硅微陀螺仪的正交误差分析

推导了双框架式硅微陀螺仪驱动模态和检测模态的运动方程，定义了驱动位移和敏感位移。在此基础上，利用弹性主轴原理，分别推导了内外框弹性主轴偏转产生的正交误差信号表达式及正交误差信号和敏感信号的比值表达式。分析结果表明，双框架式硅微陀螺仪内外框弹性主轴发生偏转时，都将产生正交误差位移，且双框架式硅微陀螺仪产生的正交误差位移数值相当于单框架式硅微陀螺仪正交误差位移的两倍。测定了双框架式硅微陀螺仪的正交误差，正交误差信号，其值为431°／s，此时偏转角度仅为0．0196°。     

硅微陀螺仪正交耦合系数的计算及验证

硅微陀螺仪多采用微机械加工工艺制作,其加工的相对精度较低,从而易产生正交耦合误差,影响陀螺仪的输出。为了优化设计硅微陀螺仪结构,提高其性能,本文建立了陀螺仪正交耦合系数的理论分析模型。首先,利用能量方法推导陀螺仪驱动梁的面内刚度;然后,建立陀螺仪的刚度矩阵;最后,推导了正交耦合系数的理论计算公式。针对本课题组研制的双质量振动式硅微陀螺仪,理论计算出其直接耦合系数为4.74×10^-5,二次耦合系数为8.44×10^-7。得到的陀螺仪的正交耦合系数为4.75×10^-5,与仿真值相差8.7%。分析得到陀螺仪正交耦合系数的最大值为2.18×10^-4,与仿真值相差7.9%。最后,实验验证了计算结果的正确性。得到的结果表明,建立的正交耦合系数理论分析模型可为硅微陀螺仪的结构优化设计提供理论依据和实际指导。     

微机械振动陀螺仪正交误差分析

本文在简要介绍微机械振动陀螺仪工作原理的基础上,分析影响陀螺仪性能的正交误差所产生的原因,推导其内在的数学机理,并探讨抑制或消除正交误差影响的方法和措施.     

硅微陀螺仪零偏稳定性的优化

为了进一步提高硅微陀螺仪的零偏稳定性,使其满足更高精度应用场合的需求,研究了硅微陀螺仪零偏稳定性优化技术。以典型Z轴硅微陀螺仪为例,对影响其零偏稳定性的主要因素：机械耦合误差、电路耦合误差、机械热噪声、接口电路噪声进行了完整分析,并从抑制零偏温度漂移及输出噪声两个角度提出了改善硅微陀螺仪零偏稳定性的设计原则。基于上述原则,优化设计了硅微陀螺仪的机械结构及接口电路。最后对所设计的硅微陀螺仪进行了零偏稳定性测试,以验证所提出优化设计原则的有效性。实验结果表明,4个测试组的硅微陀螺仪零偏输出均无明显漂移,且零偏稳定性在6（°）/h左右,达到了中等战术级水平。     

硅微陀螺正交误差校正方案优化

本文意在寻求双质量硅微机械陀螺仪正交校正最优方案。首先介绍了带有正交校正和检测力反馈梳齿的双质量硅微机械陀螺结构,量化分析了正交误差对输出信号的影响并进行了仿真,结果显示解调相角变化为±2°,200(°)/s的正交误差等效输入角速率可引起15(°)/s的输出信号变化。然后,对目前3种比较主流的硅微机械陀螺仪正交校正方法(电荷注入法(CIM)、正交力校正法(QFCM)和正交耦合刚度校正法(QCSCM))进行了实验研究,从理论上证明了这3种方法的可行性。对未加入正交校正环节的陀螺进行了实验,结果显示其左、右质量块输出的正交误差信号峰峰值分别为150mV和300mV。针对两质量块正交误差不等的实际问题提出了质量块单独校正的方案。采用CIM、QFCM和QCSCM对校正前零偏及其稳定性分别为-4.589(°)/s和378(°)/h的陀螺进行了实验校正,结果显示3种方法均可有效消除检测通道中正交信号,3种方法的零偏及零偏稳定性结果分别为-8.361(°)/s和423(°)/h,2.419(°)/s和82(°)/h,1.751(°)/s和25(°)/h,证明了正交耦合刚度校正法为3种方法中的最优方案。     

微机械振动陀螺的耦合误差和隔离耦合的结构设计

微机械振动陀螺是近几年发展起来的新型惯性元件,其误差源主要有微机械结构的Brownian噪声,电路噪声,机械耦合误差及电子机械耦合误差等,这些误差严重影响陀螺仪的精度。本文提出了单级隔离耦合和双级隔离耦合的结构方案,有效减小机械耦合误差,提高精度。     

硅微陀螺仪接口电路分析

建立了某硅微陀螺仪的等效电路，分析了寄生电容对接口电路的影响。结果表明，合理的接口电路不仅消除了大部分寄生电容的影响，而且减小了信号的衰减幅度，抑制了大部分的耦合信号和噪声信号。最后对接口电路进行了改进，保留了以上的优点，减小了载波信号的变化和电源变化对分辨率的影响，提高了整个电路的分辨率。     

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。     

微机械陀螺仪的微结构分析与设计

针对基于微米技术的微机械陀螺检测功能微弱的现象,本文建立了振动轮式微机械陀螺仪的机电系统动力学模型,经对某微陀螺结构的仿真计算发现,哥氏阻尼力随激励哥氏力增大而增大,造成电容检测信号极为微弱,无论激励的幅度和频率如何,为此,本文给出了一种新型振动轮式微陀螺结构,可减小哥氏阻尼力,相对增大了激励哥氏力,这种新型结构显著增强了电容检测信号,而且具有双轴微陀螺功能,对耦合线加速度不敏感等特点。     

硅微陀螺仪器件级真空封装

为实现硅微陀螺仪真空封装以提高其性能,对硅微陀螺仪器件级真空封装技术进行研究.首先,设计硅微陀螺仪的专用陶瓷封装管壳,并采用钎焊技术进行封帽,采用金锑合金为焊料以满足封装过程中的高温.分析除气工艺对硅微陀螺仪品质因数的影响,除气试验结果表明,将硅微陀螺仪芯片和封装壳体放置在真空炉中进行高温烘烤,能有效地提高硅微陀螺仪的品质因数.制定硅微陀螺仪器件级真空封装的工艺流程,封装好的硅微陀螺仪的品质因数约为10 363.7,约为空气下的50倍.硅微陀螺仪品质因数跟踪测试结果表明,真空封装的硅微陀螺仪存储5个月后,其品质因数降低为最初的55.1%,这表明采用该器件级真空封装技术封装的硅微陀螺仪的真空保持度较差,有待进一步研究.     

并联测量机柔性动力学建模与误差耦合

为解决目前高速机构存在的高速与高精度之间的矛盾,研究了高速并联测量机的柔性问题。应用弹性梁运动学理论和Galerkin模态截断法推导了一维弹性梁运动学变形位移模型;以欧拉-贝努利梁为假设,应用Hamilton原理建立了考虑中线变形的柔性结构耦合动力学模型。最后,基于中线耦合动力学模型,测试了不同速度下弹性振动产生的误差,提出了通过调节黏滞摩擦系数来降低振动耦合误差,进而提高测量精度的方法。基于仿真实验验证了提出方法的有效性和可行性。结果表明:在忽略结构误差前提下,角速度为300rad/s时产生的横向一阶振动耦合误差最大值为28.6μm;合理调整黏滞摩擦在0.4~0.5时,振动耦合误差降低至15μm以内,相比调整前误差降低了13.6μm。提出的方法为进一步解决高速与高精度之间的矛盾和研究高阶弹性振动与精度的耦合机理提供了理论基础。     

关于逆向车削加工细长轴误差的力学分析

针对细长轴车削加工，分别在两种不同装夹条件下(一端卡盘夹紧、一端顶尖支承和两端顶尖支承)进行正向切削和逆向切削时的工件变形进行了力学分析，建立了正逆向切削工件在切削力作用下产生弯曲变形的解析模型。具体算例表明：逆向切削时工件的弯曲变形以及由此引起的加工误差远小于同等条件下正向切削的变形和误差。该模型及分析结果可用于细长轴加工的工艺设计。     

Measurement error in prism coupling method and refractive index profile reconstruction in ion-exchanged waveguides

Measurement error in prism coupling method is studied and an analytic expression for the uncertainty of mode effective index measurement in an ion exchanged surface waveguide is derived. A novel algorithm to determine the profile of refractive index for ion-exchange waveguides is proposed. This method takes the values calculated by anti-WKB and linear segment interpolation as approximation and then uses the least squares fitting to eliminate the measurement error. Numerical results show that the proposed algorithm can effectively reconstruct the transverse refractive index profile of graded ion-exchange planar waveguides.     

硅微陀螺仪器件级真空封装技术研究

为进一步提高硅微陀螺仪的品质因数及其稳定性,研究了硅微陀螺仪器件级真空封装的高真空获取技术和真空保持技术。首先,以硅微陀螺仪动力学方程为基础,分析了硅微陀螺仪的误差信号与品质因数之间的关系,并采用稀薄气体动力学分析具有高品质因数陀螺仪的空气阻尼。根据早期真空封装陀螺仪的品质因数跟踪测试曲线,分析了品质因数下降原因。采用程序升温脱附职谱分析法（TPD-MS）分析陶瓷管壳和金属盖板的放气特性,并选用了合理的吸气剂。最后,改进了器件级真空封装流程。测试结果表明,采用改进的器件级真空封装的陀螺仪品质因数最高可达162660,约为早期真空封装陀螺仪品质因数的14倍,且在一年内的变化小于0.05%。     

关于同轴度误差定义的分析与探讨

分析现行的同轴度误差定义及公差标准中的不足 ,提出同轴度误差的新定义、描述参数、公差标准及测量方法。     

Investigating the effects of quadrature error in parametrically and harmonically excited MEMS rate gyroscopes

Some factors like environmental conditions and manufacturing errors affect performance of a MEMS rate gyroscope. Because they may result to parameter mismatch between the designed gyroscope and the fabricated one. The Parametrically excited gyros are more robust to these changes than the harmonically excited gyros. However, these types of gyros also experience reduction in their accuracy in angular velocity determination due to these changes. One of parameters that affect the accuracy of the gyroscope is quadrature error that here, its effect in the accuracy of angular velocity determination is investigated in two typically designed harmonically and parametrically excited MEMS gyroscopes. The studies are done solving the gyroscopes’ equations analytically and numerically after addition of quadrature error. Finally, it’s found that the quadrature error reduces the accuracy of the gyroscope. Accuracy reduction (equivalent to output error increasing) decreases with increasing angular velocity or decreasing quadrature error almost the same for two types of gyroscope.     

波导定向耦合器耦合度的测量

通过对波导定向耦合器结构原理的分析,研究了利用雷达站现有仪表设备对波导定向耦合器主要技术参数一耦合度进行测量的方法,并对因耦合度误差产生的影响进行了探讨,结果表明,应用雷达站现有设备和仪表对波导定向耦合器的耦合度进行准确测量是可行的;耦合度产生误差对雷达回波强度观测影响很大,需要在雷达安装好后及时进行测量校正。     

共轭鼓形齿联轴器传动力学特性分析

对共轭鼓形齿联轴器传动进行了静力学与动力学特性分析;得到了载荷 计算公式,导出了自振运动微分方程和固有频率,计算分析了接触应力、弯曲应力的分布与变化规律,验证了有关理论