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。     

基于刚度轴偏角预估机制的 MEMS 多环谐振陀螺全闭环控制方法

针对微机电系统多环谐振陀螺正交闭环回路存在控制误差问题,提出一种基于刚度轴偏角预估机制的多环陀螺全闭环控制方法。该方法通过对微机电系统多环谐振陀螺刚度轴偏角预估,实现正交闭环回路参数自动优化调整。同时,提出了基于刚度轴偏角预估机制的全数字化闭环控制方法,实现微机电系统多环谐振陀螺的驱动、检测、正交、模态匹配环路的全闭环控制。该方法可提升正交闭环回路信噪比,增强陀螺正交漂移的抑制能力,降低陀螺零偏输出,改善陀螺的零偏不稳定性。实验结果表明,采用本文提出的基于刚度轴偏角预估机制的全闭环控制方法后,微机电系统多环谐振陀螺的零偏输出由0.201°/s降低为0.021 3°/s,零偏不稳定性由39.42°/h降低为1.237°/h,分别降低了9.44倍和31.86倍,验证了该方法对提升微机电系统多环谐振陀螺仪性能的有效性。     

双框架硅微型机械振动陀螺仪鲁棒控制研究

以内框驱动式双框架硅微型角振动机械陀螺仪为对象,建立了闭环力平衡控制模型,采用鲁棒H∞控制理论中的混合灵敏度法设计了鲁棒控制器。仿真结果表明,同开环微机械陀螺相比,通过合理选择加权函数设计出的鲁棒H∞控制器能使微机械陀螺对敏感轴固有频率摄动敏感性显著降低,微机械陀螺鲁棒性能显著提高。     

具有增益补偿功能的微机械陀螺数字化驱动闭环

提出了具有增益补偿功能的数字化驱动闭环方法,以便提高微机械陀螺标度因数的稳定性。介绍了微机械陀螺的工作原理,对其运动方程的分析显示:为了提高标度因数的稳定性,需要提高陀螺驱动模态振动速度的稳定性;而振动速度的稳定性与驱动环路中C/V转换电路增益的稳定性相关。为此,设计了增益补偿算法,配合自动增益控制环节和锁相环环节构建了具有增益补偿功能的数字化驱动闭环。仿真结果表明,在C/V转换电路增益相对变化量为7.4%时,振动速度幅值的相对变化量由无增益补偿时的7.29%降到了有增益补偿时的0.12%。实验结果表明,增加增益补偿环节后,标度因数的温度系数在-40℃到60℃的降幅达到了90%。得到的结果验证了具有增益补偿功能的微机械陀螺数字化驱动闭环可以较大幅度地提高微机械陀螺标度因数的稳定性。     

高Q值硅微机械陀螺系统特性分析与面向精度的设计方法研究

正微机械陀螺是测量刚体角运动的基础核心元器件,是代表精密仪器制造水平的高端复杂测量装置。陀螺精度是制约其发展与应用的关键,而品质因数(Q)是影响硅微机械陀螺精度及其系统性能的重要因素,对陀螺的机械耦合以及电耦合误差,系统零位、噪声以及闭环电路控制能力有着重要影响。本文以Z轴硅微机械陀螺为基础,结合机械单元和电路单元,从系统角度研究了高Q值硅微机械陀螺特性、高Q值对陀螺精度的作用机理以及以陀螺精度为目标的系统设计方法、系统控制电路设计等问题。主要结果如下所述。     

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。     

数字闭环干涉式光纤陀螺的控制器设计与仿真

光纤陀螺与传统的机械陀螺相比,具有动态范围大、成本低、体积小、可靠性高等优点.数字闭环干涉式光纤陀螺(IFOG)的动态性能受控制系统设计的影响.现根据光纤陀螺数字闭环检测过程,建立了控制系统的数学模型,设计了模糊自适应PID控制器.仿真结果显示,设计的控制器能够有效地增强系统的鲁棒性,缩短调节时间,改善系统的动态性能.     

基于多通道锁相放大器的硅微半球谐振陀螺性能测试方法

针对硅微半球谐振陀螺的性能评测问题,研究了一种利用多通道锁相放大器(HF2LI)的快捷、有效测试方法。该方法首先利用多通道锁相放大器对硅微半球陀螺进行扫频,得到硅微半球陀螺的谐振频率和两模态的频差。再记录硅微半球陀螺谐振信号的衰减过程,通过MATLAB指数拟合,从而求得硅微半球陀螺的品质因数。再对调谐电极和模态电极同时施加直流偏压可实现两模态匹配,进而利用该锁相放大器的解调、PLL、PID等模块构建驱动闭环和敏感开环检测系统,测得硅微半球陀螺的标度因数和零偏不稳定性等参数。测试结果表明,该方法具有简单、快捷和有效等特点,可广泛应用于MEMS谐振器件的性能参数测试。     

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。     

硅微陀螺机械热噪声研究

振动式硅微陀螺仪要在各种噪声干扰下,检测出极其微弱的有用信号.随着硅微陀螺性能的不断提高,机械热噪声对微陀螺的影响愈加显著,决定了振动式硅微陀螺的极限分辨率.本文给出了机械热噪声的产生机理,推导得出机械热噪声等效角速率表达式.分析表明,提高微陀螺的品质因数、增大质量和谐振频率可减小机械热噪声.     

Rao-Blackwellized粒子滤波的红外多个弱目标检测前跟踪

针对红外图像低信噪比下数目可变的多个弱目标的检测与跟踪问题,提出了基于Rao-Blackwellized粒子滤波器(RBPF)的多目标检测前跟踪算法.对每个目标利用RBPF把状态变量分解为线性变量与非线性变量,分别进行Kalman滤波与基本粒子滤波.将已出现目标的状态构成新目标的约束初始化函数,多个滤波器并行跟踪多个弱目标.对红外图像弱目标的仿真实验表明,约束初始化可以避免已有目标的干扰,RBPF可以减小状态变量的的估计误差, RBPF的检测性能优于10倍粒子数PF的性能,对单目标进行检测前跟踪平均每帧耗时为0.3287秒,可以满足实时处理的要求。新方法在不同空间位置的实验对比中,出现延迟,消失延迟和均方根误差等参数对比也验证了算法的有效性.     

基于定镜动态准直的傅里叶变换拉曼光谱仪

本文介绍了一种基于定镜动态准直的傅里叶变换拉曼光谱仪。光谱仪采用了迈克尔逊干涉仪将拉曼光信号调制成干涉信号,通过计算机对干涉信号做快速傅里叶变换(FFT)得到拉曼光谱。为了克服干涉仪中动镜和定镜两面平面反射镜之间在运动过程中产生倾斜和振动,导致拉曼光谱调制度和信噪比降低,设计中采用了通过控制三个磁力线圈的磁场力的方式动态调整定镜的姿态实现动态准直。采用单晶硅材料作为样品对仪器性能进行测试,实验结果表明,该拉曼光谱仪的分辨率达到2 cm-1,测试硫的光谱和三氧化二锑的光谱的信噪比优于100:1。该仪器的设计和研发为我国未来同类仪器的创新发展做出有益探索。     

捆绑式望远镜图像信噪比测量及分析

空间暗弱目标的探测需要大口径、短焦距的望远镜系统。本文提出将多镜筒捆绑在一起对同一空域进行观测,通过软件的方式对采集的图像进行叠加来抑制背景随机噪声、提高图像的信噪比和整体系统的探测能力。为了对上述设想进行验证,搭建了捆绑式望远镜系统实验平台,通过实际观测及事后处理验证了该设想并给出分析结果。实验结果表明：图像信噪比平均提高1.58倍,探测能力近似提高0.5个星等。证实该技术可以系统的探测能力,并保持了其对应焦距并不缩小。     

基于数字合成技术的电容式位移传感器研究

本文提出了一种基于数字调制和解调技术的电容式位移传感器的设计方法。这种数字调制和解调技术是数字合成技术在信号处理领域的一种应用。通过对影响数字合成波形质量的各种因素的分析,给出提高数字合成信噪比的相应措施。实验结果表明,这种基于数字合成技术的电容式位移传感器可实现高精度位移测量。     

工业线阵CCD相机系统测试与噪声评估

为了快速评价工业线阵CCD相机质量,本文选择信噪比为评价因子,建立了测试系统,研究了基于相机输出图像测试相机噪声的方法。分析了线阵CCD相机的噪声,建立了一个基于固定模式和随机噪声的信噪比计算模型,并分析了相关双采样(CDS)过程对电源噪声的影响。设计了一套适于工业场所的相机快速信噪比测试系统,结合理论分析数据和实际测试图像数据,提出了仅通过输出的8bit图片计算各噪声参数的方案。最后,对测试系统引入的光源不均匀性噪声进行了讨论,并证明该实验平台光源符合工业标准EVM1288要求。实验结果表明:当相机模数(AD)转化设置为8.7dB时,输出信噪比可达44dB;若排除光源干扰,输出信噪比可达46dB。该方案简便快捷,满足工业现场对相机信噪比评估的要求。     

LABVIEW软件在声场信号处理中的应用

本文提出利用美国NI公司的LABVIEW软件和计算机声卡采集声场信号并对其进行处理的方案.比较了计算机声卡和数据采集卡(DAQ)之间的优缺点,发现PC机配置的声卡即可构成实时、高信噪比的声场数据采集系统.该应用可以推广到语音识别、环境噪声监测等多种领域,同时该方案对其他低频信号分析具有指导意义.     

利用负刚度效应调谐的硅调谐式陀螺仪

为了验证硅调谐式陀螺仪原理的可行性,研究了硅调谐式陀螺仪的调谐机理,硅转子运动模态和加工工艺以及信号检测与再平衡控制回路。提出了一种利用力矩器的负刚度效应来实现硅调谐式陀螺仪调谐的新方法,推导了静电负刚度调谐的理论公式;设计、仿真、加工了硅薄片式转子平衡环部件和电容器极板,给出了电容信号敏感接口电路、升压放大电路、反馈校正电路和再平衡控制回路。在此基础上,实现了硅调谐式陀螺仪原理样机。试验结果证实,利用负刚度效应调谐是可行的,接口电路和再平衡控制回路设计是合理的。初步性能测试表明,硅调谐式陀螺仪可实现标度因数为1.42mV/((°)/s),标度因数非线性为2.47%,量程为±200(°)/s。试验结果验证了该陀螺仪基本原理的可行性。     

有限角度水浸超声检测空间复合成像

为降低噪声及伪影对水浸B扫成像的影响,提高成像分辨率及对比度,研究了一种适用于水浸检测的有限角度空间复合成像方法。控制不同入射角,实现角域回波信号的采集,采用希尔伯特变换对回波信号进行包络处理,考虑水与工件的声学差异,通过修正渡越时间偏差及折射路径偏差对有限角度内的回波信号进行重构,实现空间复合成像。以钢试块的水浸超声检测为例,对入射角为-7°、-5°、-3°、-1°、0°、1°、3°、5°、7°的回波信号进行空间复合成像,成像结果表明相对于普通B扫查成像,其成像信噪比及对比度噪声比平均分别提高了9.1 d B、5.6 d B,成像横向分辨率平均提高了17.6%,为水浸超声检测提供了一种高精度B扫成像方法。     

微机械陀螺结构形状自组织优化方法

以微机械加工技术制备的音叉振动式微机械陀螺为研究对象,提出基于元胞自动机的结构形状自组织优化方法,建立自组织形状优化的局部规则和基于最终输出的性能评价方法,实现对微陀螺结构形状的优化设计.建立微陀螺的子结构模型,在满足精度的同时缩减形状优化的计算时间,并以实例解析说明方法的有效性.形状优化结果表明,微陀螺的整体性能有大幅度提高,同时能够保持品质因子Q值很高.微机械陀螺的自组织优化方法和结果在提高解析精度和解析效率的基础上,对多物理场耦合工作环境下音叉振动式微机械陀螺的解析、设计和评价具有重要的参考价值.     

Digital Readout System for Micromachined Gyroscope and Analysis for its Demodulation Algorithm

A new digital readout system for micromachined gyroscope has been proposed to implement flexible parameter adjustment, improve the control performance of gyroscope, and make error compensation. By digitalizing the output of the gyroscope, this system uses a floating-type digital signal processor (DSP) to process the signal demodulation and achieve the feedback control of the gyroscope. Therefore, the small change of capacitance in the micromachined gyroscope can be detected. A new demodulation algorithm of least mean square demodulation (LMSD) has been developed inside DSP. Simulation and measurement results show that LMSD can improve 29% of the noise performance compared with the typical multiplication method. In air pressure, a kind of vibration-wheel micromachined gyroscope has achieved a noise level of 0.0073 deg s⁻¹·Hz^−1/2 over the 100-Hz bandwidth by using this digital readout technology. Translated from J. Tsinghua Univ. (Sci. Tech.), 2004, 44(5) (in Chinese)