一种硅MEMS陀螺谐振频率与Q值的快速测量方法

为了解决平板电极硅微机电系统(MEMS)陀螺谐振频率和Q值的快速测定问题,提出一种基于阶跃激励余振分析的振动特性参数测量方法。首先,利用平板电容电极的吸合效应,提出一种直流阶跃激励方法,使陀螺振子产生较大初始位移的余振信号。然后,结合FFT和Morlet复小波变换对余振信号进行高分辨率频谱分析,获得谐振频率。接着,对余振信号进行Hilbert变换以提取包络线,通过最小二乘指数拟合获得阻尼系数,从而得到Q值。仿真测试表明,该方法能够精确地获得特性参数,相对误差达到了10-5量级。在角振动陀螺上的实验表明,该方法与扫频法获得的结果基本一致,且有效缩短了测试时间。     

硅微陀螺数字化双闭环驱动控制方法

为了提高硅微机械陀螺的性能,基于FPGA设计并实现了一种数字化双闭环驱动控制电路.介绍了通过相位控制实现频率跟踪和直流控制实现幅值稳定的驱动控制原理,采用FPGA扩展ADC、DAC的方法设计出相应控制回路.分别采用扫频和直流扫描测试的方法确定回路中相位偏差到频率调整量与幅度偏差到电平调整量的转换系数.利用Xilinx ISE软件设计了硬件接口、参数解算、滤波处理、信号生成等逻辑;利用EDK软件设计了数据存取、控制算法、扫频测试、串口通讯等程序.试验结果表明,系统稳定工作后,频率跟踪误差与幅度控制相对稳定性分别在10-6和10-4量级上.     

基于FPGA的硅微机械陀螺特性曲线可重构测试

设计了一套基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的硅微机械陀螺特性曲线可重构测试系统,能够同时测试出硅微机械陀螺的驱动频率特性以及驱动模态到敏感模态的正交耦合特性。基于SOPC(System On a Programmable Chip)嵌入式软件编写程序,采用扫频方法从驱动激励端输入一系列由低频到高频的正弦激励信号,在驱动检测端输出,可以扫描出驱动模态的频率特性曲线,同时在敏感检测端输出,可以扫描出驱动模态到敏感模态的正交耦合特性曲线。根据驱动模态的频率特性曲线,能够测量出驱动模态在谐振频率点的相位特性(代表了整个环路的真实相移),据此能够使闭环控制回路精确工作在谐振频率点。此外,改变SOPC嵌入式软件程序,也可以直接实现闭环驱动控制与敏感解调输出,而不需要额外的硬件开销。     

从共振衰减响应中提取微机械陀螺的骨架曲线

为测量微机械陀螺的非线性特性,研究了一种从共振衰减响应信号中提取骨架曲线的方法。采用Hilbert变换处理共振衰减信号,对所得到的瞬时幅值及瞬时频率曲线进行奇异谱分析,滤除信号中噪声引起的非理想波动,从而得到清晰易辨的骨架曲线,解决了基于Hilbert变换的非线性辨识方法对噪声敏感的问题。针对Duffing系统的数值仿真结果表明,这种方法比FREEVIB方法具有更好的抗噪声性能。对一种环型振动微陀螺进行了实验测试,所得到的骨架曲线、阻尼曲线以及频率响应曲线与传统扫频方式的测量结果有良好的一致性。作为一种通用测试手段,这种方法同样适用于其他微机械谐振元件动力学特性的实验测试。     

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。     

谐振式加速度计非线性振动的建模与优化

实验发现硅微谐振式加速度计非线性效应的弱化可以降低测量噪声,对非线性振动进行了推导与建模,利用扫频数据得到模型中的未知参数,并根据模型计算出使非线性效应消失所需的激励电压,给闭环工作点的设计提供了理论指导。实验结果表明:模型与实际系统在各激励电压幅值下均保持一致,非线性效应消失点和实验吻合。根据闭环工作点的设置进行了方案优化,最终在0.25 mV激励电压下的闭环实验中,实现了5.5×10~(-5) Hz的频率输出噪声,对应加速度噪声为1.7μg,与之前30μg的噪声水平相比改善了数十倍。     

一种双质量硅微陀螺仪

双质量块结构形式的硅微陀螺仪能够有效消除轴向加速度等共模干扰的影响。利用结构解耦方法设计了一种新型的双质量双线振动式硅微机械陀螺仪。依据双质量硅微陀螺的结构和工作原理,通过简化的动力学方程,对该陀螺的驱动和检测模态进行了理论分析,并利用Ansys有限元软件对陀螺的驱动和检测模态进行了数值仿真。仿真结果表明,该陀螺结构设计能够实现驱动和检测模态的完全解耦,从而验证了设计思想的正确性。通过仿真,得到了驱动和检测模态的仿真频率值。在对微陀螺加工所采用的加工工艺进行简单介绍后,对加工出的硅微机械陀螺仪样品的模态频率值进行了电路测试。由于加工误差的存在,实验得到的驱动和检测频率值与仿真设计值存在1.6%的误差。最后在转台上对样品的标度因数进行了测定,得到了该双质量硅微陀螺仪的标度因数为2.518mV/((°)?s-1)。     

硅微谐振加速度计的温度特性

硅微谐振加速度计以其小体积、低成本和高精度的频率信号输出,成为硅微惯性传感器研制的热点之一.温度特性是影响硅微谐振加速度计精度水平的重要因素.在分析硅微谐振加速度计工作机理的基础上,从结构设计方法、工艺流程加工和闭环控制回路方面分析了温度对零位和标度因数的影响因素,同时给出了相应解决措施.研制的硅微谐振加速度计基频约为17 kHz,标度因数约220 Hz/g,在-40~+70℃范围内,谐振频率的温度系数为-71.5×10-6/℃,标度因数的温度系数为-610×10-6/℃,样机在常温下谐振频率的相对稳定性为0.313×10-6,1.5 h 零偏稳定性达到42.5μg.     

硅微陀螺正交误差直流校正设计与分析

为硅微陀螺设计了一种正交误差直流校正方法,通过设计校正结构和加载直流电压实现正交校正。建立了存在正交误差时敏感质量的运动微分方程,分析明确了正交响应的成因和对驱动运动轨迹的影响。为硅微陀螺设计了正交校正结构,实现构建静电耦合弹性系数并利用驱动运动产生校正静电力。校正力的频率和相位无需电路控制,使该方法相较于传统校正方法具备特殊优势。设计并分析了校正电压的两种加载方式,通过实验测试验证了正交响应幅值随校正电压的变化规律。实测校正电压接近理论值,证明了校正结构设计的正确性。该方法在双线振动式硅微陀螺中具有重要应用价值。     

一种谐振式硅微机械陀螺的设计和加工

基于谐振式检测方式的高灵敏度、大动态范围、易于与数字电路接口等优点,提出了一种谐振式微机械陀螺的新型结构,研究了其工作原理,得到了双端音叉谐振器(DETF)振动Mathieu方程的稳态输出,并基于此稳态输出的贝塞尔曲线簇分解信号的幅相频率特性曲线进行了特性分析和Matlab仿真研究,从而提出了一种利用DETF输出信号xr中ωr0或ωr0 ωp频率分量来解算科氏力的方法,实现对输入角速度?的检测,并采用SOG工艺加工此新型结构得到样件。研究表明,此新型谐振式硅微机械陀螺结构具有准数字输出,并能有效提高其输出信号的信噪比。     

转子裂纹识别仿真研究中的小波时频分析方法

谐波共振是识别转子裂纹的重要依据，但由于转子裂纹的弱激励、非线性、非平称稳等特性，导致利用传统信号处理方法不能准确有效地获取系统的谐波共振特性，从而难于识别出裂纹；小波时频分析方法是处理非线性、非平稳信号的强有力工具，将小波时频分析方法引入到裂纹识别的仿真研究中，基于建立的裂纹转子动力学模型，分析了利用小波时频分析方法识别裂纹的可行性。偏心激励转子裂纹故障识别的仿真研究表明了该方法的有效性。     

An adaptive vibrational resonance method based on cascaded varying stable-state nonlinear systems and its application in rotating machine fault detection

A weak character signal with low frequency can be detected based on the mechanism of vibrational resonance (VR). The detection performance of VR is determined by the synergy of a weak low-frequency input signal, an injected high-frequency sinusoidal interference and the nonlinear system(s). In engineering applications, there are many weak fault signals with high character frequencies. These fault signals are usually submerged in strong background noise. To detect these weak signals, an adaptive detection method for a weak high-frequency fault signal is proposed in this paper. This method is based on the mechanics of VR and cascaded varying stable-state nonlinear systems (VSSNSs). Partial background noise with high frequency is regarded as a special type of high-frequency interference and an energy source that protrudes a weak fault signal. In this way, high-frequency background noise is utilized in a VSSNS. To improve the detection ability, manually generated high-frequency interference is injected into another VSSNS. The VSSNS can be transformed into a monostable state, bistable state or tristable state by tuning the system parameters. The proposed method is validated by a simulation signal and industrial applications. The results show the effectiveness of the proposed method to detect a weak high-frequency character signal in engineering problems.

     

含噪双稳杜芬振子矩方程的分岔与随机共振

研究了含噪声的双稳杜芬振子矩方程的分岔与随机共振的关系，并根据它们的关系, 从另 一个角度揭示了随机共振发生的机制. 首先在It?方程的基础上，导出了双稳杜芬振子在白噪声和弱周期信号作用下的矩方程，其次以噪声强度 为分岔参数分析了矩方程的分岔特性，再次分析了矩方程的分岔与双稳杜芬振子随机共振 之间的关系，最后根据该对应关系从另一种观点提出了双稳杜芬振子随机共振的机制，该 机制是由于以噪声强度为分岔参数的矩方程发生了分岔，而分岔使得原系统响应均值的能量分布发生了转移，使能 量向频率等于输入信号频率的分量处集中，使得弱信号得到了放大，随机共振发生了.     

Unknown bearing fault diagnosis under time-varying speed conditions and strong noise background

The bearing vibration signal shows strong non-stationary property under time-varying speed conditions. In addition, the weak bearing fault characteristic is often submerged in strong background noise. How to accurately extract the unknown fault characteristic from the non-stationary vibration signal is the primary problem of bearing fault diagnosis. Stochastic resonance has been proved to be an effective weak signal enhancement method. Therefore, an unknown bearing fault detection technology of speed variation is proposed, which breaks through the periodicity limitation of the classical stochastic resonance on the input signal. It enables stochastic resonance suitable for the enhancement of non-stationary fault signal. Firstly, the non-stationary vibration signal is processed by the computed order tracking to obtain the stationary signal in angular domain. To extract the potential feature information, the bearing imaginary fault order index is constructed from the angular domain order spectrum. Then, the resonance response at the imaginary fault order is obtained. Finally, the coherence resonance theory is introduced to judge the bearing fault pattern through the resonance factor index of response order spectrum. The proposed method overcomes the fuzzy mapping relationship between the signal symptom and the bearing fault caused by speed variation. The experimental data analysis results provide effective support for the proposed method.

     

Chaotic motion and internal resonance of forced surface waves in a water-filled circular basin

The objectives of this paper are to investigate the chaotic motions and internal resonance of nonlinear surface waves generated by a harmonic vibration applied to the side wall of a water-filled circular basin. The harmonic forcing consists of a component with a frequency near twice a fundamental resonance frequency of the basin and a smaller component with a frequency near the fundamental frequency. The amplitude equation for the excited eigenmode corresponding to the fundamental frequency is derived and the existence of chaotic motion of this equation is studied by Melnikov method. At certain critical radii of the basin, twice the fundamental frequency is also a resonance frequency and the so-called internal resonance takes place. Eigenmode corresponding to this resonance frequency can also be excited.     

一种基于超声共振谱的低Q值材料共振频率提取方法

超声共振谱技术通过测量样本在超声激励下产生的固有共振频率来计算弹性参数,而共振频率的提取是整个测量过程的关键.低$Q$值(品质因数)材料由于其衰减特性,导致共振谱平缓并无法直观地从谱图上观察得到共振频率,为从中提取更为有效的共振频率, 本文提出了一种新的共振频率提取方法.采用经验模态分解法将材料频率响应自适应分解为有限个具有特殊振荡特性的固有模态函数分量,根据材料的超声共振谱先验信息选择具有共振频率特性的固有模态函数分量,并从中提取共振频率. 以短切纤维环氧树脂材料(仿骨材料, $Q \approx$25)为例, 通过实验与传统线性预测方法进行对比,计算弹性系数和工程模量. 实验结果表明新方法的计算效率高,对弱激发模态更为敏感,共振频率的匹配数量(26)多于传统方法(21)且满足5倍于弹性系数的估计要求,优化后的弹性模量更接近标准值.新方法可从低$Q$值材料平缓的频谱中提取数量足够且有效的共振频率,不仅有效提升了力学参数估计的可靠性,而且拓展了超声共振谱技术的应用范围.      

S型测力传感器的动态特性与标定

本文对 S 型测力传感器的动态特性进行了研究。采用模态分析测量技术,测定了传感器的固有频率、模态质量、模态刚度、模态阻尼和阻尼比,并以动画形式显示了其主振型.作出激振力与传感器应变片输出信号的传递函数幅频和相频特性曲线,可简便地确定传感器工作频率范围及相应的误差。     

用人工产生的拟湍流信号检验相干结构的检测方法

本文利用计算机产生拟湍流脉动信号，将数据进行频谱分析和能谱分析，发现湍流中相干结构不仅包合低频成分还包含一定数量高频成分，因而简单地认为湍流中低频部分是相干结构而高频部分是小尺度脉动，来确定相干结构能量在湍流中所占成分是不科学的；本文还将得到的数据用几种条件采样方法检测相干结构数量和位置，以此判断检测方法的优劣，发现就这类信号而言ＭＵ—ＬＥＶＥＬ法要比ＶＩＴＡ法准确性要高一些。     

Spectral-temporal filtering of NDT data using wavelet transform modulus maxima

In this paper, a method is described for the filtering of non-destructive testing (NDT) signals. By employing wavelet transform modulus maxima filtering in the time–frequency plane, it allows the high frequency components associated with features within the signal to be retained while high frequency components associated with both signal ring down and noise are removed. The method is applied to sonic echo signals associated with the NDT of piled foundations. The method allows for spectral-temporal filtering of the signal and offers a superior partitioning of the signal of interest from both noise and ringdown artefact. The method has applications in the elucidation of other signals.     

Trichotomous noise induced stochastic resonance in a linear system

We investigate stochastic resonance in an underdamped linear system subjected to multiplicative trichotomous noise. We carry out the Shapiro?CLoginov formula to find the exact expression of output amplitude gain, and the impacts of the input signal frequency and noise parameters will be observed, such as noise switching rate or noise correlation time, noise amplitude and noise flatness. Then one can find the stochastic resonance for the proposed linear system.