静电伺服微加速度计的量程设计

详细推导了静电伺服加速度计在定极板上施加直流偏压、交流驱动电压，动极板上有反馈直流电压和交流检测电压的情况下，检测质量(动极板)受到的静电力。通过对静电力的分析，得出静电伺服彻。速度计的量程除了受系统能提供的最大静电力限制外，还需满足电刚度小于与机械刚度的条件，该电刚度是极板上所有的直流电压、交流电压产生的电刚度之和。离心实验证明，利用该原则设计的“叉指”结构静电伺服微加速度计的量程达到了设计值。该设计原则可以为此类加速度计的设计提供参考。     

一种硅微型加速度计的制备与测试方法研究

本文介绍了硅微型扭摆式静电力平衡加速度计的工作原理、结构设计、制备技术及测试方法，这对于研制硅微型加速度计具有一定的参考价值。     

三轴硅微静电加速度计的实验研究

静电加速度计依靠可控静电力将敏感质量无接触地悬浮在电极腔内,在空间微重力环境下通过降低带宽和量程可以实现极高的分辨率.设计了一种采用玻璃硅-玻璃“三明治”结构、环形敏感质量、体硅加工工艺的三轴硅微静电加速度计,对加速度计的力/力矩平衡回路进行了分析.采用基于DSP的数字控制器,实现了环形敏感质量的五自由度稳定悬浮,在大...     

静电负刚度调谐加速度计的力平衡闭环检测控制方法

静电负刚度调谐加速度计(EFMA)在设计原理上具有兼顾电容式加速度计和谐振式加速度计相关优点的潜力.然而由于静电刚度对应的极板位移具有明显的非线性效应,使得EFMA在大量程应用中标度因数非线性较差,成为了当前制约EFMA量程提升的重要因素.基于EFMA频率输出的特点,推导了力平衡控制量并开展了力平衡控制环路的设计与研究...     

近似平衡多项式加速度动力显式算法

利用已知初始时刻的信息，建立一种可以取到任意阶高精度的多项式加速度单步隐式算法。在该隐式方法中，待采解方程纽系数矩阵中质量阵的系数远远大于阻尼阵和剐度阵的系数，略去非对角阻尼阵和非对角刚度阵对方程组的影响，得到一种近似平衡多项式加速度动力显式计算方法。此方法的精度主要由加速度多项式插值的项数、步长、质量阵的每件数、质量刚度比（质量阵和刚度阵的范数之比）决定。在此基础上给出了这种算法的通式，进行了精度分析，结果表明：如果时间步长h足够短，n次加速度近似平衡动力显式算法的精度可以达到O（hn＋1）。算例采用5次加速度近似平衡显式算法，计算结果的精确性证明了本算法的可行性。     

基于MEMS的光电导航测距系统研究

提出一种用MEMS（微机电系统）惯性元器件（微机械陀螺和加速度计）代替传统的惯性元器件组成惯性辅助导航系统这种新方法，提供给EOANS（光电测距系统）所需要的导航参数，用于进一步的测距计算。由于MEMS系统本身的结构特点，这种新的测距系统体积小、造价低，能够广泛应用于制导等领域。文中最后还给出了仿真试验的数据，结果表明该方法能保证整个测距系统的可行性。     

硅微静电加速度计的支承刚度特性

静电加速度计通过降低带宽和量程在空间微重力环境下可以实现极高的分辨率。设计了一种采用玻璃-硅-玻璃"三明治"结构、平行六面体状检验质量、体硅加工工艺的三轴硅微静电加速度计,推导并讨论了静电支承回路的典型刚度特性与控制参数之间的关系式。采用基于DSP的数字控制器,实现了敏感质量的六自由度稳定支承,在大气环境下测试了静电支承回路的主要性能。分析与测试结果表明,在支承系统频带内,支承刚度特性与控制器参数及气膜阻尼系数密切相关;同时,改变预载电压可以在较大范围内在线调整加速度计的量程和支承刚度等指标。     

分离摆式积分陀螺加速度计外环摩擦试验研究

为分离摆式积分陀螺加速度计外环摩擦力,提出一种在高精度三轴转台上测试摆式积分陀螺加速度计的新试验方法。该试验采用三轴转台中环转动速度随动摆式积分陀螺加速度计外环进动角速度,从而分离仪表外环轴摩擦力的方案。为研究三轴转台存在的动不平衡对摆式积分陀螺加速度计测试试验的影响,建立了三轴转台的动不平衡模型,分析了三轴转台的动不平衡对转台定位精度的影响,并通过提高三轴转台的带宽和改变工作点来获得高的定位精度,消除三轴转台的动不平衡扰动影响,完成分离摆式积分陀螺加速度计的外环摩擦力的试验。通过对试验数据进行分析,得出外环摩擦力的存在影响了摆式积分陀螺加速度计精度,为进一步改进仪表结构以提高仪表的精度提供了试验研究基础。     

微静电陀螺仪再平衡回路设计

微静电陀螺仪依靠可控的静电力,将高速旋转的陀螺转子稳定地悬浮在高真空的电极腔中心,是一种能实现两自由度角速率测量的新型微机电陀螺。针对大角度、高角速率的捷联式惯性导航系统应用,对陀螺仪再平衡回路进行了设计。讨论了陀螺仪的动力学特性,给出了补偿负刚度特性的方法,采用双频波特图对系统稳定性进行了分析,给出了再平衡回路的性能仿真结果。仿真与分析表明,陀螺仪允许的最大输入角速度为768(°)/s,标度系数为6.44mV/((°)·s-1)。     

大冲击后力反馈微加速度计吸合失效与防止

冲击载荷强迫微加速度计的敏感质量大大偏离平衡位置,使差动静电力发生器的非线性效应体现出来,其结果是使正常工作时敏感质量仅在平衡位置附近有微小位移的状况下成立的负反馈闭环系统模型不再适用,敏感质量的受控特性可能变为正反馈,从而使微加速度计失效。为提高微加速度计受外界大载荷冲击后的可靠性,分析了加速度计的敏感质量在不同限制的静电反馈力下的受控特性及对应的闭环系统特性,推导了在已知止挡机械参数下确定微加速度计相应电气参数从而避免此类失效的防吸合准则。多次的验证实验表明,按防吸合准则设计了系统参数的静电力反馈加速度计,在受到远超过其本身量程的载荷冲击后,可以100%地防止吸合现象的出现。     

静电加速度计悬浮质量块质心偏移量在轨标定

高精度静电加速度计已广泛地应用于航天任务中,用于测量作用于航天器的非引力加速度。如果静电加速度计悬浮质量块的质心与航天器的质心安装有偏差时,重力梯度力、姿态耦合产生的干扰加速度,静电加速度计控制系统引入的干扰加速度等干扰力会夹杂在测量数据中。针对这一问题,研究了航天器小质量特性变化情况下,当静电加速度计处于动态设计良好并进入稳态后,利用静电加速度计、陀螺仪和磁强计作为敏感元件,基于非线性卡尔曼滤波理论的静电加速度计悬浮质量块质心偏移量的在轨标定。仿真结果表明,该方案的精度J向可以达到0．1mm,Y和Z向能达到0．04mm。     

A resonant micro accelerometer based on electrostatic stiffness variation

A new out-of-plane resonant micro-machined accelerometer has been designed, modelled and fabricated. The sensing principle is based on the variation of the electrostatic stiffness of two torsional resonators mechanically coupled with an inertial proof mass. The accelerometer, fabricated by the ThELMA^® surface micro-machining process of STMicroelectronics, constitutes a further step of a research focussing on the design of in-plane and out-of-plane resonant micro accelerometers. Preliminary electrostatic measures of the torsional resonators response have been compared with the theoretical predictions.     

静电支承球形转子的恒速控制

本讨论静电支承球形转子的恒速控制问题。首先,介绍静电支承系统的基本工作原理,其次,建立静电支承系统的动力学模型。第三,分析采用PID控制器的支承刚度,第四,阐述形成静电旋转力矩的原理。最后,提出利用静电力恒速的方案与基本限制条件。     

Multiple force identification for complex structures

This paper presents a method for determining force histories using experimentally measured responses. It is based on a recursive reformulation of the governing equations in conjunction with a general finite element program, this latter aspect making it applicable to complex structures. It can determine multiple isolated (uncorrelated) force histories as well as distributed pressures and tractions and allows for the data collected to be of dissimilar type. As a demonstration of the method and of its scalability, force reconstructions for an impacted shell and an impacted plate are determined using accelerometer and strain gage data.     

Non-local effects on the non-linear modes of vibration of carbon nanotubes under electrostatic actuation

Carbon nanotubes (CNTs) based NEMS with electrostatic sensing/actuation may be employed as sensors, in situations where it is fundamental to understand their dynamic behaviour. Due to displacements that are large in comparison with the thickness and to the non-linearity of the electrostatic force, these CNT based NEMS operate in the non-linear regime. The knowledge of the modes of vibration of a CNT provides a picture of what one may expect from its dynamic behaviour not only in free, but also in forced vibrations. In this paper, the non-linear modes of vibration of CNTs actuated by electrostatic forces are investigated. For that purpose, a p-version finite element type formulation is implemented, leading to ordinary differential equations of motion in the time domain. The formulation takes into account non-local effects, which influence the inertia and the stiffness of CNTs, as well as the electrostatic actuation. The ordinary differential equations of motion are transformed into algebraic equations of motion via the harmonic balance method (HBM) and then solved by an arc-length continuation method. Several harmonics are considered in the HBM. The importance of non-local effects, combined with the geometrical non-linearity and with the action of the electrostatic force, is analysed. It is found that different combinations of these effects can result in alterations of the natural frequencies, variations in the degrees of softening or hardening, changes in the frequency content of the free vibrations, and alterations in the mode shapes of vibration. It is furthermore found that the small scale, here represented by the non-local theory, has an effect on interactions between the first and higher order modes which are induced by the geometrical and material non-linearities of the system.     

STATIC STUDY OF CANTILEVER BEAM STICTION UNDER ELECTROSTATIC FORCE INFLUENCE

I. INTRODUCTION For capacitor-like microelectromechanical systems (MEMS) structure[1??6], the voltage betweenthe structure and substrate causes attractive force. The sources of the voltage can be an arti?ciallymounted device[2 , 7??9] or the temporar…     

静电悬浮系统的数字控制与实验研究

介绍了一种基于DSP的数字控制器的总体结构及控制器算法的设计。在此基础上构建了三轴静电悬浮系统，并通过仿真和实验讨论了不同采样频率对系统性能的影响。实验结果表明，系统带宽达到750Hz，谐振峰小于3dB，刚度等各项性能均满足静电悬浮系统的指标要求。     

静电悬浮转子微陀螺及其关键技术

静电悬浮转子微陀螺具有比振动式微陀螺精度高的潜在优点，并可同时测量二轴角速度和三轴线加速度。介绍了静电悬浮转子微陀螺的研究现状。对该静电悬浮转子微F1螺／加速度计的工作原理、特点进行了分析，并对实现高精度静电悬浮转子微陀螺／加速度计晌关键技术如静电稳定悬浮、微位移检测控制、静电恒速旋转驱动、微机械加工和真空封装技术等进行了探讨。指出这一新颖MEMS陀螺是高精度多轴集成微惯性传感器技术发展的一个重要方向，具有广阔的应用前号和较大的发展潜力。     

面向微振信号的驻极体减振俘能装置设计与建模

随着航天工程的飞速发展以及先进制造业对加工精度要求的持续提高,对低频微振信号的控制与利用越发受到关注.本文采用驻极体材料,参考动力减振器理论,开发了一种面向低频微振环境的减振俘能一体化装置,建立了驻极体减振俘能装置的机电耦合模型.为兼顾减振和俘能的双重要求,本文分析和等效了静电力对系统动力学特性的影响,并进行了参数的评估,提出了适用于驻极体减振俘能的优化方法.建立了AMEsim和Simulink的联合仿真环境,对模型和结果进行了仿真验真.建模和仿真的结果表明,本文建立的驻极体减振俘能装置的机电耦合模型可以准确描述装置的运动过程,建模与仿真的误差在5%以内.驻极体减振俘能装置对参数变化十分敏感,且副结构刚度、初始间距等对减振俘能性能的影响都明显强于副结构阻尼.经过优化,本文设计的驻极体减振俘能装置,能够兼顾减振和俘能需求,可以实现接近于理想动力减振器的减振效果,也可以在牺牲15%减振效果前提下,获得1700 V输出电压和3.1 m W俘能功率.本文建立的机电耦合模型和动态静电力解析模型,有助于理解驻极体减振俘能机构的工作原理,揭示了非线性静电力的变化过程和作用机理.