压电型微固体模态陀螺的模态及谐振分析

压电型微固体模态陀螺利用压电体的特殊振动模态来工作,它是一种不同于微振动陀螺的全固态微陀螺.在压电型微固体模态陀螺中不存在整体运动的部件和弹性支撑结构,因此抗冲击、抗震动能力强.同时,它对真空封装没有特殊的要求,因此稳定性好,长期工作可靠性高.文中详细介绍了压电型微固体模态陀螺的工作机理,建立了该种新型微陀螺的结构模型,并对压电块的振动模态和自激谐振进行了有限元分析,获得了满足要求的工作振动模态.通过谐振分析,进一步验证了提出的结构模型的有效性.本文为压电型微固体模态陀螺的制作提供了理论依据.     

压电微固体模态陀螺的安装技术

压电微固体模态陀螺（ PMMG）利用压电PZT长方体的某高阶共振模态作为参考振动,是一种抗冲击、抗震动能力强的新型全固态陀螺。获得优化的参考振动振型对提高陀螺性能至关重要,但是大多数文献都没有涉及到封装对参考振动的影响。利用有限元方法（ FEM）分析了压电振子安装时支撑点位置与接触面积对参考振动的影响,分析结果表明：相对于接触面积的变化,支撑点位置的变化对陀螺参考模态的影响更大。该研究结果为压电微固体模态陀螺的安装方法提供了理论基础。     

微陀螺模态特性的参数化分析方法

模态分析是微陀螺结构设计的重要环节,针对一种采用L形截面悬臂梁支撑的微陀螺结构,提出了参数化的模态分析方法.建立了微陀螺的参数化模型,以VC作为封装ANSYS的APDL命令流的工具,开发了微陀螺参数化的模态分析模块.利用该模块研究了微陀螺模态频率随主要结构尺寸变化的规律,发现对模态频率影响较大的是硅结构的厚度和支撑梁的...     

微机械陀螺的仿真与优化

微机械陀螺依靠振动模态频率来测量旋转角速度,通常微机械结构的振动模态相当复杂。虽然已有很多文章研究了如何调节驱动模态和敏感模态以获得最大的敏感度,却很少有人分析微机械陀螺的振动模态。振动模态与陀螺结构的设计参数有极大的关系,这些参数包括陀螺检测质量的尺寸、支撑系统的类型和尺寸,以及用以制造陀螺主体的多晶硅的残余应力。研究了一个静电驱动、电容检测、敏感垂直轴角速度的陀螺(也称平面陀螺)。同时,用有限元法分析法对微机械陀螺的结构进行了分析。     

微机械振动陀螺模态耦合误差分析与激光修形方法研究

较大的模态耦合误差严重影响陀螺仪的零偏稳定性。研究了一种微机械振动陀螺仪的模态耦合误差形成机理,仿真分析了结构加工误差对模态耦合误差的影响规律。仿真结果表明:振动结构支撑梁上的加工误差是引起结构刚度不对称并产生模态耦合误差的主要因素,在与该加工误差对称的位置去除相应的材料可以减小甚至消除模态耦合误差。采用紫外激光微细加工技术,对微陀螺样机进行了结构平衡实验,激光修形后在没有输入角速度时,微陀螺样机模态耦合误差信号的峰峰值从2.88 V降低到0.24 V,取得了明显的修形效果。     

基于厚度剪切振动的压电圆盘微陀螺的制作和分析

基于面内振动模态工作的圆盘陀螺在利用压电方式驱动和检测时,需要在圆盘振动体侧壁上加工压电换能器,很难由MEMS工艺实现.为实现压电圆盘陀螺的小型化,设计制作了一种直接由压电材料作为振动体,基于厚度剪切振动模态工作的新型压电圆盘微陀螺.厚度剪切振动模态使得陀螺可以通过在压电基片上下表面制作金属电极的MEMS工艺进行加工.通过对加工出的陀螺器件进行阻抗分析发现加工出的陀螺具有良好的对称性,基于阻抗分析得到的品质因数通过有限元分析可知,陀螺可实现高灵敏度、低非线性度、大量程、低角速度耦合误差等性能.     

陀螺系统微振动模态摄动分析与灵敏度计算

在状态空间下,将线性陀螺系统微振动问题导向哈密顿体系,可以得到一组加权共轭辛正交关系和模态展开定理．利用这种特点构造了陀螺系统模态摄动计算式与灵敏度计算式,从而解决了拉格朗日体系下陀螺系统模态摄动分析与灵敏度计算的困难,算例显示了文中计算方法的有效性．     

分时复用三轴陀螺相位差估计算法研究

动态条件下分时复用三轴光纤陀螺相位差导致工作轴精度降低,目前尚无较好的解决办法.由分时复用陀螺模型参数推导出系统输入输出的差分方程,进行幅频和相频仿真,得到相位差幅值大小直接影响系统的精度.为此首次提出了基于数据趋势估计的m点迭代相位差估计算法,重点分析了基于数据趋势的估计算法普遍存在的锁死机理,提出了基于调整跳转系数和引入遗忘因子的解决办法,并加入判断准则以抵抗异常值的影响.讨论了算法的收敛速度及其在实际中应用的问题.通过仿真实验验证了算法的可行性和正确性.从实验数据中可以反映出在动态条件下,该算法可以使得分时复用陀螺单轴精度提高1.3倍以上.     

MEMS谐振陀螺实时自动模态匹配控制技术

为了消除温度对陀螺模态匹配的影响,提出了一种实现微机械谐振陀螺在温度-30～60℃内实时自动模态匹配控制方法。驱动模态和检测模态的谐振频率跟温度成线性关系,两轴的谐振频差与温度也成线性关系,该方法以驱动模态谐振频率作为温度参考而获得两模态谐振频差,根据谐振频差实时调节静电调谐电压,使得检测模态谐振频率与驱动模态谐振频率匹配。实验结果表明:检测谐振频率和驱动谐振频率在温度-30～60℃范围内,匹配误差不超过0. 3 Hz,验证了该方法的可行性、匹配精度,同时证明本文所采用的开环控制方案的有效性。     

解耦型静电力闭环微陀螺

微陀螺采用双框架双支撑解耦结构实现X-Y方向运动相对独立,驱动模态采用叉指电容结构实现大范围静电驱动,敏感模态方向采用差分电容作为检测接口实现高精度位置测量.X方向设计了独立的位移检测单元,而Y方向配置了静电力反馈单元,实现系统的闭环静电力反馈控制,提高传感器的性能.为分析提高系统输出精度的条件,推导出影响系统检测灵敏度的因素,改进了驱动模态闭环方案,提出了敏感模态无相差静电力反馈方法.     

磁悬浮转子微陀螺的电容检测系统分析和实现

介绍了一种新型磁悬浮转子微陀螺的电容检测方案,其特点是检测定子上径向分布的电容极板和悬浮转子形成差动电容的变化.检测电路为基于相关检测原理的交流电容电桥的方法.电路实现中采用积分电荷放大器作为前置级,对其输出和噪声进行了深入的分析.之后,前置级的输出信号经过低噪声放大器进行放大,再通过带通滤波以及相关解调等电路实现检测系统需要的输出幅值和信噪比.实验证明,实现的检测系统对角度输入有较好的线性响应,角度分辨率达到0.1°,即可检测到的电容变化约为1fF.     

微机械电子隧穿陀螺仪研究初步研究􀀁

本文提出了根据微机械振动陀螺仪与电子隧道传感器相结合的设想,介绍了该型陀螺仪的工作原理,推导了陀螺仪的运动方程,从理论上阐述了该设想的可行性,仿真结果表明,该陀螺仪较电容检测陀螺仪,其灵敏度可以得到很大提高。     

硅微机械振动陀螺零偏温度补偿研究

在对某型硅微机械振动陀螺进行大量高低温环境试验的基础上,根据试验数据,建立了一种零偏温度补偿模型,并用该模型对新测的试验数据进行了预测补偿.补偿结果表明:硅微机械陀螺经该模型补偿后零偏可以减少一个数量级,补偿效果明显.     

CMOS-MEMS体硅集成陀螺的系统仿真

体硅MEMS和CMOS电路的单片集成技术是提高传感器性能的有效途径,但是集成技术会对陀螺的设计和CMOS电路的设计提出更高的要求.通过建立CMOS-MEMS体硅陀螺的等效电学模型,实现了对CMOS-MEMS体硅陀螺的系统级仿真.通过系统仿真,陀螺的结构部分、电路部分、集成产生的寄生效应以及工艺误差得到了有效的分析,从而能够了解它们相互之间的影响,更好的指导CMOS-MEMS体硅集成器件的设计.     

自动增益控制在振动式微陀螺驱动中的应用

在振动式微陀螺的工作过程中,输入角加速度的变化将导致驱动轴振动幅值的变化,从而降低微陀螺的测量精度.文章研究利用自动增益控制技术使微陀螺驱动轴振动幅值保持恒定的方法,提出了合适的MIT自适应控制律,并且利用Simulink仿真验证了该方法的正确性与可行性,仿真结果表明,自动增益控制在提高微陀螺的测量线性度方面有显著作用.     

新型双级解耦合微机械陀螺设计与仿真

在分析了微机械振动式陀螺机械耦合误差的基础上,提出了一种新型的双级解耦合的陀螺结构,可将驱动模态和检测模态完全隔离,以避免驱动对检测的同频干扰。通过在敏感质量和检测质量间用弹性连接来抑制和减小机械耦合误差。文中还对新结构进行有限元模拟,最后分析了系统频响。     

z轴硅微陀螺仪高精度闭环驱动研究

提出了一种z轴硅微陀螺仪高精度闭环驱动方案.该方案实现了闭环驱动的相角和增益条件的解耦;对相角进行了优化控制,消除了驱动频率和驱动模态固有频率的相对频差影响;利用闭环回路中直流控制量与驱动力间的非线性关系,实现闭环自激控制.试验结果表明,1 h内,驱动频率变化的均方差为0.009 Hz,相对变化量为2.2ppm(1ppm=10-6);驱动幅度变化的均方差为0.002 5 mV,相对变化量为15ppm;驱动信号的噪声功率谱密度低于-100 dB.由此可见,本方案使陀螺仪驱动性能得到了极大提高.     

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。     

基于LabVIEW的微机械陀螺自动测试系统开发

为了快速评估微机械陀螺的性能参数,结合NI PXI 4461数据采集卡,用LabVIEW软件实现了陀螺信号处理算法和若干关键指标测试功能,包括陀螺扫频测试、闭环驱动控制测试、标度因数和零偏等相关性能测试.实验结果表明,该自动测试系统借助LabVIEW强大的信号处理功能以及灵活的在线调试大大地提高了陀螺芯片测试与筛选的效...