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。     

线振动硅微机械陀螺结构误差参数分离和辨识

推导了线振动微机械陀螺的三自由度误差力学方程,并详细分析了陀螺耦合误差的产生机理。分析结果表明,各种结构误差是导致陀螺耦合误差信号的主要原因。在此基础上,利用振动和模态理论给出了陀螺结构误差参数的分离和辨识的试验方法和结果。试验结果表明,同相耦合分量和正交耦合分量是微机械陀螺的两种主要误差信号,造成正交耦合的主要原因是驱动轴和检测轴之间的刚度耦合以及驱动轴和检测轴各自的刚度不对称,造成同相耦合的主要原因是驱动轴和检测轴之间的阻尼耦合以及检测轴刚度不对称和驱动力不对称。结构误差参数的分离和辨识试验方法将为下一步的陀螺结构优化、微加工工艺改进以及耦合误差抑制提供基础。     

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。     

一种低机械噪声弱耦合的微机电陀螺敏感结构

研究了一种能够在大气压下达到较高性能的微机电陀螺敏感结构。设计了一种用于敏感垂直于结构平面方向的角速度的、驱动轴和检测轴相似的线振动微机电陀螺敏感结构。用U形梁隔离驱动器、敏感质量块和检测器以降低机械耦合,检测轴采用变面积式检测电容以降低阻尼。推导了振动速率陀螺的机械频率响应特性,分析了机械热噪声和在调谐及非调谐模式下检测电路噪声等效的角速度噪声,分析了梁的刚度矩阵和机械耦合特性,测试了结构的驱动-检测耦合频率响应。在大气压下陀螺检测轴品质因数达到66,机械热噪声为1.89((°)·h-1)/√Hz,理论耦合刚度比大于800。     

微机械陀螺同步解调灵敏度分析

介绍了微机械陀螺工作原理和敏感输出信号组成,针对敏感输出中含有正交误差信号和同相误差信号的情况,分析了基于单相锁定放大的解调方法对陀螺性能的影响,分析表明该方法会降低解调的灵敏度,使标度因数产生衰减,在电气噪声水平一定的情况下,会使陀螺的零偏稳定性变差。针对以上不足,研究了基于双相锁定放大的解调改进方法,首先采用两路正交参考信号测量敏感信号的相位,然后通过移相使一路参考信号和哥氏信号精确同相,进而解调得到角速度输出。分析表明,该方法可使陀螺标度因数达到最大,从而提高了陀螺灵敏度,有利于改善零偏稳定性。     

振动轮式微机械陀螺频率配置和气压选择

推导了振动轮式微机械陀螺的输出信号与输入角速度的幅频、相频关系,讨论了在不同的频率配置和品质因数下陀螺的灵敏度、带宽和零位稳定性。陀螺振动频率应设计在2kHz左右,检测轴自然频率比驱动轴高一个陀螺频带宽度。根据实测陀螺振动品质因数与气压的关系曲线,振动轮式微机械陀螺合适的工作气压是100Pa-1000Pa。     

微机械陀螺测量旋转体自旋频率的机理分析

阐明了所研制的微机械陀螺可用于检测旋转体的自旋频率.首先,根据微机械陀螺结构特点和工作原理得出陀螺输出信号的频率取决螺敏感轴和偏转方向之间夹角的变化,进而得到微机械陀螺输出信号频率与旋转体自旋频率之间的关系.其次,在旋转体处于恒值运动、角振动运动、圆周运动和椭圆运动等四种基本运动形式下,分别建立了陀螺测量旋转体自旋频率的数学模型,并采用加速度计输出为基准信号,推导出陀螺输出信号频率与旋转体自旋频率、运动形式、运动频率、运动方向之间的关系.最后,利用三轴转台模拟旋转体的四种运动形式,并将陀螺输出信号和加速计输出信号进行频谱分析.试验结果表明,理论分析与试验结果相吻合,该微机械陀螺可用于测量旋转体自旋频率.     

基于SOPC的单轴陀螺驱动环路设计

传统的微机械陀螺驱动环路采用模拟电路来实现,为了进一步改善陀螺的性能,设计出了基于SOPC(可编程片上系统)的数字驱动环路.采用FPGA为硬件基础,架构可编程片上系统,扩展ADC、DAC、RS422及EEPROM等相关外设接口,并嵌入软核CPU来处理相关算法.软件算法包括多路信号解调、数字滤波器及多个闭环控制.详细讨论了驱动轴频率控制环路和幅度控制环路的作用及其对微机械陀螺性能的影响.针对软核CPU的性能,对整个算法进行了优化,最终在软件计算时间和资源使用上都留有一定裕度,有利于后续加入更多功能.最终的实验表明,所设计的数字系统在-40℃到+85℃范围内正常工作,满足工业级的使用要求,实际使用过程比模拟的驱动环路更加方便,实现了微机械陀螺驱动环路的数字化.     

新型谐振式微机械陀螺设计与仿真

新型微机械陀螺采用了谐振敏感原理,其具有直接准数字式频率输出、高灵敏度、高线性、自解耦等优点.结构包括内外质量块、支撑梁、折叠梁、两级杠杆放大机构、双端固支音又(DETF),质量块驱动梳齿、质量块反馈检测梳齿、DETF驱动和检测梳齿.采用了两级杠杆放大机构、质量块外置、框架结构等措施来提高陀螺的性能.从仿真结果可以看出,传感器灵敏度为0.309 Hz/(deg·S-1).测量范围为±300deg/s,在测量范围内,线性度为9.4×10-1.驱动方向上DETF的振幅减到外质量块振幅的2.96×10-6倍,说明陀螺具有很好的自解耦功能.     

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)。