微机械音叉陀螺外围电路研究及仿真

介绍一种微机械音叉陀螺外围电路的基本结构及各组成部分的工作原理。针对机械敏感单元设计了陀螺的外围电路,通过系统分析,建立了数学模型,并利用Matlab对整个模型进行行为级仿真,验证所设计电路的可行性。仿真结果为电路的设计、调试提供了有利的分析方法和手段,具有一定指导意义。

基于传感器标定系统的微陀螺频率特性检测方法

本文设计了一种利用丹麦B&K公司的9610型振动传感器标定系统对叉指式微陀螺的频率特性进行检测的方法;在分析微陀螺的受迫振动特性的基础上,阐述了频率特性的检测方法;设计了检测电路。

微机械振动陀螺闭环自激驱动理论分析及验证

根据微机械振动陀螺驱动控制的要求,对基于自动增益控制的自激驱动陀螺系统进行了理论分析,在系统存在相位不平衡时,利用近似平均法得到了结构的起振条件及稳态幅度表达式。理论分析和实验测试表明:参考电压须大于某一临界值结构才能起振,较大的参考电压能达到大的稳态振幅,提高信噪比;系统相位偏差将导致系统谐振频率偏离固有谐振点,同时引起稳态振幅变小;改变滤波器时间常数能改变起振时间。陀螺闭环自激系统测试得到谐振频率10min内稳定度达到±8ppm,振动幅度1h内最大漂移0.1%。

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。

解耦z轴微机械陀螺的研制

提出了一种检测模态解耦的z轴微机械陀螺,其检测模态被约束为1自由度振动,可抑制驱动模态的影响,降低不期望的检测模态偏置,并使用双质量结构在降低模态耦合的同时获得了较好的模态频率匹配。为满足驱动和检测模态自由度约束要求,使用了U形支撑梁。采用反应离子深刻蚀工艺制作了高深宽比结构层,获得了较大的验证质量,抑制了器件的机械热噪声,提高了陀螺分辨率。加工的陀螺面积为2 100μm×2 100μm,厚度为60μm。采用真空封装,获得了较高的机械品质因子。测试结果表明,驱动和检测模态的品质因子分别为2 000和1 800,机械热噪声为3.76(°)/h.Hz21。在±200(°)/s的量程内,刻度因子为21mV/(°).s-1,非线性度为1.426%FS,1h内测得零偏稳定性为0.057 9(°)/s。

微机械陀螺结构的稳健优化设计

本文提出一种基于容差分析的微机械陀螺稳健设计方法,开发了相应的稳健优化设计流程.该方法采用估算目标函数和约束的名义值与扰动值来定义系统稳健性,同时将最坏情况容差作为设计参数的扰动.在集成了器件建模和优化工具的设计环境中开发了相应的自动化设计流程,可用于微机械陀螺的结构设计.优化算法使用遗传算法.讨论了不同的稳健设计方法,结果表明本文的方法能以合适的计算成本获得高质量的结果.系统敏感性分析表明,稳健优化设计结果对误差是不敏感的.采用蒙特卡洛分析检验稳健设计的产出率,结果表明有88%的试验样本是可接受的,而对于确定性优化,仅有50%的可接受样本.微结构已经采用键合-深反应离子刻蚀工艺加工出来.

手持式微机械陀螺扫频测试仪的实现

传统微机械陀螺的扫频测试一般采用价格昂贵的通用测试仪,其存在测试成本高、效率低等缺点。设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的手持扫频测试仪,能够自动进行扫频测试并求取被测微机械陀螺的谐振频率与品质因数,通过手动调节直流偏置电压大小的方式进行直流扫频测试,在自身的显示屏上绘制相关特性曲线。采用直接数字合成技术产生交流驱动信号,利用最小二乘拟合算法快速定位谐振频率点的大致位置,可以缩短测试时间、提高测试效率。应用测试表明,手持式微机械陀螺扫频测试仪能够快速、准确地完成微机械陀螺扫频测试,测试结果与传统测试方式吻合很好。

双框架解耦微陀螺原理样机研制

为了把驱动工作模态和检测工作模态有效隔离,以减小模态间的互相干扰,设计了一种双框架解耦微机械陀螺。通过采用可工程化的鲁棒优化结构设计和工艺补偿的制造工艺,实现了工艺误差范围内的稳健设计。这种内外框架结构的微陀螺设计,包括自激闭环驱动电路和开环检测电路,对微陀螺进行测试,得到微陀螺驱动模态品质因素>2000,检测模态品质因素>800,量程为2400°/s,线性度<0.3%,灵敏度为1°/s。

基于灵敏度分析的微机械陀螺稳健优化设计

提出了基于灵敏度分析的微机械陀螺稳健优化模型,开发了相应的稳健设计流程。以往的研究是将设计变量中的不确定量考虑为统计容差,与之不同的是,该设计采用最坏情况容差分析,优化算法使用遗传算法,采用键合-离子反应深刻蚀加工器件。灵敏度分析结果表明稳健设计结果对误差是不敏感的。同时进行了蒙特卡洛分析,结果表明有88.35%的样本是可接受的。

航姿参考系统的改进杆臂效应补偿方法

振动环境下叠加在航姿参考系统(AHRS)加速度计敏感轴上的杆臂效应会对加速度计测姿精度造成极大的影响.本文对杆臂效应处理算法中的低通滤波法和力学补偿法进行分析.低通滤波法滤除杆臂效应会有整流误差残存.力学补偿法对杆臂效应中向心加速度项的补偿受限于陀螺测量精度,对杆臂效应中切向加速度项的补偿会因为直接对角速度微分求取角加速度造成误差激剧放大.针对低通滤波法与力学补偿法各自存在的不足,提出一种改进的杆臂效应补偿方法.对杆臂效应中的向心加速度项的补偿,设定角频率阈值作为判定值.在低于给定角频率阈值工况下采用低通滤波法,而在高于给定角频率阈值工况下采用力学补偿+低通滤波法.对杆臂效应中的切向加速度项的补偿,提出2种多加速度计构型,根据加速度计构型中各加速度计输出值,构造解析公式求解角加速度,避免直接微分法造成的误差放大.通过对改进补偿方法的理论推导、分析和仿真,并与低通滤波法和力学补偿法相对比,改进补偿方法显著地提高了杆臂效应误差补偿精度.

基于惯性技术的风洞试验模型大迎角测量架构

针对大迎角测姿时现有加速度计测量架构对姿态信息利用不足,以及现有杆臂处理算法残差过大的问题,提出了一种基于惯性技术的3加速度计加1陀螺仪的系统架构。该架构改进了力学编排方式,在静态条件下有效提高了大迎角测姿精度。在动态条件下基于频率阈值判决的离心加速度补偿算法能有效去除杆臂效应离心加速度项;同时双加速度计的系统构型能有效避免杆臂效应切向加速度项的误差放大。转台实验验证结果表明,静态环境下大迎角测姿精度可达到0.006°,动态环境下大迎角测姿精度可达到0.12°,有效改善了动态环境下大迎角的测姿精度。

闭环微加速度计非线性补偿

离心标定修正微加速度计的非线性存在周期长和成本高等缺点,寻找一种可以提高生产效率的修正办法具有重要意义。推导了理想情况下加速度计的工作原理,并对载波带来的附加静电力对测试结果的影响进行了分析。在引入闭环平衡时结构非对称因子后推导出导致非线性的公式,找到了影响闭环平衡后结构非对称的三个主要因数:寄生电容、结构本身不对称和伺服电路零位的偏差。分析了各个因素在闭环平衡状态对结构非对称的影响原理后,相应提出了提高加速度计线性度的方法。最后介绍了非线性补偿的工程实现方法,并对环境温度变化较大时的补偿方法给出了建议。实验表明,该技术切实可行,能将加速度计的非线性特性提高将近一个数量级。

俯仰/滚转耦合的大角度姿态测量算法

基于加速度计或陀螺仪的测姿方法均存在大角度条件下姿态角误差放大、突变问题。对大俯仰角测量,通过预置欧拉旋转法可确定冗余加速度计的布置方式,降低了俯仰角测量误差。对大俯仰角条件下的滚转角测量,提出基于角速率阈值判定的陀螺解耦测姿算法。当俯仰角速率大于设定阈值时,采用角速度投影可钳制滚转角误差的漂移;当俯仰角速率小于设定阈值时,采用角速度积分可避免角速度投影造成的姿态误差放大。通过理论推导、分析和仿真,预置欧拉旋转法能有效避免大俯仰角条件下俯仰角姿态误差放大,陀螺解耦测姿算法能在振荡环境下长时间保持滚转角精确度。