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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

硅微陀螺正交误差直流校正设计与分析

为硅微陀螺设计了一种正交误差直流校正方法,通过设计校正结构和加载直流电压实现正交校正。建立了存在正交误差时敏感质量的运动微分方程,分析明确了正交响应的成因和对驱动运动轨迹的影响。为硅微陀螺设计了正交校正结构,实现构建静电耦合弹性系数并利用驱动运动产生校正静电力。校正力的频率和相位无需电路控制,使该方法相较于传统校正方法具备特殊优势。设计并分析了校正电压的两种加载方式,通过实验测试验证了正交响应幅值随校正电压的变化规律。实测校正电压接近理论值,证明了校正结构设计的正确性。该方法在双线振动式硅微陀螺中具有重要应用价值。     

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。     

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)。     

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。     

微机械陀螺仪结构误差的控制技术

研究了与加工精度相关的结构误差以及结构参数随环境改变产生的仪表误差。在分析机理的前提下,提出了采用数字控制技术来抑制陀螺结构误差的技术方案,即结构的反馈解耦控制,驱动模态的恒频恒幅控制以及检测模态的力反馈解耦控制。利用平均和摄动理论分别对上述控制回路进行建模,并给出了仿真结果。分析和仿真结果表明,上述控制方案能有效消除结构的耦合运动,降低陀螺输出对结构参数的依赖。     

The 7th International Conference on Fluid Mechanics May 24-27,2015,Qingdao,China

正http://www.icfm7.org First Announcement and Call for PapersThe objective of International Conference on Fluid Mechanics(ICFM)is to provide a forum for researchers to exchange new ideas and recent advances in the fields of theoretical,experimental,computational Fluid Mechanics as well as interdisciplinary subjects.It was successfully convened by the Chinese Society of Theoretical and Applied Mechanics(CSTAM)in Beijing(1987,     

INFORMATION FOR CONTRIBUTORS

Contributions： The Journal, Acta Mechanica Solida Sinica, is pleased to receive papers from engineers and scientists working in various aspects of solid mechanics. All contributions are subject to critical review prior to acceptance and publication.     

基于鲁棒滤波的捷联导引头视线角速度估计方法

针对捷联导引头无法直接获取视线角速度等信息的问题,研究了鲁棒滤波在大气层外飞行器捷联导引头视线角速度估计中的应用。为了建立非线性滤波估计模型,考虑目标视线角速度的慢变特性,采用一阶马尔科夫模型建立了状态方程;推导了视线角速度的解耦模型,并建立了量测方程;考虑到实际应用中存在系统噪声统计特性失准的问题,基于Huber-Based鲁棒滤波方法,设计了视线角速度滤波器,并完成了基于Huber-Based滤波方法和扩展卡尔曼滤波方法的数学仿真。仿真结果表明Huber-Based滤波方法的视线角、视线角速度及视线角加速度估计精度分别达到0.1140'、0.1423'/s、0.0203'/s2,而扩展卡尔曼滤波方法的视线角、视线角速度及视线角加速度估计精度仅分别为0.6577'、0.6415'/s、0.0979'/s~2。仿真结果证明了该方法可以有效地估计出相对视线角速度等信息,并且在非高斯噪声的条件下,依然可获得较高的估计精度,具有一定的鲁棒性。     

Guide for authors

正Each of the sections below provides essential information for authors.We recommend that you take the time to read them before submitting a contribution to Acta Mechanica Sinica.We hope our guide to authors may help you navigate to the appropriate section.How to prepare a submission This document provides an outline of the editorial process involved in publishing a scientific paper in Acta Mechanica     

Use specification of multiscale materials for life spanned over macro-, micro-, nano-, and pico-scale

Multiscale material intends to enhance the strength and life of mechanical systems by matching the transmitted spatiotemporal energy distribution to the constituents at the different scale, say—macro, micro, nano, and pico,—, depending on the needs. Lower scale entities are, particularly, critical to small size systems. Large structures are less sensitive to microscopic effects. Scale shifting laws will be developed for relating test data from nano-, micro-, and macro-specimens. The benefit of reinforcement at the lower scale constituents needs to be justified at the macroscopic scale. Filling the void and space in regions of high energy density is considered.Material inhomogeneity interacts with specimen size. Their combined effect is non-equilibrium. Energy exchange between the environment and specimen becomes increasingly more significant as the specimen size is reduced. Perturbation of the operational conditions can further aggravate the situation. Scale transitional functions and/or f_j/j+1 are introduced to quantify these characteristics. They are represented, respectively, by , and (f_mi/ma,f_na/mi,f_pi/na). The abbreviations pi, na, mi, and ma refer to pico, nano, micro and macro.Local damage is assumed to initiate at a small scale, grows to a larger scale, and terminate at an even larger scale. The mechanism of energy absorption and dissipation will be introduced to develop a consistent book keeping system. Compaction of mass density for constituents of size 10⁻¹², 10⁻⁹, 10⁻⁶, 10⁻³ m, will be considered. Energy dissipation at all scales must be accounted for. Dissipations at the smaller scale must not only be included but they must abide by the same physical and mathematical interpretation, in order to avoid inconsistencies when making connections with those at the larger scale where dissipations are eminent.Three fundamental Problems I, II, and III are stated. They correspond to the commonly used service conditions. Reference is made to a Representative Tip (RT), the location where energy absorption and dissipation takes place. The RT can be a crack tip or a particle. At the larger size scales, RT can refer to a region. Scale shifting of results from the very small to the very large is needed to identify the benefit of using multiscale materials.     

Impact non-pénétrant sur le thorax : influence de la courbure sur la propagation des ondesNonpenetrating impact on the thorax: influence of curvature on wave propagation

Theoretical studies of the propagation of impact waves through the thorax are needed to improve the design of bulletproof jackets and blast protections (Fung in ‘Biomechanics Motions, Flow, Stress, and Growth’, Springer-Verlag, 1990; Cooper et al., J. Trauma 40 (1996) S38–S41). The influence of the weak acoustic coupling at the interface between the thoracic wall and the lung were described in (Grimal et al., C. R. Acad. Sci. IIB 329 (2001) 655–662); in this work, we study, within the frame of elastodynamics and with an approximate analytical method, the effects of the curvature of this interface. Results are given in terms of strain energy for the pressure wave, transmitted or converted. Focalisation of energy in the medium representing the lung is important for curvatures measured in humans. To cite this article: Q. Grimal et al., C. R. Mecanique 330 (2002) 569–574.     

Vérification expérimentale de la relation de réciprocité d'Onsager pour l'électro-osmose et l'électro-filtration dans une argile naturelleExperimental verification of the Onsager's reciprocal relations for electro-osmosis and electro-filtration phenomena on a saturated clay

This Note is devoted to the experimental verification of the Onsager's reciprocal relations in the particular case of electro-osmosis and electro-filtration. A special set up has been designed to carry out the measurements of both the electro-osmotic permeability and the streaming potential. This has been performed by using a natural material i.e., saturated kaolinite. To cite this article: K. Beddiar et al., C. R. Mecanique 330 (2002) 893–898.