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.     

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.     

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。     

基于子结构法的微机械陀螺性能解析

在微机械陀螺性能健壮性设计的研究中,为了解决微陀螺性能解析的高精度和计算时间的问题,以体微机械加工技术制备的音叉振动式微机械陀螺结构为研究对象,提出了基于子结构法的微结构动态性能解析法.在实现了微陀螺的高精度解析和分析的基础上,进行了微陀螺弹性梁优化设计,得到了性能优良的微陀螺弹性梁结构.通过实例解析,不仅验证了基于子结构法的微结构动态性能解析法的有效性,而且证明了其在微机械陀螺性能设计中的潜在价值.     

基于摄动法的微机械陀螺随机性能的统计分析

以一种通过体微机械加工技术制备的音叉振动式微机械陀螺为对象,基于随机摄动技术定量计算了微陀螺固有频率变异和检测输出电容变异的统计特征,以概率思想表达了微陀螺批量加工过程所带来的材料/尺寸随机误差对其性能的影响.通过所提出的影响因子这一概念反映了微陀螺参数变异对性能变异的敏感度.在详尽分析微陀螺众多参数影响因子的基础上获得了微陀螺最为关键的5个参数.这有限关键参数的获得,不仅为微陀螺的健壮性设计提供了方向,同时也为实际微陀螺的加工控制提供了量化的参考依据.     

静电悬浮微硅陀螺的空气阻尼特性

为保证静电悬浮微陀螺在工作状态下具有期望的动态特性,需要得到微陀螺六自由度运动的空气阻尼模型。根据流体力学和分子动力学的基本理论,在考虑空气流动状态、温度和气膜可压缩性的基础上,构建了描述微陀螺压膜阻尼特性的Reynolds方程,以及描述滑膜阻尼特性的Couette流模型。将微陀螺表头内部气膜分成了8个区,推导了气膜在大间隙振动、径向摆动和轴向旋转时的气膜阻尼系数。根据微陀螺的结构参数进行气膜阻尼仿真,结果表明:轴向压膜阻尼对微陀螺支承系统的动态特性影响最大,气膜间隙-气膜阻尼系数曲线呈抛物线型,气膜阻尼系数随温度呈线性变化。     

磁悬浮转子微陀螺电容结构设计

为了实现磁悬浮转子微陀螺的电容检测,使用数值积分方法计算了新型磁悬浮转子微陀螺的电容值与转子倾斜角度的关系。计算确定了电容极板尺寸,电容的连接采用了差动电容的连接方式。通过电容检测电路,检测到了小角度输入范围内的陀螺输出信号。检测结果表明:该电容结构对于静态角度输入具有较好的线性响应,该微陀螺原形的电容结构能够检测到的转子倾斜角度可达到0.1°,对应的电容变化约为1 000 aF,满足了微陀螺对电容检测的要求。     

载体驱动硅微机械陀螺的电学模型研究

本文针对载体驱动硅微机械陀螺的动力学特性，建立了基于微机械陀螺机械振动特性和电学特性的等效电路模型，利用电学模拟工具Pspice对模型进行了验证。模拟分析与实验结果表明，采用机电模拟方法建立的微机械陀螺电学模型可替代动力学模型，用于接口电路的设计与仿真， 利用该模型设计的电路能满足载体驱动硅微机械陀螺性能指标的要求。     

微小型惯性测量组合的标定方法研究

在捷联惯性航向姿态测量系统中,微惯性器件是核心部分,陀螺和加速度计的精度直接影响整个系统的性能.本文设计了微惯性测量单元MIMU的结构,建立了数学模型,采用翻滚法和转台法,分别标定加速度计和陀螺的零位偏差、标度因子及安装角误差.     

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.     

微机械陀螺数字读出系统及其解调算法

为实现灵活的参数调整、改善陀螺的控制性能和进行误差补偿,提出了一种用于微机械陀螺的数字读出系统。该系统通过对陀螺输出信号进行数字化,并采用浮点数字信号处理器(DSP)进行反馈控制和算法解调,实现了对微机械陀螺中的微小电容的检测,其中的解调算法采用了最小均方误差解调(LMSD)技术。仿真和实验结果表明:LMSD算法使噪声水平比经典的乘法解调算法下降了29%;将该数字读出系统用于大气条件下工作的一种振动轮式微机械陀螺,噪声水平达到0.0073(°)/(s.Hz-1/2),带宽为100Hz。     

刚度及静电力非线性对多自由度微陀螺静态特性影响

为揭示静电力非线性及刚度非线性综合作用下多自由度微陀螺的静态特性,以一类四自由度静电驱动微机械陀螺为研究对象,用Hamilton原理分析了微陀螺在静电力及刚度非线性综合作用下的静态性.系统静态特性对偏置电压的敏感性随着刚度非线性的加强而增加,随着直流偏置电压的增大,非零非稳定平衡点逐渐向零稳定平衡点靠近,同速轨道消失异...     

基于自适应平方根UKF的微机械传感器融合航姿估计

提出一种新的基于自适应平方根UKF的微机械传感器组合姿态测量系统.该系统采用3轴微机械陀螺积分得到姿态角,采用3轴微机械加速度计测量重力矢量得到俯仰角和横滚角,分别校正俯仰漂移和横滚陀螺漂移;采用磁强计得到航向角,并与陀螺积分角度融合校正航向陀螺漂移.跑车实验结果表明,基于自适应平方根UKF算法可实时估计机动加速度干扰,并在融合滤波器中进行补偿,能够有效去除车辆机动加速度干扰,姿态角估计精度在±0.6°以内.     

抗高过载微机械陀螺仪研究综述

惯性制导系统在制导炮弹中有着极其重要的作用,其中,微机械陀螺仪作为惯性制导系统的核心器件,其抗高过载能力直接制约着惯性制导系统在抗高过载环境中的应用。首先,对炮射膛内高过载环境进行了建模和量化,概括了微机械陀螺结构的高过载失效机理。其次,结合国内外相关机构公开发表的研究成果,从微机械陀螺仪的抗高过载特性的角度出发,介绍了不同测控方式、不同结构形式、不同结构材料、不同工作原理的微机械陀螺仪的抗冲击能力。最后,对相关报道和论文进行了总结和归纳,提出应从驱动-检测方式、合理的吸能释能结构配置、工作原理、新型结构材料、多级系统缓冲等方面设计和改进高过载微机械陀螺结构,以提高陀螺的抗高过载能力。     

微机械谐振陀螺的有限元分析

依据微机械谐振陀螺的结构和工作原理,利用ANSYS有限元仿真软件对微机械谐振陀螺的设计进行了计算和仿真.首先计算了陀螺的驱动模态固有频率和检测模态的固有频率,分析了在检测方向的输出位移、哥氏力与输入驱动信号频率之间的关系,在这基础上,得出当驱动模态的固有频率与检测模态的固有频率比较接近时,输出哥氏力灵敏度较大.同时还分析了内框架梁与外框架梁对陀螺驱动模态与检测模态固有频率的影响,并以此为基础,提出了调节陀螺驱动模态固有频率与检测模态固有频率的方法.     

基于视觉测量的微陀螺振动系统线性度测试研究

为了测试分析微陀螺驱动模态振动系统的线性度,使驱动模态在静电驱动信号激励下产生稳定的线性振动,采用计算机视觉测量方法,使用高速摄像机获取微陀螺驱动模态在频率固定的调幅驱动电压信号激励下的振动位移响应视频图像;通过对运动时序图像的处理、目标识别与运动参数测量,获得振动位移的时变曲线.进一步得到驱动电压幅值变化与振动位移幅值的变化关系,分析结果表明,该方法便于对微陀螺振动系统的线性度进行测试分析.     

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。     

高速火箭弹GFMINS/GPS组合导航系统

针对高速火箭弹发射出膛瞬间,弹上微机电系统（MEMS）陀螺难以承受上百g的加速度,使得弹上的微惯导系统（Micro-INS）无法完成导航任务,提出用MEMS加速度计构成的无陀螺微惯性导航系统（GFMINS）代替传统MINS与小型GPS构成GFMINS/GPS组合导航系统,实现火箭弹的定位要求.同时,针对GFMINS中角...     

改善MEMS陀螺误差温度稳定性的驱动力补偿方法

由于微机电系统(MEMS)陀螺通常采用微加工工艺生产制造,因此总是受微加工过程带来的的各种精度缺陷影响。对于MEMS陀螺,其零位输出误差因受环境因素影响而无法保持稳定,随时间表现出漂移特性,这种特性严重限制了MEMS陀螺在更高精度应用中的可用性。该文研究了一种改善MEMS陀螺零位误差温度稳定性的方法。通过分析陀螺运动特性及主要误差源,阐明陀螺驱动力对检测方向的耦合作用是零偏误差同相分量产生并随温度漂移的主要原因之一。为抑制陀螺驱动力耦合作用,提出对陀螺检测轴施加补偿静电力的方法。温度试验结果表明:施加补偿作用后,陀螺零偏误差同相分量的温度稳定性在12～60℃范围内提高了3倍以上。     

微机械陀螺真空封装玻璃罩子加工工艺的研究

在硅微机械加工中,封装加工是非常重要的一个过程,对微机械器件实现真空封装后可以极大的提高它的灵敏度等各项技术指标,但目前国内对微机械传感器真空封装技术不成熟.本文主要讲述对陀螺采用玻璃封装时,用于封装的玻璃罩子的加工过程以及玻璃罩子在整个结构中所起的作用,同时叙述了玻璃罩子与微机械结构的键合过程.