基于参数激励法的MEMS陀螺电馈通抑制方法

针对微机电系统(MEMS)陀螺驱动电极和感应电极之间存在寄生电容,导致驱动信号的电馈通,限制了陀螺仪的灵敏度的问题,采用一种新型驱动方式—参数激励法,可以有效改变陀螺的刚度。仿真测试表明,通过调节激励信号的参数(频率、幅度和相位),可以以可控的方式显著地减少电馈通。     

参数辨识在陀螺仪性能分析中的应用

基于挠性陀螺仪动力学模型, 研究参数辨识在陀螺仪性能分析中的应用方法。在论述挠性陀螺仪性能指标和力学模型的基础上, 利用伪随机多谐波信号作为激励信号, 通过零阶保持器将离散模型转换为连续模型进行参数辨识。实验结果显示, 模型预测输出与实际测量数据的拟合度达到95. 3%, 残差在合理的公差带以内。因此, 参数辨识是陀螺仪性能分析中的一个有效性方法, 可为陀螺仪故障分析和控制回路设计提供一种技术手段和理论依据。     

检测电极变形对 ＭＥＭＳ 陀螺仪振动性能的影响

MEMS陀螺仪的振动环境性能是制约其应用的重要指标。针对MEMS音叉式陀螺仪,分析了检测电极在驱动运动作用下的变形对陀螺仪振动性能产生影响的机理。建立了振动环境中包含检测电极变形在内的误差信号模型,将误差信号的成分与角速率响应信号进行了对比分析。通过对检测质量的受力状态进行优化,降低了检测电极变形的有效值,将振动误差信号的幅度从25dB降低到9dB以下,大幅提升了MEMS陀螺仪的振动环境适应性。     

光纤陀螺仪死区抑制技术研究

抑制死区是光纤陀螺仪工程应用需要解决的一个问题,产生死区的原因一般认为是光纤陀螺信号解调电路中调制信号与信号检测电路之间电子交叉耦合,所以克服死区的方法也是从减少电子交叉耦合的途径入手;在某型号三轴一体化光纤陀螺仪研制中,从陀螺的结构设计与布局布线等方面进行了优化,并采取了屏蔽措施;分析了数字闭环光纤陀螺线性模型,提出了参数配置的优化措施;数字闭环软件中引入随机调制等多种措施综合抑制死区;产品测试表明,陀螺仪死区控制在0.5(0)/h以内,达到了预期的效果,满足型号使用要求。     

双框架式硅微陀螺仪正交信号分析

推导了内驱动,外检测双框架式硅微陀螺仪驱动和检测模态的运动方程.在此基础上,利用弹性主轴原理,推导了内外框弹性主轴偏转产生正交信号与敏感信号的比值表达式.同时还推导了外驱动,内检测双框架式硅微陀螺仪在内外框弹性主轴偏转产生正交信号与敏感信号的比值.分析表明,在相同情况下,前者的正交信号要远大于后者.最后测定了这两种框架式硅微陀螺仪的正交信号,大小分别为2 380.1(°)/s和376.3(°)/s,印证了理论的正确性.     

硅微陀螺仪驱动信号提取端口噪声分析

建立了硅微陀螺仪驱动模态的接口模型,设计了驱动速度信号敏感接口电路,分析表明合理的参数选择基本消除了接口模型中寄生电阻电容导致信号衰减.建立了接口电路的噪声模型,推导了各噪声源导致输出噪声电压公式.仿真和试验表明,由运算放大器的噪声电压和噪声电流,及上置直流偏置电阻R1所产生的噪声功率较大.因此,减小前置运算放大器的输入噪声电压、噪声电流以及寄生电容CPP或者增大直流偏置电阻R1可以有效抑制上述噪声的影响.     

微型热对流陀螺仪敏感信号检测

针对微型热对流陀螺仪敏感输出信号非常微弱、不易测量的特点,本文提出了一种热对流陀螺仪敏感信号检测方法.采用交变电流来驱动加热器,产生交变的流速.在外界输入角速度时,产生了交变的哥氏加速度,从而引起对称于Y轴两边的气体流速方向发生偏转,使热敏电阻周围的温度发生改变,热敏电阻阻值也随之变化.差动检测电路将热敏电阻阻值变化转换成交变电压.采用基于相关检测的相敏解调方法提取出有用信号,通过低通滤波器、放大器,最终得到直流电压,该电压信号正比于外界输入角速度.实验表明,交流驱动和相关检测的方法能有效地抑制低频噪声干扰、提高检测精度.     

基于光纤陀螺仪的信号补偿

光纤陀螺仪是目前广泛使用的一种惯性仪器, 但在使用过程中仍然会遇到有很多问题. 光纤陀螺仪在使用过程中由于光纤陀螺仪内部元器件构造、材料的使用、以及元器件的精度等因素, 会产生一些误差, 如启动温度、零漂、刻度因子等. 同时在使用的过程中受外界的环境干扰也会使光纤陀螺仪产生误差, 如受外界的振动, 环境温度变化等. 通过分析研究光纤陀螺仪的原理和输出信号, 建立误差补偿模型, 对误差进行补偿分析. 应用分段平均选点法补偿了由于温度变化在信号中产生的线性趋势项, 以及使用平滑滤波算法对光纤陀螺仪输出信号进行     

微机械陀螺仪模态分析

利用计算机软件对有限元法构建的微机械陀螺仪模型进行分析可以掌握其各种参数。根据静电梳状驱动结构,设计符合性能指标的陀螺仪结构,并利用有限元分析法借助ANSYS软件对陀螺仪进行模态分析,从而得出陀螺仪的驱动模态和敏感模态,为已经设计的结构提供分析和修正的参考,从而提高微机械陀螺仪设计结构的品质因数。     

硅微陀螺仪闭环正交校正研究

针对硅微陀螺仪中正交误差的来源进行了分析,设计了一种基于正交校正电极的闭环控制回路。该电路通过正交校正电极产生静电耦合刚度,以此来抵消结构耦合刚度,从而抑制正交误差。给出了设计方案的原理框图,利用Simulink对整个控制回路进行仿真,仿真结果表明该方案能够较好地抑制正交误差。对加入正交校正前后的硅微陀螺仪样机进行了测试,实验结果表明加入闭环正交校正后,陀螺仪样机的正交误差信号已基本消除,零偏稳定性较校正前提高了一倍以上。     

A method to simulate the vibrating characters of the resonator for resonant MEMS gyroscope

This paper proposes one study method of resonant MEMS gyroscope based on the circuit in order to solve problems such as long verification cycle and high cost of the MEMS gyroscope structure design. Firstly, on the basis of Euler–Bernoulli beam theory, this study establishes resonant beam vibration equation, obtains semi-Mathieu equation after normalization, namely parameter excitation characteristic equation of the frequency micro gyroscope, then deduces the characteristic equation in consideration of the damping condition, and uses the parameter perturbation method to study the output characteristic of gyroscope under ideal and damping states. Then, the analog circuit is innovatively used to obtain the characteristic equation of gyroscope under ideal and damping states, subsequently, the characteristic equation is normalized. It is realized that the dynamics equation is equivalent to the analog circuit. Finally, the experimental study is carried out, and experimental device for the frequency micro gyroscope harmonic oscillator parameter excitation characteristic is produced. Meanwhile, the analog circuit output waveform and frequency change correctness are verified by using the Runge–Kutta method and the parameter perturbation method, respectively. The experimental results show that the experiment device can be used to study the nonlinear vibration characteristics of the gyroscope.     

双电容接口式微机械陀螺的信号检测方法

在研究双电容接口式微机械陀螺结构与分析传统差分电容检测方法对其驱动力的影响的基础上,提出了一种适合于该陀螺的新型信号检测方法,此方法具有两个显著特点:第一,能够使公共电容极板偏置到零电压,消除其对驱动力的影响,进而提高微机械陀螺的系统灵敏度;第二,能够消除直流电压的不匹配以及失调电压对输出信号的影响.最后,通过HSPICE软件仿真验证了该方法的可行性.     

电容式微机械陀螺双环路闭环驱动电路研究

为了提高微机械陀螺系统的检测灵敏度,对微机械陀螺系统的驱动电路进行了研究.分析了微陀螺闭环驱动系统理论,基于此提出一种双环路闭环驱动方法,并且利用数学工具simulink建立系统模型,验证此方法的可行性,最后设计完成相应电路.此方法引入锁相环实现闭环驱动电路的稳频控制;采用自动增益控制器(AGC)实现恒幅控制.利用Hspice完成电路级仿真.结果表明,微机械陀螺双环路闭环驱动电路建立稳定振荡的时间为45 ms,稳定振荡频率为2.7553 KHz,频率偏差为0.1 z,频率抖动为0.056563 Hz.相对于传统的AGC闭环驱动电路,此闭环驱动电路建立稳定振荡时间缩短了30.77%,频率稳定性是传统AGC闭环驱动电路的32.72%.微机械陀螺环路闭环驱动电路提高驱动信号性能,对于微机械陀螺检测灵敏度的提高有着重要意义.     

振动轮式微机械陀螺仪闭环驱动控制方法研究

本文在分析振动轮式微机械陀螺仪稳定工作条件的基础上,探讨了微机械陀螺仪对驱动电路的控制要求,提出一种新颖的驱动频率自动跟踪的控制方法,给出了驱动电路闭环控制框图,详细分析了驱动模态闭环控制逻辑,最后的开、闭环对比实验说明了本控制方案的有效性。     

振动式微机械陀螺驱动控制电路研究

本文分析了微机械陀螺检测灵敏度和驱动信号频率和幅度的关系,在此基础上提出了一种振动式微机械陀螺驱动控制环路方案并给出了相应的电路实现方法.它利用陀螺谐振时驱动信号和驱动模态位移信号具有900相位差这一特性,采用锁相方式完成驱动轴的稳频控制,恒幅控制环节则采用半波整流电路及后续的直流电压调整电路实现,从而完成了对驱动轴的锁相和恒幅双环路控制,保证了陀螺驱动轴的谐振和振幅恒定,有效的提高了陀螺的灵敏度和标度因子的稳定性.最后针对音叉电容式微机械陀螺进行的开闭环对比实验证明,添加控制环路的检测电路零偏稳定性提高了10倍左右.     

A novel method for finding the best excitation frequency of MEMS vibratory gyroscope

Microsystem Technologies - In this paper, a novel method is proposed for finding the best excitation signal frequency of the MEMS vibratory gyroscope sensors. In the proposed method, the amplitude...     

微机械陀螺的刻蚀误差特性分析

微陀螺仪结构上的腐蚀凹槽或腐蚀腔可以由深层反应离子刻蚀技术得到,加工过程中存在的刻蚀误差对微陀螺的固有频率、输出精度和稳定性有重要的影响.采用有限元分析软件ANSYS建立了一种梳状微机械陀螺的有限元分析模型,采用解析的方法并通过Matlab数学软件进行仿真,研究了由于加工误差导致微梁过度刻蚀对微陀螺驱动模态、检测模态、固有频率、带宽、灵敏度的影响.结果表明,微梁刚度和微陀螺固有频率随着刻蚀角度的增大而增大;最大过度刻蚀角度为±2度时,其驱动模态和检测模态的固有频率的变化率均超过了14%;刻蚀误差会导致微陀螺工作模态降阶,以及干扰模态介于与驱动和检测模态之间且与驱动模态频率相近,这会严重影响微陀螺的输出精度;带宽随过度刻蚀夹角增大而减小,灵敏度随过度刻蚀夹角的变化而发生不规律变化;当刻蚀角度介于0°~1.5°时,微陀螺的灵敏度将高于无刻蚀误差时微陀螺的灵敏度.     

基于CEEMD阈值和相关系数原理的MEMS陀螺信号去噪方法

针对经验模态分解（EMD）方法易产生模态混叠问题,而集成经验模态分解（EEMD）方法又存在重构误差较大的缺陷,提出了一种基于完备集成经验模态分解（CEEMD）阈值滤波和相关系数原理的MEMS陀螺信号去噪方法。首先通过CEEMD方法对陀螺信号进行有效完备的分解,并利用相关系数原理合理确定分解后噪声分量与有效分量的界限。在此基础上,通过借鉴小波阈值处理方式和EMD阈值设置方法,对信号进行阈值滤波去噪。对仿真信号和实际MEMS陀螺信号的研究结果表明,CEEMD阈值去噪方法的去噪效果要优于CEEMD、EEMD、EMD强制去噪方法和小波分析方法。这也充分体现了其在MEMS陀螺信号去噪应用中的可行性和有效性。     

金属多环振动盘MEMS微陀螺及其微加工工艺

基于硅基振动盘微陀螺采用金属材料作为振子,提出了一种金属结构多环振动盘MEMS微陀螺,通过使用电镀工艺,实现了金属结构多环振动盘微陀螺的低成本低温加工方法.通过研究振动盘式微陀螺的工作原理及检测和驱动方法,设计了多环振动盘微陀螺的结构.使用有限元方法对陀螺金属振子进行了动力学仿真,验证了金属结构多环振动盘陀螺的可行性,并对微陀螺的加工工艺流程进行了微加工制作,获得了微陀螺芯片.研究解决了实现金属结构多环振动盘微陀螺的关键技术.