谐振子支柱偏心误差对谐振子振动特性影响分析(英文)

半球壳谐振子是半球谐振陀螺的核心部件。基于弹性力学的有限单元法建立了谐振子的弹性动力学有限元方程,得到谐振子自由谐振方程。为分析谐振子支柱偏心误差对谐振子振动特性的影响,利用有限元分析软件(ANSYS)建立了半球壳谐振子有限元模型,分析了理想谐振子和存在支柱偏心误差谐振子的二阶谐振状态振动特性。深入分析了支柱偏心误差对谐振子谐振频率和变形特性等振动特性的影响规律。通过对两种影响规律的比较分析得到,支柱偏心误差导致的频率差将会引起陀螺的随机漂移;而支柱偏心误差引起的变形将会影响陀螺的零偏,可以通过标定补偿。为减小支柱偏心误差对陀螺精度和性能的影响,偏心误差的加工误差范围应小于1.2μm,分析结果为谐振子的加工设计和结构误差分析提供了理论基础。     

基于电极模态切换的半球谐振陀螺自校准方法

针对因受加工技术、加工条件以及外部环境因素等影响,半球谐振陀螺在力平衡模式下输出零偏稳定性及重复性变化较大的问题,提出一种基于模态切换的陀螺自校准方法。基于半球谐振陀螺二阶振动模态机理,建立理想状态下谐振子运动方程,并分析推导了谐振子在阻尼不均和频率裂解等非理想因素影响下的运动模型和参数控制方程。根据谐振陀螺输出漂移特性,提出了一种基于电极功能切换的半球谐振陀螺自校准方法。通过相关实验,分析比较了电极模态切换前后陀螺输出稳定性及重复性,实验结果表明,陀螺零偏稳定性提升1.8倍以上,陀螺零偏重复性提升90.5%,所提方法能有效估计及补偿陀螺漂移,提高半球谐振陀螺输出的稳定性和重复性。     

一种速率积分半球谐振陀螺自校准方法

速率积分模式下半球谐振陀螺具备大测量范围、高带宽及极佳的标度因数等优良特性，但阻尼不均匀及其随温度、老化等的变化导致的驻波周向漂移及其不稳定性限制了速率积分半球谐振陀螺的工程应用。为减小这种驻波周向漂移的影响，基于半球谐振陀螺的二维振动模型和控制模型，通过驻波角周期性自进动与频率调制结合的自校准方法实现了模型参数的实时辨识、周向漂移的实时补偿及载体转速的实时解算。自校准速率积分半球谐振陀螺实测20小时的数据表明，启动2小时后，从0时刻开始的平均零偏为0.06°/h,10小时后稳定在0.018°/h以内，零偏不受周向漂移影响，陀螺的长时工作精度得到了大幅提高。     

科氏振动陀螺全角模式阻尼误差与补偿

工作在全角模式的科氏振动陀螺具有直接输出角度信息、大动态范围、高测量带宽及稳定的标度因数等优势，但其性能易受谐振子刚度不对称、极板间距不一致、阻尼误差等因素影响，其中阻尼误差缺乏有效的补偿方案。针对科氏振动全角陀螺的阻尼误差，提出在阻尼主轴坐标系中采用能量衰减法对阻尼误差的影响进行分析，确定了全角陀螺的速率死区指标，并得到了在不同外界角速率下全角陀螺的进动特性。最终采用自适应阻尼补偿法对全角陀螺阻尼误差进行抑制，将MEMS多环陀螺的速率漂移从2°/s降低至0.25°/s。     

缺陷半球壳谐振子振动特性的研究

半球壳谐振子是新型半球谐振陀螺的敏感部件,本文主要研究这种谐振子有某种缺陷时的振动特性。所得结论可为选择半球谐振子提供一定的理论依据。     

基于主动驱动旋转的全角模式半球谐振陀螺驻波漂移补偿方法

全角模式半球谐振陀螺具有动态范围大、应用场景广泛等特点,但由于品质因数周向不均匀导致的驻波漂移问题尚未完全解决。针对这一问题,提出一种驻波漂移模型参数辨识及补偿方法。首先,根据二阶振动模型推导了驻波漂移模型;其次,提出一种辨识漂移速率峰值及阻尼轴位置的方法;最后,通过主动驱动驻波旋转补偿驻波漂移并通过实验验证方法的有效性。实验结果表明:补偿后的驻波漂移速率降低了95.55%,可以明显降低谐振子驻波漂移。     

半球谐振陀螺真空度要求分析

空气阻尼是影响半球谐振陀螺精度的重要因素,直接影响了其核心零件谐振子的品质因数Q。首先,根据半球谐振陀螺的工作原理和结构特点,研究了在不同真空度环境下、克努森系数K_n不同取值范围内空气阻尼对半球谐振陀螺的作用;进而,推导出相应的空气阻尼计算公式,计算出谐振子的Q值,得出了高精度谐振陀螺必须工作在K_n10的分子流阶段,在此阶段Q值关于真空度的对数曲线等比例提高。最后通过某型半球谐振陀螺进行实验验证,实验结果与理论分析计算相吻合,验证了理论分析的正确性。为半球谐振陀螺的真空设计提供理论依据。     

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.     

力反馈模式半球谐振陀螺仪振幅控制稳态模型的建立

在力反馈模式下,半球谐振子上主激励电机与反馈激励电机处的振幅控制是半球谐振陀螺控制系统的一个重要环节。为了给出两电机的准确控制电压量,以控制谐振子在有角速率输入时波腹方位角与主激励电机方位基本一致,在建立了谐振子存在密度不均匀缺陷时谐振子的动力学方程的基础上建立了振动位移的状态方程,通过对状态方程的求解,给出了两激励电压的解析表达式。从反馈激励电机的激励电压的表达式中可以得出它与输入角速率、谐振子的缺陷之间的关系,为振幅控制和误差分析打下了基础。根据谐振子结构参数对激励电压进行了计算,计算结果与实际相符,证明了本文推导的半球谐振子振幅稳态模型的正确性。     

基于最小均方算法的半球谐振子特征参数辨识方法

作为半球谐振陀螺的核心元件,半球谐振子的加工水平直接决定了陀螺的性能优劣。然而,目前尚缺乏有效方法来对半球谐振子的性能进行量化评估。针对这一问题,提出一种利用最小均方(LMS)算法来对半球谐振子的刚度各向异性Δω、刚度失准角θ_ω、阻尼各向异性Δ(1/τ)和阻尼失准角θ_τ这四种特征参数进行辨识的方法。首先,根据非理想谐振子的正交误差方程,在外界恒定转速Ω的激励下,获得仅包含Δω和θ_ω信息的陀螺正交分量q的数据集;其次,根据非理想谐振子的驻波方位角误差方程,在外界恒定转速Ω的激励下,获得仅包含Δ(1/τ)和θ_τ信息的驻波方位角θ的数据集;然后,根据正交误差方程和驻波方位角误差方程构建基于LMS算法的特征参数辨识模型;最后,利用Simulink程序仿真验证所提出辨识方法的有效性。仿真结果表明:半球谐振子的四个特征参数全部在8s以内完成辨识,并且全部收敛于参数的设定值。该方法不仅可以实现对半球谐振子的加工水平进行量化评估,而且可以为半球谐振陀螺的误差分析与补偿提供理论依据。     

比力对半球谐振陀螺仪解算精度的影响

为了分析半球谐振陀螺仪非敏感轴X、Y轴存在比力输入时,对输出角速率解算精度的影响,首先,利用环形谐振子的动力学方程,得到了径向振动方程。然后,分析了存在比力输入时,谐振子唇沿中心将偏移激励器和位移传感器所确定的圆心,并根据闭环检测原理,推导了陀螺仪解算角速率误差的表达式,仿真计算了相对偏移量对输出结果的影响程度。最后,利用分度头进行了非敏感轴的多位置翻滚试验,验证了输出中存在与非敏感轴比力输入有关的误差。     

BK14-2型压电石英加速度计的研究

本文利用压电石英晶体谐振器进行加速度计的研究，采用石英晶体谐振器作为测量惯性力的敏感元件，利用石英晶体谐振器的压电效应，通过敏感惯性力进而实现对线加速度的测量。结果表明该加速度计具有良好的线性和稳定性，测量范围±４０ｇ，线性度优于１０－４，灵敏度大于４００Ｈｚ／ｇ。     

Two-mode squeezed state of nanomechanical resonators

In this paper, we introduce a flexible model for the control and measurement of NAMRs （nanomechanical resonators）. We obtain the free Hamiltonian of the dcSQUID （direct current superconducting quantum interference device） and the interaction Hamiltonian between these two NAMRs and the dc-SQUID by introducing the annihilation and creation operators under the rotating wave approximation. We can treat the mode of the dc-SQUID as a classical field. In the Heisenberg picture, the generation of two-mode squeezed states of two nanomechanical resonators is shown by their collective coordinate and momentum operators.     

谐振腔参数对激光陀螺性能影响的分析

谐振腔是构成激光陀螺的主体，其参数直接影响陀螺的性能，从激光陀螺基本误差理论出发，分析了谐振腔腔长、光阑、毛细孔孔径一致性、毛细孔与光轴相对关系等与陀螺误差的关系。利用激光陀螺的尺度定律 分析了两种典型腔长的激光陀螺，给出了分析结果。根据激光陀螺放电引起的陀螺误差关系及谐振腔振荡模式特性，研究了谐振腔放电毛细孔的加工误差及谐振腔光阑对激光陀螺的影响，给出了毛细孔、光 阑的设计准则，并根据高斯光束特性得出光阑背向散射系数的表达式。这对激光陀螺的设计具有重要的参考价值。     

Thermoelastic coupling effect on a micro-machined beam resonator

In this paper, the effect of thermoelastic coupling on a micro-machined resonator is studied. The calculated results show that the frequency shift ratio caused by thermoelastic coupling is of the order of 10⁻³, which is much larger than that of air-damping. Furthermore, the non-dimensional frequency is scale-dependent with thermoelastic coupling being considered. In contrast, the non-dimensional frequency only depends upon the ratio of thickness to length when the themoelastic coupling effect is disregarded.     

半球谐振陀螺的机理分析

—本文论述了半球谐振陀螺的组成；用能量法建立了旋转轴对称壳体的动力学方程，研究了半球谐振频率；推导了半球谐振子四波腹振型的形成，同时分析半球谐振子环向振型的进动性，说明了不同的拾振原理。     

感应耦合等离子刻蚀技术研究

依据感应耦合等离子体的刻蚀机理，对影响刻蚀的两个重要参数及先进的硅刻蚀技术进行了较深入的研究，并对影响刻蚀效果的参数进行了实验研究，刻蚀出了20μm深，2μm宽的谐振器结构，得到了最佳的工艺参数。     

通流面积可变型消声器及其在管道噪声控制中的应用

对利用共振消声器进行管道噪声控制问题作了理论分析,讨论了通流面积可变型消声器的特性及在管道噪声消声控制中的应用问题,消声控制实验的消声量约38dB.     

一种谐振式微加速度计表芯非线性动力学分析及实验

在研制基于静电刚度谐振式微加速度计过程中,发现增大激励电压可以提高输出信噪比,但响应的振动幅度将不稳定,同时谐振频率也将会出现漂移。针对上述问题,建立了静电驱动微机械谐振系统等效行为模型,非线性动力学理论分析结果与实验现象一致,总结出需要从加速度计结构参数优化和减小激励电压两个方面来减小频率漂移和提高分辨率。将结构优化准则应用到制造的微加速度计上,实验结果表明:在5 V敏感电压下,闭环条件下单梁加速度计灵敏度为58 Hz/g,分辨率为3.5 mg。     

A Study of the Nonlinear Response of a Resonant Microbeam to an Electric Actuation

An investigation into the response of a resonant microbeam to anelectric actuation is presented. A nonlinear model is used to accountfor the mid-plane stretching, a DC electrostatic force, and an ACharmonic force. Design parameters are included in the model by lumpingthem into nondimensional parameters. A perturbation method, the methodof multiple scales, is used to obtain two first-order nonlinearordinary-differential equations that describe the modulation of theamplitude and phase of the response and its stability. The model and theresults obtained by the perturbation analysis are validated by comparingthem with published experimental results. The case of three-to-oneinternal resonance is treated.The effect of the design parameters on the dynamic responses isdiscussed. The results show that increasing the axial force improves thelinear characteristics of the resonance frequency and decreases theundesirable frequency shift produced by the nonlinearities. In contrast,increasing the mid-plane stretching has the reverse effect. Moreover,the DC electrostatic load is found to affect the qualitative andquantitative nature of the frequency-response curves, resulting ineither a softening or a hardening behavior. The results also show thatan inaccurate representation of the system nonlinearities may lead to anerroneous prediction of the frequency response.