双质量解耦硅微陀螺仪的非理想解耦特性研究和性能测试

为了分析双质量解耦硅微陀螺结构中的机械耦合误差,对微陀螺结构的非理想解耦特性进行了研究。首先,阐述了双质量解耦硅微陀螺仪的结构原理,推导了双质量解耦硅微陀螺仪的检测位移;接着构建检测框架在驱动模态下非理想的解耦模型,推导了由非理想解耦导致检测框架的平动位移与转动位移的公式;然后进行了结构非理想解耦特性仿真分析,对驱动模态时检测框架和检测模态时驱动框架的非理想运动特性进行仿真,结果表明检测框架的残余平动位移达到驱动位移的0.86%,最大转动残余位移达到了驱动位移的2.7%,而驱动框架的平动残余位移达到了检测位移的1.36%,转动残余位移达到了检测位移的0.87%;最后,对加工的双质量解耦硅微陀螺结构芯片的非理想解耦误差进行了测量,结果表明非真空封装下的正交误差达到158.65(o)/s,失调误差为19.03(o)/s,偏置稳定性达到12.01(o)/h。     

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)。     

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。     

一种基于FIB刻蚀的MEMS陀螺修调方法

受微加工工艺条件限制,MEMS传感器的结构尺寸等参数总是偏离设计值,使其性能水平难以满足高精度应用的要求。为了抑制一种MEMS陀螺敏感结构的加工误差,分析了其主要运动模态的特性以及耦合误差的主要来源,提出了通过FIB刻蚀手段对陀螺十字型梁结构进行修调的方法,并对修调前后陀螺的耦合误差以及误差的温度稳定性进行了分析比较。对陀螺性能的测试结果表明,两种FIB刻蚀方式分别使陀螺零偏误差比修调前降低约35%和72%,而误差的温度稳定性则分别提高了80%和55%,证明修调方法能够抑制陀螺误差、提升陀螺的性能。     

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。     

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。     

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。     

动力调谐式双轴速率陀螺仪再平衡回路的分析与设计

本文分析了动力调谐式双轴速率陀螺仪再平衡回路的设计方法,指出了对于未解耦的双轴速率陀螺的再平衡回路是一个双输入双输出的控制系统,不但分析困难,实际运行也很困难,所以实现解耦控制是多变量过程控制系统分析的核心。通过对控制对象的若干简化,并运用现代控制中的多变量解耦理论,寻求一种简易的数字控制方案,并对其结构参数进行优化设计,最后用计算机数字仿真对其理论分析与设计给以检验。     

MEMS多环陀螺热弹性阻尼温度特性分析

多环谐振陀螺热弹性阻尼的稳定性对陀螺的全温性能有重要影响。为了使阻尼的温度补偿有据可依,展开了多环谐振陀螺热弹性阻尼与温度关系的研究,利用理论计算与仿真相结合的方式建立了两者的数学模型。首先建立了常温下的多环谐振陀螺的热弹性阻尼数学模型,从中分析出结构形式、工作模态振型及材料参数决定了热弹性阻尼的大小,而其中只有结构层的材料参数对温度较为敏感。因此建立了材料参数的温变数学模型,并利用该模型与理论和仿真相结合的热能量法建立了高效的多环谐振陀螺热弹性阻尼温变模型。接着利用该模型与幂函数拟合出了热弹性阻尼与温度之间的表达式。最后通过实验验证了模型与表达式的准确性,将误差量化后,模型参数误差最大值小于1.7%。     

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。     

基于分析传函的有源力控FLMS算法研究

针对结构振动和声辐射有源控制中对误差传函现有建模方法的不足 ,本文对该系统的物理通道进行了分析建模 ,形成了基于分析传函模型的 FLMS算法 ,该分析传函模型中充分包含了结构的振动模态信息 ,无论激励力源是单频还是宽频激励力源 ,该模型都可以在实施 FLMS算法之前确定所需参数。随后在该算法的计算机模拟实验中 ,通过与时延估计法的比较 ,表明该方法扩大了步长因子的取值范围 ,扩大了收敛域 ,该模型的建立为有效实施有源控制的自适应算法提供了一条新的途径。     

ACTIVE VIBRATION CONTROL OF FINITE L-SHAPED BEAM WITH TRAVELLING WAVE APPROACH

In this paper, the disturbance propagation and active vibration control of a finite L-shaped beam axe studied. The dynamic response of the structure is obtained by the travelling wave approach. The active vibration suppression of the finite L-shaped beam is performed based on the structural vibration power flow. In the numerical calculation, the influences of the near field effect of the error sensor and the small error of the control forces on the control results are all considered. The simulation results indicate that the structural vibration response in the medium and high frequency regions can be effectively computed by the travelling wave method. The effect of the active control by controlling the power flow is much better than that by controlling the acceleration in some cases. And the control results by the power flow method are slightly affected by the locations of the error sensor and the small error of the control forces.     

建筑结构STMD参数优化研究

以含半主动调频质量阻尼器(STMD)的建筑结构为研究对象,借助于结构抗震性能指标对STMD参数的灵敏度分析来确定最优的STMD参数。在建模方面,为了减少灵敏度分析的误差,本文推导了建筑结构为多自由度系统时的结构振动方程;在灵敏度公式推导方面,在文献[6-8]的基础上,结合本文研究的特点,推导了结构抗震性能指标对STMD参数的灵敏度计算公式,在优化计算方面,考虑到采用常规优化算法很难实现,本文采用了基于实代码遗传算法的优化策略,最后本文给出了一个计算实例。     

时滞对结构振动半主动控制效果的影响

应用磁流变阻尼器对结构振动进行控制，采用最优控制原理设计了控制器，给出在地震激励下结构半主动控制的仿真计算。研究了时滞对结构振动半主动控制效果的影响。数值结果表明：本文设计的半主动控制策略可有效地减小结构的振动响应，时滞对磁流变半主动控制效果随着时滞的增大而变差，但时滞不会导致该反馈控制系统的失稳。     

地震激励下参数不确定结构重叠分散保性能控制

对参数不确定结构振动控制方法进行了研究。基于包含原理,采用重叠分散控制策略与保性能控制算法相结合的方法,将高层建筑结构划分成一组子结构,对每一个子结构采用保性能控制方法设计控制器,提出了参数不确定结构重叠分散保性能控制方法,较好地解决了地震激励下参数不确定建筑结构的振动控制问题。以20层Benchmark结构模型为研究对象,采用重叠分散保性能控制策略和集中保性能控制策略进行数值模拟。结果表明,对于结构系统建模存在误差或系统本身存在不确定性的情况,本文提出的重叠分散保性能控制方法均能有效降低结构的地震响应,且能够保证控制系统的可靠性和稳定性。     

一种基于比例反馈控制原理的动载荷时域反演方法

通过借鉴系统控制论中的比例反馈控制原理,提出了一种新的结构动载荷时域反演方法.该方法在原开环系统的输出与结构模型之间连接一个虚拟的比例反馈增益,使得原来的开环系统成为一个虚拟的闭环反馈控制系统,系统控制信号为实测的结构加速度响应.反馈控制器将系统输出与控制信号之闻的差值进行放大后作为反馈不断输入到结构模型中,直到差值趋于稳定,此时该差值与反馈增益的乘积经过高通滤波后即得到所反演的动态载荷.该方法将载荷反演问题的求解转化为正问题中的结构瞬态响应求解,采用一般的数值解法如New-mark法即可实现,因此计算比较简便迅速.该方法仅需要测量结构的加速度响应即可进行反演,便于实际应用,而且并不十分依赖于真实的初始条件,由于不存在误差累积的现象,反演结果具有较好的稳定性.最后,通过海洋平台结构冰载荷反演的模型实验和数值仿真证明了该方法的有效性.     

损伤识别一种改进的残余力向量法

提出了一种改进的残余力向量法用于工程结构损伤识别.分析了利用结构有限元模型缩聚技术给残余力向量法所造成的误差,提出了一种改进的残余力向量法.以平面桁架结构为算例,比较了改进方法与原方法的损伤识别结果.结果表明,改进的方法合理可靠、精度高.     

地震作用下主-从结构的被动优化控制研究

提出了一种利用主－从结构间的相互作用来减少在地震作用下结构响应的控制方法。该方法通过优化设计主－从结构间的被动耗能单元,最大限度地耗散结构的相对振动能量能减小主、从结构的整体振动水平,或最大限度地吸收主结构的相对振动能量以减小主结构的振动。文章首先导出了在平稳白噪声激励下被动耗能单元优化刚度和阻尼的一般表达式,并分析了不同结构参数对控制效果的影响,比较了在不同的平稳过滤白噪声激励下主－从结构相对位     

导管架式海洋平台阻尼隔振及减振技术研究

分析和研究了导管架式海洋平台结构采用阻尼隔振技术的基本原理，建立了阻尼隔振体系简化计算模型，推导了两自由度简化模型，采用强行解耦方法计算结构第一振型阻尼比的计算公式，研究了隔振层参数与结构阻尼比的关系以及它们对结构整件和隔振层层间相对位转的控制效果，进行了在波浪力和地震工况下的数值模拟，结果表明，阻尼隔振方案是导管架式海洋平台的一种有效减振措施，当阻尼隔振层刚度较大时，可以有效控制平台结构的振动。     

长飞片撞击薄靶板结构的定位技术及实验研究

出于防护机匣被发动机破碎叶片破坏的需求,利用一级轻气炮实验装置对长飞片高速撞击薄靶板结构进行冲击实验和测试方法的研究.实验中使用对靶定位控制技术保证长飞片对靶板撞击的位置准确定位,同时碰撞平面度误差小于10毫弧度,得到了不同撞击参数下薄板击穿性能的实验数据.实验结果表明:薄板的破坏失效模式为隆起-剪切破坏,裂纹出现及发展也主要由于剪切应力造成.本研究可为进一步的相关结构冲击实验及测试方法提供参考.