微机械陀螺测量旋转体自旋频率的机理分析

阐明了所研制的微机械陀螺可用于检测旋转体的自旋频率.首先,根据微机械陀螺结构特点和工作原理得出陀螺输出信号的频率取决螺敏感轴和偏转方向之间夹角的变化,进而得到微机械陀螺输出信号频率与旋转体自旋频率之间的关系.其次,在旋转体处于恒值运动、角振动运动、圆周运动和椭圆运动等四种基本运动形式下,分别建立了陀螺测量旋转体自旋频率的数学模型,并采用加速度计输出为基准信号,推导出陀螺输出信号频率与旋转体自旋频率、运动形式、运动频率、运动方向之间的关系.最后,利用三轴转台模拟旋转体的四种运动形式,并将陀螺输出信号和加速计输出信号进行频谱分析.试验结果表明,理论分析与试验结果相吻合,该微机械陀螺可用于测量旋转体自旋频率.     

振动轮式硅微陀螺仪检测轴的闭环特性

研究了振动轮式硅微陀螺仪敏感结构的谐振特性,重点进行了检测轴的闭环控制系统分析和测试。通过对不同气压条件下检测轴谐振特性的研究及驱动轴和检测轴谐振频率匹配的试验,分析了静电力反馈控制系统中的变刚度问题,进行了硅微陀螺仪检测轴的闭环控制系统设计,给出了检测轴闭环控制系统的原理框图和传递函数,同时分析了闭环条件下驱动轴回路和检测轴回路各部分的相位关系以及正交分量的消除方法。试验结果表明闲环控制提高了硅微陀螺仪的精度指标。     

一种振动轮式微机械陀螺仪的特性研究

微机械惯性仪表具有成本低、可靠性高、体积小、重量轻等优点,国际上已有许多报导[1]-[5].我们研制了一种振动轮式微机械陀螺仪[6].本文主要针对这种微机械陀螺仪的特性进行研究:设计和研究了陀螺的检测系统、检测轴固有频率补偿回路,推导出了此类陀螺检测输入角速度的灵敏度、开环和闭环传递函数、交流反馈控制提取同相分量和抑制正交分量的原理,以及闭环控制改善动态测量频带的方法.本文的最后给出了该陀螺原理样机的初步试验结果.     

环形陀螺敏感结构的平面振动分析

在薄壁圆环振动特性基础上,研究了振动环式微机械陀螺的支撑梁对环的振动模态及自然频率的影响。对一种外支撑式环形微机械陀螺敏感结构进行了ANSYS模态仿真,得到工作振动模态的变形量。以薄壁环2节点变形模态函数为参考函数对仿真变形量用最小二乘法拟合,拟合误差在4.5%以内,各函数系数一致性误差小于1.5%。基于支撑梁对环结构的模态函数影响较小的条件,用能量法和速度积分法得到结构的应变能和动能函数,进一步得到具有支撑梁环结构自然频率的近似解。选取4组支撑梁尺寸,其近似解与仿真结果的相对误差在±3%以内。     

大载荷下线振动微机械陀螺谐振频率漂移特性

线振动 MEMS 陀螺在大载荷条件下,驱动轴与检测轴的谐振频率会发生漂移,频差随载荷变大.这类型振动陀螺为了提高灵敏度往往将两个振动轴的谐振频率设计得尽量靠近,但当角速率载荷较大时,两个振动轴的谐振频率将发生分裂漂移,彼此互相远离.漂移量与向心加速度无关,近似与角速率载荷的平方成正比,且两轴的谐振频率越靠近漂移越剧烈.考虑到 Coriolis 效应的弹簧质量块二维振动数学模型可定量描述该现象,表明此现象为线振动陀螺 Coriolis 效应的一部分.理论分析、仿真研究和实验数据的不同角度对这种频率漂移特性的分析结果吻合良好,为进一步结构优化奠定了理论基础.     

一种低机械噪声弱耦合的微机电陀螺敏感结构

研究了一种能够在大气压下达到较高性能的微机电陀螺敏感结构。设计了一种用于敏感垂直于结构平面方向的角速度的、驱动轴和检测轴相似的线振动微机电陀螺敏感结构。用U形梁隔离驱动器、敏感质量块和检测器以降低机械耦合,检测轴采用变面积式检测电容以降低阻尼。推导了振动速率陀螺的机械频率响应特性,分析了机械热噪声和在调谐及非调谐模式下检测电路噪声等效的角速度噪声,分析了梁的刚度矩阵和机械耦合特性,测试了结构的驱动-检测耦合频率响应。在大气压下陀螺检测轴品质因数达到66,机械热噪声为1.89((°)·h-1)/√Hz,理论耦合刚度比大于800。     

一种MEMS多环谐振陀螺的品质因数在线测试方法

针对MEMS多环谐振陀螺品质因数的快捷有效测定问题,提出了一种应用于MEMS多环谐振陀螺的品质因数在线测试方法。基于对MEMS多环谐振陀螺的动力学模型分析,得到陀螺驱动模态振动位移稳态解的幅值与陀螺的品质因数相关性。为了把陀螺的品质因数从振动位移稳态解的幅值中提取出来,采用锁相环(PLL)实现对陀螺驱动模态谐振频率的实时跟踪,采用自动增益控制(AGC)实现对MEMS多环谐振陀螺振动位移的闭环稳幅驱动。通过提取锁相环输出的谐振频率和振动位移稳态解的幅值解算出陀螺的品质因数。该方法与传统的品质因数测试方法不同之处在于不需要通过数据采集、离线处理等步骤就可以在线自动获取陀螺的品质因数,大大提高了品质因数测试的工作效率。实验结果表明,在陀螺上电后0.6 s左右即可获得相对准确的品质因数结果。     

数字时间序列图像相关方法在动态变形测量中的应用

本文结合微机械陀螺的简谐振动测试提出了一种改进的数字图像相关方法--数字时间序列图像相关方法,并编制了相应软件.通过对作高速简谐振动的微机械陀螺进行相关分析,可以得到试件全场的位移时程曲线;进一步对其作傅里叶变换,可以得到试件的频率等参数.通过该软件得到的微陀螺的振动频率相对误差为0.12%,从而为微结构动力学研究提供了可靠的分析手段.     

振动轮式微机械陀螺动力学方程、振动模态及其灵敏度分析

介绍了一种新的振动轮式微机机械陀螺仪的结构及工作原理,详细推导了该陀螺的动力学方程,分析了其运动规律,并建立了该陀螺的三维有限元模型,给出了前其四阶模态振型,对灵敏度进行了分析模拟。     

线振动硅微机械陀螺结构误差参数分离和辨识

推导了线振动微机械陀螺的三自由度误差力学方程,并详细分析了陀螺耦合误差的产生机理。分析结果表明,各种结构误差是导致陀螺耦合误差信号的主要原因。在此基础上,利用振动和模态理论给出了陀螺结构误差参数的分离和辨识的试验方法和结果。试验结果表明,同相耦合分量和正交耦合分量是微机械陀螺的两种主要误差信号,造成正交耦合的主要原因是驱动轴和检测轴之间的刚度耦合以及驱动轴和检测轴各自的刚度不对称,造成同相耦合的主要原因是驱动轴和检测轴之间的阻尼耦合以及检测轴刚度不对称和驱动力不对称。结构误差参数的分离和辨识试验方法将为下一步的陀螺结构优化、微加工工艺改进以及耦合误差抑制提供基础。     

最小概率DWO带宽选择及激光陀螺温度误差模型辨识

在原有研究的基础上,针对实验数据观测点疏密分布均匀或不均匀的工程实际情况,分别运用全局准则和局部准则,研究最小概率DWO非线性辨识方法中的带宽选择关键问题,提出了校正AIC准则和LCV准则两种不同的带宽选择方法,并将这些方法应用于四频差动激光陀螺的温度误差模型辨识中,比较和验证了这些方法的正确性和适应性。研究结果表明：①对于＂分布均匀＂的情况,宜采用校正AIC准则;②对于＂分布不均匀＂的情况,宜采用LCV准则;③形成了自动带宽选择算法。总之,这些方法为解决＂带宽选择＂问题提供了有效途径,从而进一步提高了最小概率DWO方法的工程应用价值。     

高性能对称解耦结构的线振动陀螺

为了最大限度克服微机电陀螺的两个模态的相互耦合作用,提高微机电陀螺的综合性能指标,采用国内现有MEMS标准工艺方法,设计和制作了一种高性能单晶硅对称解耦结构的线振动陀螺。采用对称结构形式和保证陀螺驱动和检测模态振型都是弯曲振动模式,易于模态匹配;由于采用驱动模态和检测模态结构解耦方式,从微结构设计上大大降低了正交耦合误差影响,使陀螺具有输出零位小、零偏稳定性好的优点。测试结果表明：初次加工的样机,在大气中驱动和检测模态固有频率分别在2430Hz和2580Hz左右,在150Hz带宽内具有0.1～0.5（°）/s的分辨率;随着加工精度的提高和检测电路的改进,该陀螺在大气中15Hz带宽内实现0.008（°）/s的分辨率,在真空状态下,这种高性能单晶硅对称解耦结构的线振动陀螺性能会有进一步的提高。     

An improved constant volume cycle model for performance analysis and shape design of PDRE nozzle

An improved constant volume cycle(CVC) model is developed to analyze the nozzle effects on the thrust and specific impulse of pulse detonation rocket engine(PDRE).Theoretically, this model shows that the thrust coefficient/specific impulse of PDRE is a function of the nozzle contraction/expansion ratio and the operating frequency. The relationship between the nozzle contraction ratio and the operation frequency is obtained by introducing the duty ratio, by which the key problem in the theoretical design can be solved. Therefore, the performance of PDRE can be accessed to guide the preliminary shape design of nozzle conveniently and quickly. The higher the operating frequency of PDRE is, the smaller the nozzle contraction ratio should be. Besides, the lower the ambient pressure is, the larger the expansion ratio of the nozzle should be. When the ambient pressure is 1.013 × 105 Pa, the optimal expansion ratio will be less than 2.26.When the ambient pressure is reduced to vacuum, the extremum of the optimal thrust coefficient is 2.236 9, and the extremum of the specific impulse is 321.01 s. The results of the improved model are verified by numerical simulation.     

三轴陀螺漂移测试转台台体动力学建模及控制系统设计

带宽的保证是三轴陀螺漂移测试转台（以下简称三轴转台）伺服系统设计的主要困难，从使用的角度出发，要求转台伺服系统有较大的带宽，以使三轴转台有较快的响应速度，对干扰有较强的抑制能力，提高三轴转台的跟踪精度，但一些客观因素使带宽指标受到限制，其中机械台体的谐振对带宽的影响是决定性的。本所讨论的三轴转台动力学模型，是三轴转台控制系统设计的依据。     

基于等效输入的光纤陀螺带宽自主测试方法

针对光纤陀螺频带测试角震动台输入频率低的问题,通过在光纤陀螺反馈阶梯波上叠加正弦信号用于等效外部输入角速度,对陀螺解调输出信号按照幅值进行判断得到陀螺带宽。分析了输入等效正弦波幅值满足条件;针对正弦信号在相位调制器上调制产生的相位差随频率变化的缺点对相位差幅值进行补偿;提出了利用直接数字合成技术生成正弦波信号和极值搜索算法检测信号幅值的带宽检测方案,利用陀螺自身硬件基础实现自主检测。通过建立数字闭环光纤陀螺模型,利用Simulink进行了仿真分析。结果表明该检测算法能实现陀螺频带宽度的全频率范围测量,不受外部输入信号测试频率限制,能够用于光纤陀螺带宽测试。     

基于最小概率DWO的激光陀螺温度误差模型辨识

鉴于激光陀螺温度误差模型的非线性和时变性,从提高模型辨识质量的需要出发,运用基于最小概率DWO（直接加权优化）的非线性系统辨识方法进行激光陀螺温度误差模型辨识研究,提出了一种精度更高的激光陀螺温度误差模型。该模型以带宽作为唯一需要确定的模型参数,避免了以往温度误差模型研究中的结构与参数辨识等复杂问题,从而在保证模型辨识质量的基础上,也相应提高了模型的适应能力,并通过两种温度误差特性有显著区别的激光陀螺（四频差动激光陀螺和二频机抖激光陀螺）的温度实验数据验证了该模型的正确性和适应性。     

机抖激光陀螺抖动控制环路频率特性的校正

针对所研制的机抖激光陀螺抖动控制环路带宽不够的情况，运用相位超前校正方法对环路实行校正，在保证稳定裕度和稳态精度的情况下，将环路带宽提高7倍。     

基于小波方差的光学陀螺随机误差特性研究

Allan方差法是对光学陀螺随机误差频率稳定性进行分析的一种通用方法。根据光学陀螺信号零漂移的频率特性,提出了利用小波变换所具有的时频局部化的优点对其随机过程进行小波方差分析。由于小波方差可以更好地防止能量泄露,所以小波方差比Allan方差更为精确。经过对光学陀螺零漂数据的方差分析证明了Allan方差和小波方差法的一致性,并且小波方差更能准确地描述不同频率的方差变化。     

小波分析在捷联惯导陀螺信号滤波中的应用

介绍了小波变换和多分辨率分析理论。针对捷联惯导系统中光纤陀螺输出信号的特点，对其进行小波变换，去除信号中高频部分的噪声，从而抑制了陀螺的随机漂移。通过仿真实验，肯定了使用小波分析算法对陀螺输出信号进行滤波消噪处理的可行性。在实际用于捷联惯导系统中的实验结果表明，有效地提高了系统的精度。     

空间三轴机抖激光陀螺交流稳频系统设计

针对空间三轴机抖激光陀螺设计了交流稳频控制系统,分析了系统原理,进行了Simulink仿真建模和试验研究。在系统原理中分析了控制过程,推导了系统函数,通过Simulink交流稳频系统仿真建模摸索了空间三轴机抖激光陀螺交流稳频系统中PID参数对系统响应的影响,并得到了优化参数(K_P=0.048,K_I=0.0021,K_D=0.0037),为硬件调试提供了参考。将交流稳频控制系统应用于国产某型空间三轴机抖激光陀螺进行试验,试验结果显示通过PID参数调节后的交流稳频陀螺PZT码值变化平稳,陀螺静态脉冲输出稳定,与原直流稳频控制方法相比将空间三轴机抖激光陀螺的精度提高了20%。