实现Coriolis力的检测,与常见的单层弹性梁-质量块结构相比,具有更好的模态稳定性;大质量块与薄弹性梁的结构设计有助于获得低机械噪声与高灵敏度.采用体硅微机械加工工艺在(111)硅晶圆上试制了基于"8悬臂梁-质量块"结构的微陀螺,由于在(111)晶向上硅的湿法腐蚀速率极其缓慢,而用氧化硅填充的限制槽限定侧向腐蚀范围,因此这套工艺能对双层弹性梁的结构尺寸进行精确控制,获得较小的模态失配.在大气环境中,该陀螺具有±200°/s的量程,角速度灵敏度为0.15mV/(°/s),分辨率约为0.1°/s.