微机械振动陀螺隔离耦合的结构设计

微机械振动陀螺是新型的惯性元件,其误差源主要有微机械结构的Brownian噪声、电路噪声、机械耦合误差,以及电子机械耦合误差等,这些误差严重影响着陀螺仪的精度,由于制造误差等引起的机械耦合误差,可以通过改善陀螺仪的结构来减小耦合误差,文中从结构设计方面,提出单级隔离耦合和双级隔离耦合的结构方案,有效减小机械耦合误差,提高了精度。     

结构解耦的双质量微陀螺仪结构方案设计与仿真

为了解决双线振动双质量微机械陀螺驱动和检测模态耦合的问题,提出了一种新的双质量双线振动式微机械陀螺仪结构方案,并对驱动和检测梳齿的电容布置以及梁的结构形式进行了设计.根据微陀螺的结构和工作原理,对该陀螺的驱动和检测模态进行了理论分析,给出了简化的动力学方程,并利用ANSYS有限元分析软件进行了数值仿真,以验证设计思想的正确性.仿真结果表明,双质量块和折叠梁的设计使该微陀螺能够实现驱动和检测模态的完全解耦.在仿真验证的基础上,通过调节结构参数实现了陀螺驱动模态与敏感模态固有频率的匹配及其与干扰模态的隔离.2个质量块的差动输出能够有效减小共模信号的干扰,变面积式的梳齿电容布置方式能使微陀螺在空气下的模态品质因数显著提高.该结构设计方案能使微陀螺的整体性能得到提高,达到了理想的设计目的.     

双质量硅微机械陀螺固有频率温度特性研究

为提高双质量硅微机械陀螺温度特性,该文对陀螺固有频率进行了温度特性研究。分别对杨氏模量温度系数、热应力和材料的热膨胀系数三种因素导致的陀螺固有频率随温度变化特性进行了理论数值计算和有限元仿真分析。为避免由于电路、杂散电容和其他因素引入的测量误差,提出了基于振铃原理的硅微机械陀螺固有频率测量方法。采用该方法在高精度恒温箱中测量了不同环境温度下双质量硅微机械陀螺的固有频率,并计算了陀螺固有频率温度系数。误差分析表明该测量方法测量高品质因数陀螺的固有频率精确度高。实验数据验证了理论分析和仿真结果,杨氏模量温度系数是导致硅微机械陀螺固有频率随温度变化的最主要因素,并且硅微陀螺固有频率与温度近似成线性关系。研究结论为双质量硅微机械陀螺的温度优化设计提供了理论依据。     

采用DDSOG工艺加工Z轴微机械陀螺仪实验

从理论上分析了Z轴微机械陀螺仪结构的工作机理,比较了体硅薄片融解工艺和DDSOG工艺的优缺点.介绍了采用DDSOG工艺加工的Z轴微机械振动陀螺的特点,并与采用体硅薄片融解工艺加工的相同Z轴微机械振动陀螺进行了残余应力、品质因数及灵敏度等性能参数的比较,采用DDSOG工艺后陀螺的驱动品质因数是原来体硅薄片融解工艺的1.45倍,而检测品质因数是原来的0.11倍.最后,比较了采用2种不同工艺加工后Z轴微机械陀螺的实验结果,结果表明采用DDSOG工艺加工后陀螺的灵敏度比原来采用体硅薄片融解工艺加工的陀螺的灵敏度提高了近10倍.     

微机械陀螺仪的性能分析

研究了微机械振动轮式陀螺仪的工作原理和实现方法,提出了保证测量精度,提高动态测量带宽的闭环控制系统。从动力学模型出发,推导此类陀螺的检测输入角速度灵敏度,开环、闭环传递函数,交流反馈控制提取同相分量和抑制正交分量的原理,以及闭环控制改善动态测量频带的方法。分析指出,对于中等精度的微机械陀螺,采用静电力再平衡回路控制是必要且可行的。     

基于DSP的开环光纤陀螺的原理及其关键技术

介绍了基于DSP技术的开环光纤陀螺.开环光纤陀螺以Sagnac效应为基础,是一种新型的全固态陀螺仪,由于其具有潜在的良好的性价比,与数字信号处理芯片DSP接口简单等优点而倍受青睐,一经出现就受到世界各国的高度重视,已经成为新一代中低精度制导系统、国防装备中的理想惯性器件.     

基于遗传算法的多自由度振动陀螺仪优化设计

针对微陀螺仪灵敏度与带宽的制约问题,通过一种新型的生物进化遗传算法,提出了一种基于灵敏度和带宽最优化的优化设计方法.编写了多目标遗传算法的相关程序,该方法基于特征提取确定约束条件,以微陀螺振动系统振子质量比、结构频率比以及弹性梁刚度系数比为设计变量,灵敏度与带宽为设计目标,采用多目标遗传算法对模型进行优化.以双检测单驱动三自由度微机械陀螺仪为研究对象进行分析与优化,获得的灵敏度和带宽与二次序列规划算法(SQP)相比分别提升了18 dB和2 175 Hz.结果表明,采用该方法对微陀螺仪的性能进行分析和优化,能在大大提高优化效率的同时有效提高灵敏度与带宽,达到提升多自由度微陀螺性能的目的,为微机械振动陀螺仪的优化设计提供了新的有效方法.     

微机械陀螺测试技术的研究

文章介绍了微机械陀螺的基本原理以及几种不同检测方式的硅微陀螺,包括电容式、压电式、压阻式、隧道式等,分析了这些微陀螺的基本检测原理,总结出它们在检测性能方面存在的一些问题.为了提高微机械陀螺的灵敏度提出用新的微机理介观压阻效应,并对基于介观压阻效应的微陀螺前景进行了论述.     

微机械单晶硅陀螺仪谐振器结构参数设计

微机械单晶硅陀螺仪谐振器的结构参数设计对陀螺仪的机械性能影响很大，它决定了陀螺仪的水平和垂直方向的固有振荡频率，并影响微机械单晶硅陀螺仪谐振器的振荡幅度，因而，也直接影响微机械单晶硅陀螺仪的灵敏度。研究了微机械单晶硅陀螺仪谐振器的结构参数设计与其机械性能的关系，探讨了微机械单晶硅陀螺仪谐振器结构设计的一般原则，微机械单晶硅陀螺仪谐振器的结构参数对其动态性能有显著的影响，文中对此进行了仿真研究。     

微机械陀螺仪反馈控制器鲁棒性分析及闭环接口检测电路设计

在分析微机械陀螺仪静电力反馈检测结构的基础上,提出了一种对现有Sigma-Delta静电力反馈检测方式的改进设计.对微机械陀螺仪闭环检测系统进行了离散化处理.基于Lyapunov稳定性原理,构造了一类能够使系统有限时间稳定的输出反馈控制器,并对其鲁棒性能进行了分析.该电路系统在Cadence平台下使用AMS 0.35 ...     

基于微机电系统洛伦兹平台角速度估计

针对洛伦兹惯性稳定平台对高带宽和高精度角速率需求,提出了基于微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)组合传感器的最优速度估计算法.MEMS组合传感器由陀螺仪和加速度计组成,MEMS陀螺仪由于自身特性在速度估计中提供低频速度信息,而加速度计则提供高频信息.最优估计器通过将低频信号与高频信息融合,采用最优控制与估计算法进行速度解算与估计.实验表明,频率在20 Hz内,运动角度在±60°内,MEMS组合传感器速度拟合周期不超过5％,稳定拟合误差不超过7.5％,可以满足平台稳定偏转控制需求.最优状态估计器能在时域与频域上提供无差、高性能的角速度信号.     

基于动态Allan方差的MEMS惯性测量单元的性能评价

为了对受温度等外界环境影响下的MEMS惯性测量单元进行性能评估,针对经典Allan方差法不能反映各喷性器件的时变特陛的缺陷,提出了采用动态Allan方差（DAVAR）法对MEMS陀螺仪和加速度计进行随机误差项的辨识和时变特性分析．经典Allan方差法和DAVAR法的随机误差辨识结果和仿真结果表明：在随机误差辨识方面,DAVAR法相比经典Allan方差法的辨识结果更为准确;在变温环境下,DAVAR法的仿真结果还能够反映出惯性器件输出信号受温度变化等环境影响下的时变特性,DAVAR法能够对MEMS惯性测量单元进行准确评价．     

热真空条件下二浮惯性测量装置组合体热控系统设计

论述了二浮惯性测量装置(Inertial Measurement Unit,IMU)组合体热控系统设计、试验验证和再设计的过程.首先分析了斜装结构形式和布局,然后基于宇航产品的热设计原则,介绍了二浮陀螺和石英加速度计的热设计情况,试验验证时发现高温段陀螺温升过大,通过更换导热系数更大的陀螺安装板材料等措施,使得陀螺能够稳定工作在最佳精度范围内.最终的试验数据和试验前后标定数据的对比表明,二浮IMU组合体热控系统的设计完全满足整船的技术要求,并为惯性仪表提供良好的温度环境,在保证惯性仪表工作精度的同时,也可大大提高其在轨工作寿命.     

冗余配置陀螺仪故障诊断方法研究

陀螺仪冗余配置是提高捷联惯导系统可靠性的重要手段。研究了6个单自由度陀螺仪的配置方案和故障检测方法。该方法可以对多个陀螺仪同时出现故障的情况进行检测与隔离。     

基于小波去噪的MEMS陀螺仪随机误差校准算法

微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)陀螺仪具有体积小、成本低、功耗低等特点,在微姿态测量系统中应用极其广泛。由于在制作工艺、材料等方面会引入额外的随机噪声,且瞬态电压的不稳定也会造成MEMS陀螺仪在上电阶段产生随机波动误差,严重影响微姿态测量系统的启动时间和测量精度。因此,基于多分辨分析特性的小波变换分析技术,提出了一种改进的小波去噪算法,通过对MEMS陀螺仪的数据进行3层小波分解,剔除高频分量和电压不稳定产生的突变信号,并对低频分量进行重构,最终得到校准以后的陀螺仪数据,实现陀螺仪随机误差的快速校准。实验验证结果表明,通过3层小波分解后,随机误差均值小于0.05 °/s,系统启动时间小于0.1 s,具有较好的噪声抑制和迅速启动能力。     

无人工作面采煤机自主定位系统

基于依靠惯性仪表为导航信息源的导航系统无需外部信息源、不向外部辐射能量的优点,研究国内外采煤机自主定位系统现状,分析井下采煤机工作环境、运动路线以及影响采煤机运动轨迹的因素,确定采煤机在不同运动路线的运动特征,建立一个复杂程度满足要求的动力学模型;选用微机械陀螺和加速度计2种传感器组合自主定位系统。实验室模拟实验结果表明,惯性传感器误差是导致自主定位系统精度低的主要因素,据此提出利用环境特征、路标识别以及基于GIS的地图匹配技术来减少系统误差,提高自主定位精度。     

基于陀螺仪转角传感器的动态信号测量 及物理参数时域识别

针对结构识别算法应用于实际工程时,结构的转角信息难于准确测量及转角自由度通常容易被忽略的问题,本文研究了使用陀螺仪转角传感器测量动态信号的方法及响应信息不完备条件下的结构物理参数识别.首先,针对结构转动响应信息测量困难这一问题,提出采用商业级的微机电系统（MEMS）陀螺仪传感器测量角度和角速度响应,并基于最小二乘递推算法对结构物理参数识别方法进行了理论公式推导.然后以一座4层框架结构为算例进行分析,设置由广义逆方法重构转角和采用转角真实值两种工况,并对结构物理参数进行识别,从而验证了理论推导的正确性.同时,对两种工况下所识别的物理参数进行比较,结果表明重构转动响应时物理参数识别的效果不够理想,故考虑测量转动响应.先对MEMS陀螺仪传感器在受到冲击振动下的动态精度进行了试验验证,在结构的初位移小于10 mm时,动态角度测量的精度为0.1°.在此基础上,通过一个3层2跨的钢框架模型的动力试验实测数据和分析结果,验证了使用MEMS陀螺仪传感器直接测量转动响应相比于重构转动响应对弯剪型结构进行刚度参数时域识别的效果更好.     

光纤陀螺惯性测量单元数据采集系统设计

为了满足捷联惯性导航系统对惯性测量单元低成本、小体积、高速率等要求,提出了一种捷联式惯性测量单元的设计与实现方法。该系统以开环光纤陀螺和硅微加速度计作为惯性敏感元件,采用高速DSP作为中央处理器实现数据采集、处理及输出,重点介绍了系统的数据采集模块、处理模块、通讯模块等硬件电路及相应软件的设计。系统中选取了高性能的集成电路芯片,在DSP的基础上进行了简易可靠的接口电路设计和在线误差校正,试验结果表明该信号采集系统能满足捷联惯性导航系统的技术要求。     

硅微型机械振动陀螺仪的计算机辅助设计

建立了硅微型机械振动陀螺仪的优化模型,确定其结构参数的目标函数和约束条件,采用优化方法对结构参数进行优化计算.以AutoCAD为支撑软件,采用ActiveX Automation技术对AutoCAD进行二次开发,建立了硅微型机械振动陀螺仪的计算机辅助设计系统(GYROCAD).该系统可以根据陀螺仪的性能指标等确定陀螺仪的最优结构参数,设计实例表明,由该系统设计的硅微型机械振动陀螺仪的灵敏度得到了明显的提高.     

惯性平台测漂方案的研究

陀螺仪的漂移是空间稳定惯性导航系统的主要误差源,对漂移模型系数的准确辨识是保证系统实现长时间、高精度自主导航的关键.给出了一种利用三轴高精度伺服转台提供多个测试位置,使惯性平台工作在相应位置下,并处于惯性稳定状态的静态6位置测漂方案.三轴转台的使用提高了多位置测量时,平台测漂位置的精确度.建立了包含陀螺仪漂移、地球自转、安装误差角等因素在内的平台漂移数学模型.对平台漂移误差参数的辨识方法进行了阶段性分析,取加速度计和欧拉角的输出作为观测量,建立了平台漂移误差模型的状态方程和输出方程.从理论上分析了影响陀螺安装误差角辨识精度的主要因素,提出了转台相对地面存在角速率条件下的辨识方案改进的思路.