Z轴硅微机械陀螺仪的机电接口模型分析

为提高z轴硅微机械陀螺仪信噪比，分析了陀螺仪机电接口中的电容和电阻。文中以z轴硅微机械陀螺仪的理论模型为对象，建立了陀螺仪机电接口模型，分析了模型中寄生电容和电阻对有用信号和噪声的影响。分析结果表明：寄生电容会削弱有用信号，且布线与活动结构间的电容对输出有很大的影响，而寄生电阻会产生噪声。最后，提出了采用新工艺和合理的布线方法以减小寄生电容和电阻，从而提高信噪比。     

改进型硅微振动轮式陀螺仪有限元模型与结构性能研究

由于改进型硅微振动轮陀螺仪的结构性能要求和特殊的制造工艺,在设计阶段必须对其进行详细的结构性能分析.本文建立了该陀螺仪的三维有限元模型,分析计算了其基本模态.通过研究其谐响应,确定了频率、振幅和灵敏度的关系.     

基于低频调制激励的硅微陀螺仪自动模态匹配技术

根据二阶质量-弹簧-阻尼系统的幅频特性和相频特性关于谐振频率对称的特点,提出了一种低频振荡激励的实时模态匹配技术,根据检测模态的输出响应来判别驱动模态和检测模态的匹配程度。首先简要介绍了带频率调谐功能的双质量线振动硅微陀螺仪,该陀螺利用负刚度效应来调节检测模态的谐振频率;然后通过理论推导以及系统仿真验证了基于低频调制激励的自动模态匹配技术的可行性和有效性;最后设计了一种基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)的数字控制电路,并且对同一测试陀螺进行了模态匹配和模态不匹配下的性能对比。试验结果表明,相比模态不匹配条件下,陀螺零偏稳定性从5.89(°)/h提高到1.26(°)/h,角度随机游走从0.36(°)/√h提高到0.079(°)/√h,性能分别提高了4.7倍和4.6倍。     

双输入轴微机械陀螺仪的研究与进展

微机械陀螺仪是微机电系统（MEMS）研究的重要内容。双输入轴微机械陀螺仪可最大限度地发挥微结构的固有功能并实现最低成本。本综合了国内外在这方面的主要研究报道，概述各自的结构、工艺、测试和性能特点，以展示双输入轴微机械陀螺仪的发展历史与研究现状。     

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.     

硅微机械陀螺仪的机电接口模型分析

建立了某种硅微机械陀螺仪的电路模型,分析了寄生电容对接口电路的影响.结果表明,合理的接口电路不仅消除了大部分的寄生电容的影响,而且减小了信号的衰减幅度,抑制了大部分的耦合信号和噪声信号.最后对接口电路进行了改进,除了保留以上的一些优点外,还减小了载波信号的变化和电源变化对电容分辨率的影响,提高了整个电路的分辨率.     

硅微机械谐振式陀螺仪

介绍了硅微机械谐振式陀螺仪的工作原理，给出了硅微机械谐振式陀螺仪的动力学方程详尽推导。针对此方程进行仿真研究，对结构设计参数进行了估计。研究表明，硅微机械谐振式陀螺仪是一种很有发展前途的新型陀螺仪。     

硅微机械陀螺仪频率调谐控制系统设计

硅微机械陀螺结构的驱动和检测模态谐振频率差(Δf)是决定其结构机械灵敏度的主要因素,当Δf≈0时,陀螺结构处于频率调谐状态,此时陀螺的机械灵敏度达到最大峰值且噪声和分辨率等指标可得到有效提高。提出了一种基于正交信号和驱动位移相位差的鉴相控制方法,以判断陀螺结构是否处于频率调谐状态,并通过调节检测模态刚度达到频率调谐目的。首先,介绍了陀螺结构检测模态谐振频率调节的原理,并结合结构参数量化分析了频率调节范围。其次,分析了鉴相控制方法,并在其基础上设计了频率调谐控制系统,建立了整机系统模型,并对其进行了稳定性分析。最后,结合整机模型进行了仿真,采用所提出的方法可实现(Δf)的快速、稳定、自主调节,系统的标度因数指标调谐前后分别为13.1 m V/(°/s)和220.6 m V/(°/s),大大提高了结构的机械灵敏度,验证了设计方案。     

硅微机械振动轮陀螺仪的机理研究

本文针对Ｄｒａｐｅｒ 实验室公布的硅微机械振动轮陀螺仪的设计方案,给出了它的非线性 动力学方程和运动规律,分析了该陀螺仪壳体绕空间任意轴匀速旋转时干扰力矩所引起的漂 移率,给出了比通常线性化处理后得到的角速率测量关系式更为精确的测量表达式。     

振动轮式微机械陀螺仪模态控制方法研究

振动轮式微机械陀螺仪存在两个主要的工作模态 :驱动模态和敏感模态。本文研究了敏感模态反馈控制环节对系统工作性能的影响。提出刚度、阻尼组合反馈的模态控制思想 ,探讨了利用刚度反馈控制敏感模态的固有谐振频率 ,利用阻尼反馈控制系统检测范围的多参量控制方法 ;并对敏感模态中刚度反馈校正环节和阻尼反馈的校正环节进行了详细的分析 ,建立了系统对两个校正环节在增益和相位上的要求。     

硅微机械陀螺谐振频率在线快速测定方法

传统测定硅微机械陀螺谐振频率的扫频法需要记录所有频率输入与幅值响应的值,效率低且实现较为复杂。提出一种在线快速测定方法,根据硅微机械陀螺模态特性,将谐振频率的确定视为寻找幅频函数在定区间上的极大点问题,然后利用黄金分割搜索法求解该极大值点。仿真显示,在信噪比为50 dB的噪声水平下,仅需少量的样本点即可收敛到真值附近,测量相对误差在10-6量级上。基于FPGA实现了嵌入式测试系统,分别采用传统扫频法和本文方法进行测量,二者得到的结果相近(相对误差在10-6量级上),从而验证了方法的有效性。     

实时小波滤波方法在硅微陀螺仪中的应用研究

采用实时小波滤波技术构建硅微陀螺仪数字化平台，对快速的MaIfat算法选用何种小波基，是否采用软硬阈值处理以及选用何种尺度和采样点数进行深入分析。考虑到滤波效果即陀螺仪输出信号滤波前后A1lan方差改进情况和硬件处理的实时性，通过比较最终选择3尺度16点软闽值db2小波Mallat快速算法。仿真计算和实验结果表明该滤波方法对改善微机械陀螺仪的零偏稳定性有一定的实用价值。     

硅微机械谐振陀螺仪的非线性分析

给出了硅微机械谐振陀螺仪的结构,介绍了硅微机械谐振陀螺仪的工作原理,详细推导并给出了陀螺仪的输出频率和标度因数非线性的计算公式;基于影响谐振陀螺仪标度因数的参数,分析了由谐振器的振幅和梳齿静电驱动力引起的硅微机械谐振陀螺仪的非线性特性,给出了振动幅度与谐振频率关系的表达式.实验结果表明,陀螺仪的整体性能主要取决于谐振器振动幅度的稳定性.     

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。     

具有硬弹簧非线性的MEMS振动式陀螺仪驱动模态控制方法

当振动式M EM S陀螺仪的驱动模态的振幅较大时,驱动模态中的硬弹簧非线性将变得显著。在驱动模态具有此非线性的情况下,比较了MEMS陀螺仪中常用的两种控制方法,即锁相环驱动和自激驱动。由于非线性模态在频域内的相位响应有迟滞效应,锁相环驱动方式不能稳定地锁定非线性模态的谐振频率。然而得益于自激驱动方式的工作原理,自激方式可以将非线性模态驱动在谐振点上。提出了一种改进的数字锁相环驱动方式。该改进的驱动方式以较大的驱动力为代价,提高了控制回路的稳定性。实验结果与仿真结果相一致,并且验证了所提出的驱动方式的可行性。     

双质量硅微机械陀螺仪带宽拓展系统设计

检测开环状态下,微机械陀螺的实际工作带宽约为驱动和检测模态固有频率差值(?f)的一半,而陀螺结构的机械灵敏度与Δf成反比,较高的机械灵敏度有助于优化陀螺的噪声特性。本文提出了一种较为通用的陀螺带宽拓展方法,在使陀螺拥有较好的机械灵敏度基础上有效提高陀螺带宽以增强其动态环境适应性。首先,建立了陀螺检测系统的模型,并进一步得到了陀螺结构的传递函数和机械带宽。其次,分析了带宽拓展控制器的系统特性,设计了基于比例-积分串联相位超前控制方法的带宽拓展控制器,并对其进行了系统级和电路级仿真,验证了设计参数。最后进行了测试,结果表明采用本文所述方法可将陀螺带宽从原有的13 Hz拓展到了104 Hz,且具有较好的带内平整度,验证了设计方案。     

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。     

微机械硅陀螺谐振器结构特征频率分析

一本文应用Ｒａｙｌｅｉｇｈ方法对微机械硅陀螺谐振器的水平和垂直方向的固有特征频率进行了分析，并应用有限元分析工具进行了检验。