基于随机平均法的MEMS陀螺自适应控制设计

利用随机平均法对MEMS(微机电系统)陀螺驱动和敏感模态进行了分析,研究了MEMS陀螺的自适应控制设计,使陀螺工作在调谐驱动和力平衡闭环检测状态.该设计能够实现陀螺的恒定幅度和固定频率谐振驱动、驱动和敏感模态匹配,抵偿由刚度耦合引起的正交误差信号,使敏感模态振动在零位平衡位置,提高陀螺动态范围和灵敏度.结合实际陀螺参数,利用MATLAB软件对陀螺自适应设计方案进行了仿真,并设计了驱动模态的调试电路,仿真和调试结果验证了理论分析的可行性.     

基于偶极子补偿法的硅微机械陀螺仪带宽拓展

硅微机械陀螺仪的机械灵敏度与驱动和检测模态的谐振频率差Δf成反比,而Δf处的谐振峰是影响陀螺带宽的直接因素,带宽约0.54Δf,因此,带宽和机械灵敏度往往成为两个互为矛盾的指标。基于自动控制原理中介绍的偶极子理论提出了偶极子补偿控制技术,该方法在不影响机械灵敏度的前提下可有效拓展陀螺带宽。首先,对涉及到的双质量硅微机械陀螺仪的结构形式和工作原理进行了介绍,指出陀螺实际工作的检测模态是由检测同相和反相模态叠加而成,设计了陀螺开环检测回路,分析了带宽是由驱动反相和检测反相模态的谐振频率差决定,并结合检测力反馈激励法验证了上述结论;其次,根据偶极子工作原理设计了偶极子补偿控制器的系统传递函数和电路,并对相关内容进行了仿真,验证了电路参数的准确性;最后,基于偶极子补偿控制器建立了硅微机械陀螺仪闭环检测系统,分析了该系统的稳定性,并对该系统的带宽特性进行了仿真和测试,结果显示带宽由原来的13 Hz拓展到了76 Hz,很好地证明了本文提出方法的可行性。此外,鉴于双质量陀螺的实际检测模态,在消除了第一个Δf谐振峰对带宽的影响后,由检测同、反相模态叠加产生的共轭零点引起的幅值谷为带宽进一步提高的限制因素。     

高过载MEMS环形陀螺制造与测试

提出了一种新型的抗高过载环形振动式陀螺,分析了其工作原理和振动特性。在ANSYS有限元分析软件中建立了该环形陀螺结构的模型,进行了振动特性分析,仿真分析结果显示该环形陀螺工作模态与干扰模态最小频差Δf_2=248 Hz,驱动和敏感模态频率Δf_1=5 Hz。并且根据冲击动力学原理分析了此结构在半周期正弦加速度冲击载荷作用下的冲击响应,谐振结构最大位移为14.142μm,结构所受的最大的应力为68.396 MPa,可以正常稳定工作。通过基于SOG(Silicon on Glass)的微加工工艺制造了陀螺样机并完成了初步的测试,模态测试与有限元仿真结果中的模态频率最大误差是4.9%。实验室过载测试结果显示陀螺在15 800 g过载下,陀螺工作频率和频差未发生大的变化。     

基于误差灵敏度的静电刚度式谐振微加速度计频率鲁棒性设计

运用误差灵敏度分析理论对静电刚度式谐振微加速度计在工艺误差下的初始谐振频率进行鲁棒性设计,通过解析法建立频率鲁棒条件下的机电耦合参数关系,指出合理的机械结构尺寸关系与合理的静电场电压调节都可以提高加速度计的频率鲁棒性,从而大大地降低结构设计难度与工艺加工要求;根据静电刚度式谐振微加速度计的刚度耦合特性及微加工工艺的不成熟性,频率的鲁棒性是通过驱动电路电压调节来实现的,从而说明了在微电子机械系统中,由工艺误差所引起的器件性能波动可以通过适当的电路调节进行补偿;运用硅微键合工艺与深反应离子刻蚀技术加工出加速度计的谐振器结构,将结构尺寸代入参数关系式中,得出保证频率鲁棒性的外加检测电压为1.37V。     

环形波动陀螺结构设计与仿真

基于 MEMS 技术,提出了一种环形波动陀螺结构并建立了谐振子的有限元模型。利用 ANSYS软件对谐振子进行了模态分析,确定了各阶振型和固有频率。通过分析谐振子结构参数对振型和频率的影响,得到了谐振子的优化设计参数,优化后其工作频率与其他振型频率的差大于1 kHz,有效避免工作模态与其他模态间的频率耦合。经仿真验证,设计的环形结构的性能参数满足要求,具有明显的优越性。     

环形波动陀螺结构设计与仿真（英文）

基于MEMS技术,提出了一种环形波动陀螺结构并建立了谐振子的有限元模型。利用ANSYS软件对谐振子进行了模态分析,确定了各阶振型和固有频率。通过分析谐振子结构参数对振型和频率的影响,得到了谐振子的优化设计参数,优化后其工作频率与其他振型频率的差大于1kHz,有效避免工作模态与其他模态间的频率耦合。经仿真验证,设计的环形结构的性能参数满足要求,具有明显的优越性。     

音叉式全解耦微机电陀螺的设计与仿真

文中对严重影响微机电陀螺(简称微陀螺)灵敏度的机械耦合误差进行深层研究和分析,提出并设计了一种基于体硅制造的新型全解耦音叉式微陀螺仪。为实现新型微陀螺的驱动和检测模态完全解耦,在一定的带宽下保持较高的检测灵敏度,采用了新型敏感检测梁和对称的音叉式结构。根据微陀螺仪的实体模型建立了其动力学模型,应用两种空气阻尼模型对检测阻尼特性进行了研究和计算。通过多种固有模态的匹配仿真试验和谐响应分析,确定了新型微陀螺的检测方式和弹性梁结构参数。仿真结果显示,该新型陀螺实现了驱动和检测方向的完全独立,显著减小了机械耦合误差。     

四模态匹配三轴硅微陀螺仪

为了实现单片集成六自由度微惯性测量单元,提出了一种改进的由4个大质量块和4个小质量块组合而成的四方全对称结构的三轴陀螺仪.介绍了该惯性测量元件的结构及工作原理,根据结构参数计算出了详细的性能指标,并进行了面内驱动模态和面内外的敏感模态仿真.为提高各敏感模态的机械灵敏度,提出采用双重静电频率调谐方案,即先对公共质量块施加调谐电压,使驱动模态和航向模态的频差最小;再对小质量块上方的多晶硅电极施加另外的调谐电压,最终使四模态频率偏差小于30 Hz,从而说明该频率调谐方法是有效的.然后,通过分析热弹性阻尼能量耗散机理,对驱动及敏感谐振模态的品质因数进行仿真.结果表明:真空环境不考虑空气阻尼情况下,两种模态的品质因数分别为23 816和19 507.最后,基于表面加工和体加工工艺,设计了高深宽比的加工流程.对该四方对称解耦结构的设计和仿真表明其模态匹配和品质因数性能满足三轴陀螺的设计要求.     

石英微机械陀螺正交误差补偿研究北大核心CSCD

由于石英微机械陀螺的敏感结构在加工制造时存在工艺缺陷,陀螺会产生耦合误差。耦合误差中与陀螺输出信号正交的误差信号称为正交误差,该误差在陀螺诸多误差中占据主导地位,会严重影响陀螺的测量结果。针对正交误差,简要分析了其产生原因及对陀螺输出信号的影响,提出了一种适用于音叉式石英陀螺的正交校正方法——正交电压补偿法。对于正交电压补偿法,搭建了补偿系统进行了相应的仿真,并制作出样机进行实验。仿真和实验的结果表明该方法可以抑制石英陀螺检测通道的正交误差,零偏不稳定性由补偿前的108.088(°)/h降低到43.815(°)/h,降幅达59.46%,证明了正交电压补偿法的有效性。     

基于模态应变能的接触刚度识别方法

由于模态应变能对结构局部变形敏感,因而在以螺栓连接结构为代表装配结构中,预紧力变化对接触刚度和结构固有特性的影响可以采用模态应变能的方法进行分析,据此提出基于模态应变能的接触刚度识别方法,提高粗糙表面接触刚度识别的精度。以螺栓连接的T型块试验台为例,通过测试不同螺栓预紧力下结构前3阶固有频率,并采用薄层单元等效粗糙表面接触特性;考虑结构各阶模态应变能权重,进行了接触刚度识别和识别误差分析。研究结果表明,各阶模态应变能权重随着接触刚度或螺栓预紧力变化可能呈现不同的趋势,导致基于单阶模态的接触刚度识别结果之间存在较大差异;基于模态应变能的接触刚度识别方法由于综合考虑各阶模态的权重,反映了各阶固有频率的总体变化趋势;随着螺栓预紧力增大,接触刚度总体非线性增加,接触刚度识别误差总体下降。所提出的基于模态应变能的接触刚度识别方法,建立了螺栓连接结构中预紧力变量、粗糙表面接触刚度和模态固有频率耦合机制,为粗糙表面接触刚度建模提供了一种精确的识别方法。     

轿车白车身静刚度试验中若干问题的探讨

轿车白车身静刚度试验是获取静刚度值的重要手段,以国产某轿车静刚度试验为例,对于试验流程及方案选择等若干问题进行探讨,并提出试验基本流程与方案选择原则,研究结果可在较大程度上规范化静刚度试验流程,缩短试验周期。     

准零刚度隔振器及其弹性特性设计

结合电子行业军用标准《准零刚度隔振器设计与应用技术导则》的编制工作，介绍了准零刚度隔振器的定义、分类及其设计方法，并有线性准零刚度隔振器及非线性准零刚度隔振器的设计示例。     

正,负刚度并联结构的稳定性及应用研究

从判定系统静态稳定性的能量准则出发，推导了判定弹性系统静态稳定性的刚度准则，从而十分方法地解决了正、负刚度并联结构的稳定性问题，文中还对此结构在振动控制中的应用进行了研究。     

圆筒形囊式隔振器静态和动态特性研究

介绍了利用材料试验机测试囊式空气弹簧隔振器静态、动态特性的原理及方法,并对某试样进行了测试和分析。结果表明,囊式空气弹簧隔振器的额定荷载及额载静刚度与充气气压基本成线性关系,额载动刚度随气压的增加而变大,振动频率对动刚度影响不大。     

电液伺服阀中弹簧管刚度测量方式转换的研究

为了使新研制的刚度测量台在伺服阀弹簧管刚度的高精度测量中得到很好地应用,在对传统的手工吊砝码施力、显微镜读取变形的弹簧管刚度测量老方法的受力变形分析的基础上,推导出弹簧管力矩-转角刚度与显微镜观测点线位移的表达关系式,然后选取多个弹簧管进行两种测量方法的对比实验,对实验数据进行分析并同理论推导的表达式进行对比,修正其关系式,给出实际生产应用中两种测量方法的转换修正系数和对应表达式,据此可以将弹簧管刚度测量老方法转换为新型刚度测量台测量方式。     

气动肌肉的刚度特性分析

对气动肌肉的静动态刚度进行了理论分析，提出了气动肌肉气压刚度概念并得到了其表达式，探讨了不同因素对气动肌肉刚度的影响，并研究了由气动肌肉驱动关节系统的刚度特点。     

磁悬浮系统结构静刚度与结构动刚度测量实验

在提出结构静刚度与结构动刚度定义的基础上,用加载砝码法和用BK振动仪加载正弦信号的实验方法测量磁悬浮盘片系统结构静刚度与结构动刚度,得到激振频率—位移曲线图、激振频率—动刚度曲线图、外力—位移曲线、外力—动刚度曲线图,从中找出磁悬浮系统结构静刚度与动刚度的规律、特点,并比较不同实验方案的结果,验证了实验的合理性与数据的正确性,为进一步理论研究磁悬浮系统的支承特性提供实验依据。     

基于弯曲刚度和扭转刚度的白车身优化分析

随着全球能源的日益紧缺和和制造成本增加,汽车轻量化设计已经成为汽车制造商的主流设计。为了降低白车身的重量,提出了基于刚度灵敏度的方法来实现减重。以处在开发的中后期的某款车为例,利用有限元软件Nastran进行了计算和分析。综合质量灵敏度、刚度灵敏度和优化板件的数量,提出了两种优化方案。并考虑到汽车处在的开发阶段、成本以及整车性能,选取了最佳的优化方案,在不降低汽车性能或者性能降低较小的情况下,实现了车辆的轻量化。最后对优化方案的选用原则和要求进行了总结。     

金属波纹管刚度的简化有限元分析

金属波纹管广泛应用于机械密封系统,而刚度是金属波纹管设计的主要性能参数。介绍了利用ANSYS软件的Matrix27刚度单元模拟金属波纹管的方法,通过建立的简化有限元模型分析了金属波纹管的轴向刚度和扭转刚度。相较于波纹管实体模型,简化模型的规模和计算量大幅度减少,计算效率得到提高。将简化有限元模型计算所得刚度结果与有限元实体模型计算结果及EJMA工程实际经验公式计算值进行了比较,并利用已有的实验结果进行了验证。其结果吻合良好。该简化模型在研究含有波纹管的整体系统时尤其方便,如对基于整体系统响应的各类波纹管的结构参数优化等具有通用意义,并能有效提高有限元建模及分析效率。     

基于曲柄滑块机构变刚度关节的设计与分析

为了解决人机交互中的物理接触带来的刚性碰撞和安全隐患问题,以机器人关节模块为出发点,提出了一种新型变刚度关节。设计了变刚度关节的曲柄滑块刚度调节机构,分析了变刚度原理,建立了数学模型,搭建了样机,分别就关节刚度与关节偏转角度、板簧有效长度、调节机构输入角等参数关系进行了实验分析。实验证明,该方案可实现关节刚度的调节。