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。

双质量硅微机械陀螺仪带宽拓展系统设计

检测开环状态下,微机械陀螺的实际工作带宽约为驱动和检测模态固有频率差值(?f)的一半,而陀螺结构的机械灵敏度与Δf成反比,较高的机械灵敏度有助于优化陀螺的噪声特性。本文提出了一种较为通用的陀螺带宽拓展方法,在使陀螺拥有较好的机械灵敏度基础上有效提高陀螺带宽以增强其动态环境适应性。首先,建立了陀螺检测系统的模型,并进一步得到了陀螺结构的传递函数和机械带宽。其次,分析了带宽拓展控制器的系统特性,设计了基于比例-积分串联相位超前控制方法的带宽拓展控制器,并对其进行了系统级和电路级仿真,验证了设计参数。最后进行了测试,结果表明采用本文所述方法可将陀螺带宽从原有的13 Hz拓展到了104 Hz,且具有较好的带内平整度,验证了设计方案。

一种双线振动硅微机械陀螺仪驱动检测电路设计

以一种双线振动硅微机械陀螺仪为研究对象,设计了驱动、检测电路,达到了一定的性能要求。驱动模态使用自激振荡的闭环控制方式,使陀螺稳定工作在其固有频率上。在载波和驱动环节使用了一种AGC技术,实现了载波信号和驱动模态的幅度的高精度控制。使用二极管一次解调,简化了电路结构。检测部分使用了一种相位修正放大电路,有效减小了有用信号频率附近的幅相误差。

一个改进型的双框架硅微机械陀螺仪

本文分析了双框架式硅微机械陀螺仪的作用机理,提出了改进双框架式硅微机械陀螺仪性能的措施.仿真结果表明,通过改进,陀螺仪的灵敏度和信噪比都可以大大提高.

硅微机械陀螺仪测控电路的温度补偿

提出了一种基于微机械陀螺仪测控电路进行温度补偿的方法。介绍了本课题组自主研发的SHH17#陀螺结构,分析了温度变化对陀螺的影响,并对驱动和检测模态的谐振频率,品质因数以及标度因数和零偏进行了测试。分析了陀螺结构的动力学方程以及测控电路,指出了标度因数与驱动幅度和检测回路增益成正比,与两模态频差成反比。以热敏电阻为补偿元件在检测次级放大器中补偿标度因数,然后以直流叠加的方法在低通滤波器模块对零偏的温度系数和输出值进行了补偿,并介绍了补偿参数的配置方法。实验显示,经过温度补偿,标度因数和零偏的温度系数分别由393×10-6·℃-1和75(°)·h-1·℃-1减小到了73×10-6·℃-1和20(°)·h-1·℃-1,补偿后0℃零偏值由89.59mV减小到7.33mV,标度因数和零偏的温度系数分别减小了80%和73%。得到的结果证明了补偿方法的正确性和可行性。

基于偶极子补偿法的硅微机械陀螺仪带宽拓展

硅微机械陀螺仪的机械灵敏度与驱动和检测模态的谐振频率差Δf成反比,而Δf处的谐振峰是影响陀螺带宽的直接因素,带宽约0.54Δf,因此,带宽和机械灵敏度往往成为两个互为矛盾的指标。基于自动控制原理中介绍的偶极子理论提出了偶极子补偿控制技术,该方法在不影响机械灵敏度的前提下可有效拓展陀螺带宽。首先,对涉及到的双质量硅微机械陀螺仪的结构形式和工作原理进行了介绍,指出陀螺实际工作的检测模态是由检测同相和反相模态叠加而成,设计了陀螺开环检测回路,分析了带宽是由驱动反相和检测反相模态的谐振频率差决定,并结合检测力反馈激励法验证了上述结论;其次,根据偶极子工作原理设计了偶极子补偿控制器的系统传递函数和电路,并对相关内容进行了仿真,验证了电路参数的准确性;最后,基于偶极子补偿控制器建立了硅微机械陀螺仪闭环检测系统,分析了该系统的稳定性,并对该系统的带宽特性进行了仿真和测试,结果显示带宽由原来的13 Hz拓展到了76 Hz,很好地证明了本文提出方法的可行性。此外,鉴于双质量陀螺的实际检测模态,在消除了第一个Δf谐振峰对带宽的影响后,由检测同、反相模态叠加产生的共轭零点引起的幅值谷为带宽进一步提高的限制因素。

双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪的理论计算及仿真

提出了一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪。采用两块反相、同频、等幅振动质量块作为敏感单元,通过测量谐振器谐振频率变化来计算转速的大小。推导了哥氏力与输入转速的传递函数,用瑞利-里茨法求得在轴向力作用下梁的固有频率方程,利用马蒂厄方程分析了双端音叉谐振器的运动数学表达式及陀螺仪标度因数方程。ANSYS分析表明:谐振器固有谐振频率为4.0431×106Hz;在谐振器端部施加1×106Pa预载荷后,谐振频率偏移量为20.7 kHz。仿真结果验证了理论推导的正确性。该陀螺仪减少了振动噪声及能量损耗,消除了外界共模加速度引起的误差。

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。

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。

硅微机械陀螺仪的机电接口模型分析

建立了某种硅微机械陀螺仪的电路模型,分析了寄生电容对接口电路的影响。结果表明,合理的接口电路不仅消除了大部分的寄生电容的影响,而且减小了信号的衰减幅度,抑制了大部分的耦合信号和噪声信号。最后对接口电路进行了改进,除了保留以上的一些优点外,还减小了载波信号的变化和电源变化对电容分辨率的影响,提高了整个电路的分辨率。

硅微机械谐振式陀螺仪

介绍了硅微机械谐振式陀螺仪的工作原理,给出了硅微机械谐振式陀螺仪的动力学方程详尽推导。针对此方程进行仿真研究,对结构设计参数进行了估计。研究表明,硅微机械谐振式陀螺仪是一种很有发展前途的新型陀螺仪。

硅微机械陀螺仪封装应力研究

封装热应力会降低硅微机械陀螺仪性能,为了减小封装热应力,对封装热应力与封装材料之间的关系进行了研究.首先对封装的硅微机械陀螺仪结构进行了简化,建立了有限元模型,仿真并分析了在封装过程中陶瓷基底材料和粘接剂对热应力的影响.仿真结果表明,陶瓷基底和粘接剂的热膨胀系数与硅的热膨胀系数匹配,且粘接剂的杨氏模量较小时,热应力较小.粘接层厚度超过60μm,平面尺寸大于陀螺仪芯片尺寸时,热应力较小.

双框架硅微型机械振动陀螺仪鲁棒控制研究

以内框驱动式双框架硅微型角振动机械陀螺仪为对象,建立了闭环力平衡控制模型,采用鲁棒H∞控制理论中的混合灵敏度法设计了鲁棒控制器。仿真结果表明,同开环微机械陀螺相比,通过合理选择加权函数设计出的鲁棒H∞控制器能使微机械陀螺对敏感轴固有频率摄动敏感性显著降低,微机械陀螺鲁棒性能显著提高。

单片三轴硅微机械振动陀螺仪研究

设计、制造了一种单片集成三轴硅微机械振动陀螺仪.该器件由两个结构完全相同的单轴水平陀螺仪和一个单轴垂直陀螺仪组合而成,三只单轴陀螺仪均采用静电驱动、电容检测的结构形式.采用体硅溶解薄片法制造了该三轴陀螺仪芯片,并对其在空气中的驱动性能进行了初步测试.测试结果表明,该单片三轴硅微机械振动陀螺仪驱动模态的实际谐振频率与理论值之间的最大误差小于5%,满足设计要求.

硅微机械振动轮陀螺仪的机理研究

本文针对Ｄｒａｐｅｒ 实验室公布的硅微机械振动轮陀螺仪的设计方案，给出了它的非线性动力学方程和运动规律，分析了该陀螺仪壳体绕空间任意轴匀速旋转时干扰力矩所引起的漂移率，给出了比通常线性化处理后得到的角速率测量关系式更为精确的测量表达式。

硅微机械陀螺仪结构中的电容分析

为减小杂散电容提高信噪比,分析了硅微机械陀螺仪结构中的电容。并以某硅微机械陀螺仪的理 论模型为对象,建立了陀螺仪结构中的电容模型。对每种电容进行了理论分析,并借助电路仿真软件对 模型进行了仿真,分析了杂散电容对输出的影响,结果表明布线与活动结构间的电容对输出有很大的影 响。提出了采用新工艺和合理的布线方法减小与活动结构间的电容,从而提高信噪比。

双输入轴微机械陀螺仪的研究与进展

微机械陀螺仪是微机电系统(MEMS)研究的重要内容。双输入轴微机械陀螺仪可最大限度地发挥微结构的固有功能并实现最低成本。本文综合了国内外在这方面的主要研究报道,概述各自的结构、工艺、测试和性能特点,以展示双输入轴微机械陀螺仪的发展历程与研究现状。

音叉式硅微机械振动陀螺仪的粘滞阻尼研究

粘滞阻尼的研究对硅微机械振动陀螺仪的设计至关重要 .而品质因数的大小反映了阻尼特性 .本文首先理论分析了硅微型机械振动陀螺仪粘滞阻尼的耗能 ,然后根据耗能分析给出了驱动结构和敏感结构的品质因数 .

Z轴硅微机械陀螺仪的机电接口模型分析

为提高Z轴硅微机械陀螺仪信噪比,分析了陀螺仪机电接口中的电容和电阻。文中以Z轴硅微机械陀螺仪的理论模型为对象,建立了陀螺仪机电接口模型,分析了模型中寄生电容和电阻对有用信号和噪声的影响。分析结果表明:寄生电容会削弱有用信号,且布线与活动结构间的电容对输出有很大的影响,而寄生电阻会产生噪声。最后,提出了采用新工艺和合理的布线方法以减小寄生电容和电阻,从而提高信噪比。

硅微机械振动轮陀螺仪非线性动力分析

本文简单介绍了硅微机械振动轮陀螺仪的工作原理，并给出了该陀螺仪的非线性运动方程和线性化运动方程．针对该陀螺仪的运动方程，进行了数值仿真研究．根据数值仿真结果，还提出为了提高测量的线性度必须采用闭环控制．同时，还给出了闭环控制的方案．