抑制耦合干扰的半球谐振陀螺信号分频调制检测方法

针对半球谐振陀螺的共用电极结构引起振动检测信号中耦合干扰的问题,提出了一种抑制陀螺检测信号中耦合噪声的分频调制检测方法。从振动检测机理入手,首先建立了电容检测数学模型,分析了信号检测端的耦合噪声源。然后,通过改进激励与检测电极配置方法,利用两个不同频率的高频载波对谐振子x轴向和y轴向上的振动信息进行分频调制,实现了振动信号与驱动响应干扰信号的频域分离,经过信号检测器完成分频传输,从而抑制了耦合干扰。最后,进行了实验验证。实验结果表明所提出的方法相比使用较广泛的单频信号检测方法可有效抑制信号检测端的驱动耦合干扰,使控制回路锁相精度提高了一个数量级以上,陀螺输出信号噪声带由2.1 mV降至1 mV以内。     

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。     

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。     

MEMS环形谐振陀螺的结构设计与振动特性分析

针对环形谐振陀螺谐振结构特性参数相同、检测灵敏度高、温度与抗干扰特性好等特点,提出了一种新颖的S形挠曲支撑梁的电容式环形谐振陀螺。其环形谐振子的刚度系数、固有频率等振动特性参数是陀螺结构优化、模态控制、驱动与检测电路设计的主要理论参数。为了得到该陀螺精确的谐振子特性参数,基于角度敏感原理、谐振结构的材料力学性能与机械振动特性,推导了谐振结构的等效刚度系数与固有频率的理论模型,并且分别进行了有限元仿真分析与样机频率特性测试。结果表明该理论模型计算的固有频率与有限元分析的误差为7.0820%,与样机实际测试的误差为3.9035%,证明了理论模型的正确性,为该陀螺的进一步研究提供了理论依据。     

基于Faraday效应的光纤陀螺频率特性评估方法

由于角振动台的振动频率有限,无法实现光纤陀螺的高带宽测试。提出了基于Faraday效应的光纤陀螺频率特性评估方法,采用正弦电流激励下的Faraday相位差等效Sagnac相位差,解决了激励信号输出频率有限的问题。根据光纤中的Faraday效应原理,分析了该评估方法与光纤陀螺角振动台测试方法的等效性;搭建了评估系统,使用该评估系统来模拟某型号光纤陀螺的信号处理过程,进行等效评估实验,得到了等效评估的光纤陀螺闭环带宽为9 kHz,实现了高带宽光纤陀螺的频率特性评估测试,为改善光纤陀螺的动态特性提供了有效的验证平台。     

含裂纹梁参数的谐响应识别

主要研究含裂纹梁在简谐激励作用下的动力特性,提出一种依据幅值变化对裂纹参数进行识别的新方法。首先,在振动过程中考虑裂纹的呼吸特性,以悬臂梁为例建立含裂纹梁的二维有限元模型,指出在一般激励频率下,其对应的幅值均是明显信号,可用来描述裂纹梁的动力特性。其次,当激励频率分别取无裂纹梁一阶频率的1/4和二阶频率的1/4时,幅值随裂纹参数的变化明显不同,可依据响应幅值的变化对裂纹参数进行识别。然后,利用曲面拟合技术绘出幅值变化曲面,对未知参数的裂纹进行识别,验证了该方法的有效性,并归纳出利用幅值变化对任意裂纹参数进行识别的基本步骤。最后,针对无裂纹梁频率计算可能存在误差的情况,分析识别方法的鲁棒性,结果显示即使最大误差为10%,该方法也能对裂纹参数进行准确识别。     

半球谐振陀螺（HRG）信号处理技术

半球谐振陀螺是一种高精度的振动陀螺,其信号处理技术是实现陀螺功能并取得预期性能的关键之一。本导出了半球振子振动位移信号的表达形式,提出了信号处理的基本方法并进行了详细的计算。其结果为自主设计半球谐振陀螺信号处理电路提供了依据。     

石英音叉陀螺多频率激励自启动算法

针对不同微石英音叉陀螺适配性差、频率定位精度与稳定性低的问题,提出了多频率激励自启动算法。通过分析驱动信号频率精度对陀螺工作性能的影响,引入频率跟踪算法,提出一种基于跳频法预处理的粒子群多频率激励算法,实现精确定位陀螺谐振频率。实验验证了跳频法和跳频与粒子群结合两种方法均可实现自启动。实验结果进一步表明:跳频与粒子群结合算法较跳频法频率稳定性提高了一倍,频率定位精度更高,可达0.5 Hz以内。     

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。