基于改进EMD和ARMA的MEMS陀螺仪随机误差补偿方法

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)陀螺仪的随机误差限制了其测量精度。为了降低MEMS陀螺仪的随机误差,提出一种基于改进的经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和优化的自回归滑动平均(Autoregressive Moving Average,ARMA)模型的方法。该方法在传统EMD的基础上,结合Hausdorff距离和累积标准化模态均值以提取信号中的噪声和趋势项,对剩余信号进行ARMA建模和滤波。采用沙猫群优化算法优化建模的定阶过程,采用改进的自适应滤波补偿随机误差。试验结果表明:相较于传统EMD和传统ARMA方法,新方法在静态试验中得到的均方根误差分别降低52.5%和34.4%,在动态试验中得到的均方根误差分别降低50%和32.35%;新方法有效抑制了随机误差,提升了MEMS陀螺仪的使用精度。

MEMS陀螺仪振动特性分析及性能优化

谐振式MEMS陀螺仪在随机振动中会发生性能退化,主要表现形式为噪声增大、零偏变化及标度因数降低。研究了陀螺仪的振动模态,发现当正交耦合和电容不对称时,检测模态及检测同相模态极易被激发。被激发的两种信号会占用有限的C/V检测信道,引起信道饱和,造成标度因数变小,同时还会引起振中噪声变大和零位变化。从加工工艺和MEMS设计两方面提出提高陀螺仪振动性能的方法。优化后陀螺仪振中噪声降为优化前的1/10,振中零位差降为原来的1/5,标度因数降低的现象完全消失。

一种用于振动测量的MEMS电磁式加速度计

基于电磁感应原理,设计并制备了一种用于振动测量的微机电系统(MEMS)电磁式加速度计,其具有无源、集成度高、对加工工艺精度要求低及不受温度、湿度影响等优势。首先通过有限元分析软件对加速度计敏感结构及永磁体磁场进行仿真分析,然后利用MEMS微加工工艺制备敏感结构及电磁线圈等主要部件,将加速度计芯片与嵌有永磁体的陶瓷基板进行键合封装。通过敏感结构受到振动并带动线圈相对永磁体发生位移产生电压信号。最后通过振动测试系统对电磁式加速度计的灵敏度、量程、线性度及抗过载能力等动态参量进行评估。实验结果表明,在0~3g量程范围内,加速度计可实现对63~69 Hz频率振动的测量,灵敏度最高为263 mV/g,非线性误差为3.3%,可用于恶劣环境下低g值的振动测量。

用于航天器导航的微机电系统陀螺仪通过在轨测试

在最近欧洲航天局地球探测卫星（CryoSat-2）的一次探测地球冰层覆盖变迁的任务中,应用其卫星的微机电系统（micro electro-mechanical system,MEMS）陀螺仪顺利通过了在轨测试。该星载MEMS陀螺仪由德国Goodrich公司研制,

MEMS陀螺仪CRM100的信号调理电路设计

MEMS陀螺仪是低成本惯性测量单元的重要组成部分,在载体姿态监测与导航控制中有着广泛应用。该文针对MEMS陀螺仪CRM100的信号,在分析该陀螺仪模拟量输出与数字量输出方式特点的基础上,详细介绍了CRM100陀螺仪信号调理电路的设计与实现方法,并对设计电路利用三轴位置速率摇摆温控转台进行了试验论证,试验结果表明,所设计的信号调理电路正确有效,为该陀螺仪后续的工程应用奠定了基础,具有一定的工程应用价值。

MEMS振动陀螺仪AGC回路模型线性化与控制器设计

针对微机电系统(MEMS)振动陀螺仪驱动模态自动增益控制(AGC)回路非线性、控制器设计难的问题,提出了在平衡点处将系统进行线性化并利用经典频域分析进行控制器设计的方法。利用包络传递函数建立了一种无需乘法器的AGC模型。通过谐波分析的方法将简化的AGC环路模型在平衡点处进一步线性化。利用线性系统经典的频域分析法进行控制器的设计。仿真与实验验证了模型线性化过程的正确性以及所提出的控制器设计方法的有效性。

基于静电调修的圆盘结构MEMS陀螺仪

设计了一种采用微机电系统(MEMS)技术的绝缘体上硅(SOI)与玻璃阳极键合工艺的陀螺仪。分析了提高陀螺仪性能的主要手段,结合实际工艺能力,设计了较大电容极板正对面积的器件。利用真空腔、网络分析仪、跨阻放大器、直流电源,进行扫频实验,得到了器件的幅频响应特性。基于MEMS陀螺仪的工作原理,设计静电调修的方法,实现了器件驱动轴和敏感轴的谐振频率裂解从293.75 Hz缩小到6.25 Hz。

基于MEMS陀螺仪的地下管线测绘系统

研究并实现基于微机电系统(MEMS)陀螺仪的高速数据的采集、多传感器数据融合、高实时数据的存储以及数据读取等功能的地下管线测绘系统;并运用管道测绘算法对读取的数据进行解算,最终得到测量管道的三维轨迹。所设计的系统以STM32芯片为核心主控,实现对MEMS陀螺仪高速数据的完整接收以及里程信息的同步测量,运用MEMS-惯性测量单元(IMU)/里程计/不完全约束的组合定位算法对读取的数据进行导航解算,最终实现310 m长度管道的定位误差在0.15%以内。

MEMS三轴数字陀螺仪标定方法研究

MEMS陀螺仪作为低成本惯性测量单元在物体姿态监测与导航控制中有着广泛应用。根据三轴数字陀螺仪的数学模型,设计了三轴数字陀螺仪的标定实验,介绍了数学模型中陀螺仪标度因数、安装误差系数以及零偏移值的计算与处理方法。理论分析与实验结果表明:该标定方法原理简单、易于实现,且标定结果精度高,标定后的解算矩阵可为后续姿态解算和导航控制提供较为准确的量测数据,同时,该标定过程和数据处理方法对MEMS三轴数字陀螺仪的标定具有一定的参考价值。

基于Kalman滤波的MEMS陀螺仪滤波算法

针对MEMS陀螺仪精度不高、随机噪声复杂的问题,研究了某MEMS陀螺仪的随机漂移模型.应用时间序列分析方法,采用AR(1)模型对经过预处理的MEMS陀螺仪测量数据噪声进行建模,进而基于该AR模型并采用状态扩增法设计Kalman滤波器.速率试验和摇摆试验仿真结果表明,在静态和恒定角速率条件下,采用该算法滤波后的MEMS陀螺仪的误差均值和标准差都比滤波前有了明显的降低.针对摇摆基座下该算法随摆动幅度的增大效果变差的问题,从提高采样率和选择自适应Kalman滤波2个方面对算法进行改进.仿真结果表明,2种方法都能改善滤波效果,然而考虑到系统采样频率和CPU计算速度的限制,自适应滤波有更高的实用性.

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。

MEMS压电-磁电复合式振动能量采集器

具有高能量输出密度的自我供电振动能量采集技术有着迫切的应用需求,是智能化MEMS器件系统发展的重要方向。研究了一种可将外界环境振动能转化为电能的MEMS压电-磁电复合振动能量采集器,其综合了压电发电和磁电发电的优势,为新型MEMS供电研究提供了新思路。利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅(PZT)压电功能薄膜的制备,采用MEMS加工技术完成器件四悬臂梁-中心质量块基础结构的设计和制作,结合集成封装技术实现微结构与永磁铁的微组装。测试结果表明:在一阶谐振频率247 Hz,10 g加速度激励的振动状态下,器件压电部分压电敏感单元与磁电部分电感线圈的单位体积最大有效输出电压分别为2.066×107和5.002×106 mV/cm3。

基于压电效应的MEMS振动式微能源器件

设计了一种硅基压电功能材料的四悬臂梁-中心质量块结构MEMS振动式微能源器件,可将环境振动能量有效转化为电能。采用溶胶-凝胶法制备硅基锆钛酸铅(PbZr0.53Ti0.47O3,PZT)压电功能薄膜,经干/湿法刻蚀和溅射沉积等MEMS工艺实现器件功能结构的制备。研制的器件整体结构尺寸为7 000μm×7 000μm×300μm,单个PZT压电单元面积为0.149 6 mm2。将悬臂梁上4个压电单元串联以实现输出最大化,测试结果表明,器件的谐振频率为300 Hz,适于低频振动环境;输出电压在一定范围内随加速度增加而增大;在加速度为10 g时压电单元单位面积输出电压达1.19 mV/mm2。

MEMS陀螺仪的一种实用标定法

主要介绍了一种微机械系统(MEMS)陀螺仪的速率标定法,根据MEMS陀螺仪的输出数学模型,详细推导了如何得到MEMS陀螺仪的输出数学模型中的零漂、刻度因数和安装误差,并在得到其标定系数后将其封装在C函数中进行验证实验。通过实验数据分析可知,MEMS陀螺仪速率标定法原理简单,易于实现,且精度较高。此标定法所得到的MEMS陀螺仪输出数学模型能较准确地反映其输出,且MEMS陀螺仪的线性度有所改善。

火箭弹MEMS陀螺捷联惯导系统

火箭弹正朝着远程化、精确制导化方向发展,制导装置是其中的核心。该文采用微机电系统(MEMS)陀螺、石英挠性加速度计、高动态GPS接收机、高速导航计算机等硬件及捷联惯性导航和卡尔曼滤波算法,研制了小型捷联惯性/GPS组合导航系统。该组合导航系统具有体积小,精度高,成本低等特点,试验表明该惯导系统可以满足增程火箭弹制导要求。

振动能量拾取MEMS压电式微能源研究

设计并制作了一种"四悬臂梁-中心质量块"结构的振动能量拾取微机电系统(MEMS)压电式微能源,实现了环境振动能量向电能的转换。首先利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3,PZT)压电薄膜的异质集成制备;然后通过MEMS工艺和引线键合技术进行器件基础结构的集成制造;最后借助振动测试系统对该器件的各项输出性能进行测试。测试结果表明,8Hz谐振频率工作状态下,该压电式微能源器件的输出电压峰-峰值随着加速度激励的增加呈线性增大,当加速度激励为10 m/s2时,该能量采集器件的输出电压峰-峰值为82.4mV。在器件两端加载2.0 MΩ的负载时,器件输出功率密度达最大值(为2.074 3μW/cm3)。

非接触式表面电势测量的MEMS微型静电压仪

针对工业中的表面电势测量应用,研制了一种新型的基于微机械加工技术(MEMS技术)的微型静电压仪。为了提高器件的信噪比和灵敏度,传感器敏感结构基于谐振式工作原理,并采用差分激励和差分敏感的结构设计。基于高速数字芯片和数字信号处理技术,研制了传感器的数字化检测系统原理样机。该传感器可实现非接触式表面电势测量,在距离目标表面20 mm位置,该传感器最小分辨电压优于10 V,精度优于10%。文中还进行了摩擦泡沫表面电势的测量,试验结果表明:该传感器可反映表面电势的变化和电荷衰减。

具有扇区输入非线性的三轴MEMS陀螺仪鲁棒自适应控制

微机电系统(micro-electro-mechanic system,MEMS)陀螺仪在制造和应用过程中会受到系统参数不确定、外界干扰和力电换能器非线性效应的影响,降低MEMS陀螺仪的检测精度。提出一种基于增益自适应的滑模控制策略对MEMS陀螺仪3个轴向轨迹进行控制,采用一种基于时变死区技术的积分自适应律估计参数不确定和干扰的上界以避免估计发散,选择合适的控制律消除非线性扇区输入的影响,实现陀螺3个轴向的轨迹跟踪指定的参考运动,从而提高检测精度。最后利用Lyapunov直接法证明了闭环误差系统的渐近稳定性和所有信号的有界性。仿真结果表明了该策略的有效性。

基于参数激励法的MEMS陀螺电馈通抑制方法

针对微机电系统(MEMS)陀螺驱动电极和感应电极之间存在寄生电容,导致驱动信号的电馈通,限制了陀螺仪的灵敏度的问题,采用一种新型驱动方式—参数激励法,可以有效改变陀螺的刚度。仿真测试表明,通过调节激励信号的参数(频率、幅度和相位),可以以可控的方式显著地减少电馈通。

微机电系统先锋挑战当前市场产品,VTI进军消费电子陀螺仪和定时设备领域

过去20年微机电系统（MEMS）领域的开拓者VTI Technologies如今正朝着一个新方向迈进，拓展至消费电子领域。VTI已是汽车行业低重力加速度传感器和医疗移植市场超低功率传感器领域的领导者。