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。     

MEMS环形陀螺模态间刚度耦合频率调谐

MEMS陀螺结构的驱动和检测模态谐振频率差(Δf)是决定其机械灵敏度的主要因素,当Δf≈0时,陀螺处于频率调谐状态,此时陀螺的机械灵敏度达到最大值。本文针对一种电容式全对称S形弹性梁硅基环形波动陀螺,对其使用调频电压进行频率调谐过程中发现,模态间存在一定的刚度耦合。本文分析其模态间刚度耦合产生的原因是结构误差(环形谐振子的结构误差主要体现在两个振动参数,一个是频率,另一个是阻尼),由于调频电压改变的主要参数是刚度系数,所以本文仅对频率误差进行建模分析。首先,介绍了环形陀螺结构,同时以此结构为基础分析了静电负刚度原理。其次,分析了其频率误差产生的原因,并建模推导出调频电压对两个工作模态产生的影响。最后,结合理论模型和实验结果比对,验证理论推导的正确性,并通过实验验证频率调谐状态下对环形陀螺的灵敏度提升了2.7倍。     

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△f2=248 Hz,驱动和敏感模态频率△f1=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...     

杯形波动陀螺的振动仿真分析和试验

针对一种基于压电激励方式的杯形波动陀螺谐振子,进行理论分析并采用有限元软件,得到了谐振子在工作模态下的轴向与周向振幅分布特性,通过给出挠度函数重点分析了谐振子的径向振幅计算问题;最后对25 mm的杯形波动陀螺谐振子样机进行了试验验证。研究结果表明将谐振子沿轴向的振幅变化作线性处理是合适的,由仿真分析引出的幅值计算函数适用于实际情况分析,同时也为杯形波动陀螺谐振子的参数化建模及结构优化设计提供了依据。     

航空火控系统软件速率陀螺分析

主要研究了航空火控系统软件速率陀螺的组成和工作原理.航空火控系统软件速率陀螺是通过对载机的航姿角进行数值微分和坐标转换等数学方法计算出来载机角速度,对角速度计算工作式、姿态角信号变换电路及计算机处理的软件预编程序等进行分析.采用软件速率陀螺其故障率、可维护性、寿命、体积、重量及功耗等方面大大优于硬件陀螺,从而增加角速度测量的余度,提高其可靠性.     

抗过载环形 MEMS 固体波动陀螺设计加工与测试

本文针对传统MEMS振动陀螺在经历高过载过程无法存活且冲击前后参数变化大的问题,开展了抗高过载MEMS固体波动环形微机械陀螺设计、加工和测试方面的研究工作。首先,提出了全对称梁的陀螺结构形式,该结构能够有效的减小冲击过程在结构中造成的应力残留,配合止挡机构以及灌封技术能够提升陀螺在冲击过程中的存活能力,并在此基础上推导了陀螺的动力学方程和敏感轴冲击振荡运动函数,指出了敏感轴冲击模态的固有频率越高、品质因数越小则越有利于提高陀螺在敏感轴上的抗冲击特性。其次,利用有限元分析软件对陀螺结构进行了模态分析和冲击特性仿真,结果显示在15 000 g@10 ms的冲击作用下,陀螺的最大位移和应力分别为9.46μm和99.6 MPa,保证了陀螺结构具有较好的抗冲击裕度。再次,利用较为成熟的玻璃-硅键合和深硅刻蚀工艺实现了陀螺结构的加工,结合陶瓷封装实现了陀螺结构的真空封装,并基于驱动闭环和检测开环回路搭建了陀螺的测试系统。最后,在实验室环境下利用冲击台实现了对陀螺样机的冲击测试,冲击过程(脉宽0.6 ms)出现了多个5 000 g以上的峰值,最大峰值为16 050 g,陀螺响应时间约为1 s,冲击前...     

角速率陀螺在碟形飞行器中的应用

该文主要介绍了角速率陀螺在碟形飞行器中的应用。分析了碟形飞行器对飞行控制系统的要求,角速率陀螺的工作原理,以及角速率陀螺在碟形飞行器中的软硬件设计。     

电容式环形微机电振动陀螺的设计

针对环形振动陀螺结构对称、模态特性参数相同与抗干扰特性好的特点,提出了一种新型的电容式环形微机电振动陀螺。设计了S形弹性支撑梁形式的硅基环形振动陀螺敏感结构,并仿真分析了陀螺的工作模态与幅频响应特性。根据环形振动陀螺的动力学特性,研究了陀螺的机电接口形式与硅基电极的设置方法,建立了硅基电极的电学参数模型与陀螺的角速度敏感模型。基于深离子刻蚀技术设计了简单可行的传感器制备流程,并成功制备了陀螺的敏感结构。实验测试结果显示,该环形微机电振动陀螺驱动与检测模态的谐振频率分别为9 028.86Hz与9 036.15Hz,品质因数分别为25 051与25 026,标度因数为0.589 7mV/((°)·s~(-1))。实验结果验证了陀螺设计与研究方法的正确性,为高性能硅基微机电陀螺的研制提供了一种可行的方案。     

基于EMMAP的MEMS陀螺噪声估计与滤波方法研究（英文）

针对MEMS陀螺仪测量精度低、随机噪声具有不确定性和非线性的问题,提出一种基于最大期望算法（Expectation maximum, EM）和极大后验估计（Maximum a posterion, MAP）的无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman filter, UKF）——EMMAP-UKF的陀螺噪声估计与滤波方法。根据极大后验估计原理,构造出一种次优无偏MAP噪声统计估计模型,并在此基础上引入最大期望算法将噪声估计问题转换为数学期望极大化问题,实现对观测噪声方差的动态调整,最终实现陀螺仪随机漂移误差的估计与滤波处理。最后通过Allan方差对陀螺噪声滤波方法的性能进行评估,通过半实物仿真验证了本方法的有效性。     

MEMS硅基环形波动陀螺抗高过载能力测试

针对MEMS硅基陀螺在制导炮弹等高过载环境中的应用,以一种S形弹性梁支撑形式的陀螺结构为研究对象,建立了陀螺结构的冲击动力学方程。利用ANSYS对陀螺结构进行瞬态仿真,仿真结果显示该结构在X、Z方向承受的最大应力分别为232.10 MPa、219.04 MPa,远小于硅材料的极限许用应力(790 MPa)。实验室环境下利用马歇特锤对陀螺结构样品进行高过载试验,冲击幅值为13600 g。试验前后通过共聚焦显微镜观察陀螺结构表面形貌,结构完好无损;使用拉曼散射光谱系统对非真空封装的陀螺结构进行应力分析,测试点最大应力为276.65 MPa;对真空封装的陀螺结构驱动模态固有频率进行扫频测试,过载前后频率变化量小于0.05%。仿真和试验结果表明该陀螺结构设计合理且抗过载幅值大于10000 g。     

基于硅微陀螺的环形二极管电容检测技术研究

针对电容式硅微陀螺在角速率激励下产生的电容变化量在微弱的aF量级,易受外界信号的干扰而湮没的问题,对传统电容检测方法与环形二极管检测方法进行分析对比,采用了电路结构简单、功耗低、易于集成的环形二极管电路完成电容检测,建立了环形二极管电容检测电路的数学模型,分析其参数对检测电路输出电压的影响,结果表明检测电容变化量、解调...     

微型压电陶瓷棒角速率陀螺设计

研制了基于微型压电陶瓷棒结构代替双敏感梁结构及压电陶瓷片的微型角速率陀螺,并设计了相敏检波电路。首先采用易于加工成高精度的微型陶瓷棒作为敏感体,在其上印刷成六个带状电极并予以极化构成三副电极对,然后设计了封装及相敏检波电路,从而有效地减小了敏感结构的尺寸,提高了其加工精度,实现了角速率陀螺微型化。标定结果表明,该角速率陀螺线性度好,相关系数为0.9996;精度高,标准误差为0.0036。     

基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人设计

以鳐科模式游动的底栖鱼类魟鱼为仿生对象,设计了一种基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人。在分析其胸鳍肌肉和骨骼结构的基础上,建立了柔性胸鳍运动的简化模型,提出了一种仿生水下机器人设计方案。研制了仿生水下机器人样机,并进行了直线巡游、原地转弯和动态浮潜游动试验。结果表明:在波动频率0.8 Hz,鳍条摆角±20°,直线巡游单侧波数1.25时,其游动速度可达45 mm/s;在环形长鳍波数为2时,原地转弯的速度可达42.8°/s;游动状态表明仿生样机依靠环形长鳍能实现高稳定性和高机动性的游动运动。     

细节保持的锥束CT环形伪影校正（英文）

环形伪影的存在严重影响CT图像重建质量,特别是在大型工件的CT检测中尤为严重。本文对一种重建后处理的伪影校正方法进行改进,以快速有效地消除CT图像环形伪影。首先,将CT图像从直角坐标系转到极坐标系,在极坐标系下设计多维滤波器对图像进行滤波处理。计算滤波后每个像素的均值和方差,通过计算的方差与方差阈值的比较以及像素值与像素值阈值的比较,双重精确确定伪影点的位置,对伪影点进行合理修正。之后,进行细节保持。最后,将校正后的极坐标图像转回直角坐标系。实际CT实验表明,与原方法相比,本文改进方法能更好地校正环形伪影,并保持图像细节信息,是一种实用的环形伪影校正方法,为后续处理和定量分析奠定基础。     

基于激光多普勒的杯形波动陀螺频率裂解测量

频率裂解是杯形波动陀螺的关键技术指标,对陀螺性能有着重要影响,因此设计测试方案对其进行准确测量十分必要.根据陀螺的工作原理,设计了扫频激励、单频激励2种激励方案,在周向不同方位实现陀螺的激振;利用激光多普勒测振仪采集陀螺的振动信号,解算出陀螺的谐振频率,实现频率裂解的非接触式检测;在此基础上,对陀螺低频轴和高频轴进行了...     

振弦式陀螺频率检测结构设计与振动分析

针对微陀螺高精度和微型化的发展趋势,依据振弦式陀螺的工作原理建立了振弦式陀螺频率检测数学模型;应用ANSYS软件分析了陀螺检测结构参数影响,优化了振弦式陀螺整体结构并建立了振动响应仿真分析.结果表明振弦式陀螺驱动结构振动响应随着驱动力的增大,驱动响应位移量也随之增大,且驱动力与位移量之间具有很好的线性关系,可以很好地控...     

基于单轴光学陀螺与 MEMS IMU 的室内移动机器人寻北

三轴高精度光学陀螺成本高体积大,限制了陀螺寻北技术在移动机器人领域的应用。 针对该问题,提出一种基于单轴光学陀螺和微机电系统( MEMS)惯性测量单元的室内移动机器人寻北方法,达到或者接近三轴光学陀螺的寻北精度,成本和体积降低约 2 / 3。 移动机器人于第 1 位置静止时,根据单轴光学陀螺的输出与 MEMS 三轴加速度计的输出,获得两个可能方位角,以相同的方式获得移动机器人在第 2 位置的两个可能方位角,两个位置的方位角相减得到 4 个可能的方位角变化值,通过和 MEMS 捷联惯导系统所得方位角变化值比较,确定第 2 位置的唯一方位角。 误差分析显示在方位角接近 90°和 270°时,所提出的方法接近三轴光学陀螺的寻北精度,仿真实验和跑车实验证实了所提出方法的有效性。     

激光陀螺抖动偏频电路的设计与实现

目前消除激光陀螺闭锁误差常用的方法是采用机械抖动偏频及向抖动驱动信号中注入随机噪声。根据某型激光捷联惯导系统所选用的激光陀螺的特性,采用微控制器、锁相环及D／A转换器等器件设计了激光陀螺抖动及加噪电路。该电路具有抖动起振快、加噪简单有效、工作可靠性高等特点,并具有自检测功能。从设计的激光捷联惯导系统实际运行看,该电路能很好地满足系统功能及性能要求。     

MEMS原子自旋陀螺气室芯片加工设备与工艺研究

原子自旋陀螺是基于原子自旋极化效应的一类陀螺仪,在实现高精度检测的同时,又具有小型化和批量化制造的潜力。本文针对原子自旋陀螺对气室芯片的高浓度补偿气氛要求,结合集成制造的技术趋势,设计制造了能承受20×101.325kPa气压的气室芯片专用键合装置。完成了集成RF线圈的6amagat Amagat为浓度单位,定义为1个大气压0℃情况下单位体积内理想气体的分子数浓度原子自旋陀螺用气室芯片的工艺流程设计并进行了工艺流片。流片结果获得了完整的气室芯片结构,漏率的检测结果为3.0×10-8 Pa·m3/s,验证了装置和工艺的可行性。