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。     

一种具有低振动灵敏度和宽动态范围的MEMS陀螺仪(英文)

为了进一步提高MEMS陀螺的动态范围和振动环境适应性,以加速其工程化应用步伐,研究了陀螺振动误差,提出了一种新型MEMS陀螺结构。MEMS陀螺仍然采用了音叉结构形式,同时采用了工字型框架和隔离结构,从而提高了陀螺结构的稳定性和抗振动性能,并降低了残余应力对陀螺影响。理论分析了驱动和检测模态频差对标度因数非线性的影响,并基于理论和实验分析了振动环境中的角振动对陀螺性能的影响。在此基础上,进行了陀螺的模态优化设计,以进一步减小了陀螺的振动灵敏度,并使其具有大动态范围。MEMS陀螺采用了SOI圆片制备,并采用了圆片级真空封装技术实现陀螺芯片的真空封装。MEMS陀螺芯片和ASIC芯片叠装在陶瓷管壳内,体积为11.4?11.4?3.8 mm3。实验结果表明,MEMS陀螺的测量范围为±7200 (°)/s,零偏稳定性为12.2 (°)/h(1σ)。随机振动环境下(7.6grms),该陀螺的振中零偏变化量小于10.0 (°)/h,振中的零偏稳定性小于24.0 (°)/h,是原陀螺的1/5。     

环形桁架结构径向振动的等效圆环模型

在大型环形网架式可展天线中,环形桁架结构的动力学性能对于整个天线的工作状态至关重要.针对大型空间桁架结构,基于连续体等效的思想,将其动力学模型简化为简单的弹性连续体模型一直是动力学研究的热点.将环形桁架结构看作由重复的平面桁架单元构成的环形周期结构,在周期桁架单元等效梁模型的基础上,提出采用不计剪切变形和转动惯量的等效圆环模型分析环形桁架结构的径向振动,并对等效圆环模型的偏微分运动方程进行了解析求解.首先通过变量代换将描述圆环径向振动的四阶偏微分方程组降阶为一阶偏微分方程组,然后通过对降阶后的偏微分方程组进行Laplace变换将其转化为常微分方程组,并采用微分方程组的Green函数解法,获得了等效圆环模型在复频域下动力响应的解析表达式,进而得到等效圆环模型固有振动的特征方程及传递函数的表达式.最后通过数值算例对环形桁架有限元模型与等效圆环模型的固有频率和振型以及传递函数进行了对比分析,验证了等效圆环模型用于环形桁架结构径向振动分析的可行性.     

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。     

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。     

蝶翼式MEMS加速度计温度稳定性提升方法

环境温度变化造成的热应力是影响MEMS加速度计性能的关键因素。为了提升MEMS加速度计温度稳定性,以蝶翼式MEMS加速度计为研究对象,分别在敏感芯片上设计应力释放结构和敏感芯片与陶瓷基底之间设计应力隔离结构。利用有限元分析工具COMSOL对有无应力释放和隔离结构的情况进行了对比仿真,结果表明敏感单元上的敏感梁应用应力释放结构只有原结构最大应力水平的0.3%,封装时采用应力隔离结构间接连接比原直接连接方式最大应力下降一个数量级。采用微机械加工技术和微电子工艺技术结合的MEMS加工工艺实现含应力隔离结构的加速度计原理样机制作。对样机进行温度测试,试验结果表明有应力释放与隔离结构在-40°C～60°C区间的漂移量比无应力释放与隔离结构提升约3.5倍,验证了应力释放与隔离结构对温度稳定性提升的有效性,研究结果可以为加速度计在高性能、恶劣环境下的应用提供参考。     

双质量硅微机械陀螺仪正交校正系统设计及测试

为了减小正交误差对双质量硅微机械陀螺仪性能的影响,进一步提高陀螺精度和工程化成品率,对双质量结构正交耦合刚度校正法进行了研究。首先,针对双质量陀螺结构的特殊形式,分析了其左、右结构中正交耦合刚度不相等的原因,并结合相敏检测相位误差对正交耦合刚度值进行了计算,进一步量化了其对输出信号的影响;其次,结合正交校正梳齿结构介绍了耦合刚度校正法的工作原理,并基于左、右结构单独校正的方法设计了双质量结构正交校正控制系统;最后,对正交校正前后的双质量微机械陀螺仪进行了详细测试,结果证实了双质量单独校正比整体校正效果更好,各项参数均有较大提高,其中零偏稳定性从校正前的540(°)/h提高到了正交后的24.05(°)/h(1σ),证明了提出的两质量块单独校正方法的可行性和实用性。     

MEMS陀螺仪结构模型及系统仿真

为了减小MEMS陀螺仪的正交误差,进一步提高陀螺精度,在Simulink环境中对陀螺结构和测控系统进行了建模和仿真。首先在理想状态的陀螺结构模型基础上建立了包含机械热噪声、模态间耦合等非理想因素的结构模型,并给出了陀螺结构的相关设计参数。其次在陀螺结构模型上以自激振荡和AGC控制技术为基础设计了驱动回路,该回路可在短时间内将驱动幅度稳定在10μm,且驱动频率为4048 Hz（驱动模态的谐振频率）。然后分析了模态间耦合信号的作用方式并建立了正交校正和检测闭环力反馈回路,仿真结果显示,在全闭环状态下检测模态所受耦合力的幅度比未校正状态下降了5个数量级,等效输入角速度也从205(°)/s下降到了6.58(°)/h。最后对陀螺模型进行了整体测试,得到其标度因数和阈值分别为21.76 mV/(°)/s和0.002(°)/s。     

机抖激光陀螺动力学分析及优化设计

利用有限元分析软件ANSYS,建立了机抖激光陀螺有限元模型并进行了模态分析和随机振动分析,通过与试验结果对比,验证了模型的合理性和精确性,指出了现有结构的薄弱环节。利用灵敏度分析技术分析了安装盒底部、四壁和支柱等几何尺寸和约束位置对机抖激光陀螺固有频率的影响。计算表明:影响固有频率的主要因素是安装盒的支柱高度、底面厚度和约束位置,而安装盒四壁厚度对固有频率影响很小。最后对结构进行了优化设计,优化后结构一阶固有频率提高35.7%,二阶以上固有频率提高63%以上。     

高能球磨时间对碳质中间相结构及其高温摩擦磨损特性的影响

采用高能球磨法对煤焦油沥青碳质中间相进行非平衡处理,利用X射线衍射仪和激光Raman光谱仪研究中间相高能球磨前后的结构变化,用差示扫描量热仪测试不同状态下碳质中间相的结构稳定性,在SRV高温摩擦磨损试验机上采用阶梯升温方式考察了碳质中间相作为润滑油添加剂的摩擦磨损性能.结果表明,高能球磨处理导致中间相的结晶有序度下降,微晶石墨平面尺寸减小,层间间距增加,说明高能球磨处理促使中间相向无定形结构转变.高能球磨时间越长,中间相的无定形结构特征越明显.高能球磨处理降低了碳质中间相的稳定性,随着球磨时间增加,碳质中间相的稳定性变差.球磨态碳质中间相具有高温减摩抗磨效应,球磨时间越长,其减摩抗磨效果越明显.高能球磨处理在一定程度上促进摩擦机械诱发碳质中间相的石墨化转变,从而对其高温减摩抗磨效应有一定促进作用,球磨时间越长,其促进作用越大.     

随动耦合变阶梯径向滑动轴承动力特征及稳定性的研究

用有限差分法循环迭代求解了随动耦合变阶梯结构径向滑动轴承油膜压力的雷诺方程和两阶段油膜耦合变阶梯结构的流量控制方程。在分析轴承油膜压力形成机量及静力特性的基础上,采用对位移和速度的小扰动法计算了轴承的动力特性系数,考察了运转参数对这种轴承承载特性、动力特性系数、等效刚度、界限涡动比以界限失稳转速的影响,结果发现合理地选择设计参数可以使这种轴承具有较好的静力特性、动力特性和稳定性。