硅微陀螺信号处理方法——基于前向线性预测小波变换方法

为补偿漂移误差对硅微陀螺的测量精度造成的损失,针对漂移误差易受外部环境噪声影响的特点,提出了一种基于前向线性预测（FLP）的小波变换（WT）处理方法——DWT-FLP算法,并通过硅微陀螺试验对其进行了验证。该方法利用快速小波变换算法进行信号的小波分解和小波重构,并将FLP方法用于小波分解系数的重构,比较显著地提高了重构信号的精度。对于4尺度的db4小波变换,40阶FLP的滤波方法可以将硅微陀螺静态漂移的标准差提高4.8倍,动态测量过程信噪比可以提高6.5dB,并且该算法的实时性也可以满足实际工程的需要。     

硅微陀螺信号的自适应UKF滤波处理

针对硅微陀螺零偏重复性差和漂移信号中非线性因素的存在,提出利用AR模型系数实时递推方法对漂移信号进行AR建模,并建立相应的状态方程和量测方程;基于方差膨胀原则的自适应无迹Kalman滤波(AUKF)方法对漂移信号进行处理,采用简化的AUKF滤波过程提高漂移信号滤波的实时性。静态信号和动态测试处理结果表明,简化的AUKF算法效果明显优于UKF滤波和Kalman滤波(KF),滤波后硅微陀螺零偏稳定性提高倍数分别是UKF和KF的3倍和2倍,动态信号滤波后误差减少倍数分别是UKF和KF的1.46和1.34,信号均值不变,但AUKF需要较多的信号处理时间。     

双框架微机械陀螺制备关键技术

研究了对双框架微机械陀螺性能有重要影响的关键制备技术,即不去胶条件下的电铸厚度检测、控制技术,以及结构层内应力的检测、控制技术。在此基础上采用本实验室自对准的准LIGA工艺制备出陀螺结构,其活动区面积为1．0×1．0mm2,框架厚度4μm。经加电测试,已观测到内、外框架在空气中的振动。     

一种新型微机械陀螺的研究

设计了一种检测模态和驱动模态具有相近品种因子的微机械陀螺。这种我们称之为栅型结构的陀螺由悬空弹簧将具有栅条的检测质量块与衬底相联。计算结果表明,这种器件在大气压条件下其驱动模态和检测模态的品质因子几乎同为140。同时,计算结果还表明可以获得比较平坦的较大带宽。采用硅－玻璃键合和深反应离子刻蚀技术制作了这种器件。     

电磁驱动微机械陀螺接口电路的研究

电磁驱动电容检测的力平衡微机械陀螺相对于压阻检测等方式的其他形式的微机械陀螺来说,具有高灵敏度及高精度的突出优点,但是其接口电路也比较复杂.这一接口电路从功能上可分为驱动电路和检测电路两个部分:驱动电路的主要功能是使微机械陀螺产生在驱动模态固有频率下的振幅稳定的正弦振动;检测电路的主要功能是拾取陀螺所产生的角速度信号....     

硅微机械陀螺的差分电容信号处理技术

本文针对电容式微机械陀螺的接口电路设计、闭环驱动、微弱信号检测和处理等问题开展研究。在充分满足陀螺本身工作需要的甚础上设计并实现了它的接口电路。同时进行了初步的实验分析。得到的结果显示它基本完成了驱动陀螺并且解调检测陀螺信号的功能,并且取得了测试结果。     

微机械陀螺结构的稳健优化设计

本文提出一种基于容差分析的微机械陀螺稳健设计方法,开发了相应的稳健优化设计流程.该方法采用估算目标函数和约束的名义值与扰动值来定义系统稳健性,同时将最坏情况容差作为设计参数的扰动.在集成了器件建模和优化工具的设计环境中开发了相应的自动化设计流程,可用于微机械陀螺的结构设计.优化算法使用遗传算法.讨论了不同的稳健设计方法,结果表明本文的方法能以合适的计算成本获得高质量的结果.系统敏感性分析表明,稳健优化设计结果对误差是不敏感的.采用蒙特卡洛分析检验稳健设计的产出率,结果表明有88%的试验样本是可接受的,而对于确定性优化,仅有50%的可接受样本.微结构已经采用键合-深反应离子刻蚀工艺加工出来.     

激光陀螺随机噪声参数估计和滤波方法研究

激光陀螺(RLG)中随机噪声是影响其精度的一个重要因素,针对其噪声的特殊性质,采用小波方法去除随机噪声,提高激光陀螺的精度。通过小波分析的参数估计方法获得噪声参数,并用小波阈值滤波方法去除噪声,对某型号的RLG的滤波结果表明了该方法的有效性。     

基于锁相技术的微机械陀螺闭环驱动电路

传统的闭环驱动电路其输出信号的频率与微机械陀螺驱动方向的固有频率存在一定偏差,且频率抖动较大,系统的建立时间较长．基于上述不足,在分析微机械陀螺闭环驱动方式工作原理的基础上,提出一种基于锁相技术的闭环驱动电路方案,电路进入稳定工作状态时,交流驱动电压与驱动方向敏感电流的相位及频率一致．微机械陀螺在驱动方向谐振,显著改善了输出信号的频率特性．仿真结果表明,这种闭环驱动电路输出信号频率与微机械陀螺驱动模态固有频率完全一致,频率抖动及系统建立时间分别是传统闭环驱动电路的38％和50％．通过实验验证了该方法的可行性     

音叉振动式微机械陀螺弹性梁的研究

以一种音叉振动式微机械陀螺为研究对象,建立了四自由度微机械陀螺动力学模型,重点分析了驱动微弹性梁和检测微弹性梁刚度较大方向的微弹性系数对微机械陀螺动力学性能的影响.设计了三段检测梁和两段驱动梁并推导出其微弹性系数公式,建立了微弹性梁的评价函数,通过实例解析对微机械陀螺动力学性能进行了优化.结果表明:优化后的微机械陀螺具有较好的健壮性和较高的灵敏度.此研究结果适用于音叉式微机械陀螺,而且对其它MEMS器件的设计具有重要的参考价值.     

微机械隧道陀螺的振动特性测试

结合微机械陀螺仪和隧道效应的特点,提出了角振动微机械隧道陀螺仪的工作原理和结构设计方案。针对微机械陀螺的驱动和检测在面内和面外的结构特点,制定了图像处理法、静电力阶跃激励法和机械激励法等振动特性测试方法,在大气环境下分别对隧道陀螺仪驱动和检测模态的振动特性进行了测试,得到了相应的谐振频率,采用不同的方法得到的结果基本一致。     

小波分析在光纤陀螺信号处理中的工程应用

光纤陀螺作为敏感角速度信息的元件对其精度要求较高,仅在硬件方面提高它的精度会极大的增加成本,工程应用中不经济,而从软件设计对光纤陀螺信号进行处理以提高精度便显得尤为重要.小波分析作为一种新型时频共域滤波器,处理二维信号取得了很大的进展,而在实时处理时间信号领域成果相对较少,为此,介绍了小波分析理论并提出了小波分析对光纤陀螺信号实时处理的工程应用方法.     

栅结构微陀螺大角速度信号输入下分辨率的研究

主要研究了大角速度信号输入对栅结构振动式微陀螺及其检测电路分辨率的影响。在0.01-200°/s的动态范围内,按照设计值,陀螺器件与检测电路组成的系统能够分辨0.01°/s的输入角速度变化。考虑到驱动电压和积分电容与敏感电容的特性差异的影响后,当输入角速度大于10°/s时,整个系统即无法分辨0.01°/s的输入角速度变化。针对这种情况,提出了在传感器件上集成关键元件的方法来解决大角速度信号输入下整个系统分辨率降低的问题。     

基于最小二乘平滑滤波与CEEMDAN的光纤陀螺信号处理研究

针对光纤陀螺在面板堆石坝面板挠度监测中易受到噪声干扰,难以准确提取反映结构变形特征信号的实际问题,提出一种基于最小二乘平滑滤波与CEEMDAN混合降噪的方法。该方法运用CEEMDAN将光纤陀螺实测信号进行分解,得到一系列IMF分量。分别对每一阶IMF分量进行傅里叶频谱分析得到幅值谱图和幅值的方差,根据幅值方差的大小判断噪声IMF分量与有用信号IMF分量的分界,结合最小二乘平滑滤波对噪声IMF分量进行降噪。最后将降噪后的IMF分量与有用信号IMF分量进行重构,得到降噪后的光纤陀螺信号。通过对仿真信号和水布垭面板堆石坝面板挠度监测的实测数据进行分析,该方法能有效滤除噪声信号,准确提取反映结构变形的特征信号,验证了该方法对实际工程中光纤陀螺测量信号降噪的可行性和适用性。     

单片三轴硅微机械振动陀螺仪研究

设计、制造了一种单片集成三轴硅微机械振动陀螺仪.该器件由两个结构完全相同的单轴水平陀螺仪和一个单轴垂直陀螺仪组合而成,三只单轴陀螺仪均采用静电驱动、电容检测的结构形式.采用体硅溶解薄片法制造了该三轴陀螺仪芯片,并对其在空气中的驱动性能进行了初步测试.测试结果表明,该单片三轴硅微机械振动陀螺仪驱动模态的实际谐振频率与理论值之间的最大误差小于5%,满足设计要求.     

扭摆式高g值微机械加速度计的设计优化与冲击校准

设计实现了一种扭摆式高g值微机械加速度计。微结构采用十字形扭梁减小横向效应,摆片两侧使用梳齿结构作为止档和阻尼器,6个敏感单元并联的方式提高基础电容量。有限元仿真得到表头谐振频率约为56kHz,前两阶模态分离比大于4,高过载能力10万g,微结构灵敏度为8.94E-6pF/g,基于SOG工艺流片后单侧基础电容约为3.6pF。分析了环形二极管电容检测电路的检测带宽问题,并设计了高g值加速度计的检测电路。搭建了霍普金森杆实验系统进行高g值的冲击校准,2万g范围内非线性度2%,5V供电下标度因数约为24.5μV/g。     

振动式微机械陀螺的电学模拟

根据振动式微机械陀螺的动力学模型导出其等效的电学模型，并利用电路模拟工具对其进行了模拟。利用电路模拟结果，分析了陀螺的运动特性。利用这个电学模型，可以与接口电路混合模拟，优化检测电路的设计。     

变结构PID在微机械陀螺仪闭环驱动电路中的应用

为满足微机械陀螺仪(MMG)闭环驱动电路起振快速、无超调且稳态精度高等要求,提出了一种基于FPGA的数字化变结构PID控制器,并以其为核心构建了微机械陀螺仪的数字化闭环驱动电路.通过构造以控制误差为自变量的比例增益、积分增益和微分增益函数,使变结构PID的结构和参数能够根据瞬时误差的变化而变化,以提高闭环驱动电路的性能.针对某型微机械陀螺仪敏感结构参数,进行了SIMULINK仿真,仿真结果表明以变结构PID为核心的闭环驱动电路是可行的.起振实验结果表明,经典PID构成的闭环驱动电路,其检测电压的幅值超调量达到了75%,稳定时间为2 s;采用变结构PID控制器后闭环驱动检测电压的幅值无超调且稳定时间为0.7 s;1 h的稳定性实验表明,采用经典PID时检测电压幅值的长期稳定性为2.73×10-5V,采用变结构PID时其稳定性为2.68×10-5V,证明变结构PID可以兼顾系统在快速性、超调量和稳态精度等方面的要求.     

航空发动机转静子碰摩故障信号用小波分析的方法检测和分析

针对试飞中发动机转静子碰摩故障信号,首先应用小波阈值方法对原始信号进行降噪处理,由此滤除高频噪声干扰,同时可保留含有重要故障特征的突变信息;对降噪后信号进行连续小波变换,时频分析结果具有很好的实时跟踪转速频率能力,且频带清晰,故障特征明显,为今后真实飞行载荷下的实时故障监测提供一种有效途径。