收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

音叉式微机械陀螺的动力学耦合特性及振动灵敏度研究

管延伟  
【摘要】:微机械陀螺仪是一种基于哥氏效应来测量物体角速度的惯性传感器。它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低等优点,可广泛应用于军事和民用领域。随着微陀螺性能的不断提高,其应用对象越来越多,应用环境也越来越恶劣。由于微陀螺不可避免地受到耦合和外界振动的作用,导致微陀螺存在动力学耦合及振动灵敏度(外界振动引起的输出误差)问题。因此需要对微陀螺动力学耦合及振动灵敏度的抑制或消除进行深入的研究,以此来提高微陀螺的性能。基于以上背景,本文以自主设计的双质量块音叉式微机械陀螺为研究对象,通过理论研究、仿真分析、实验测试等手段,分别从结构和电学两个层面对音叉式微陀螺的动力学耦合特性及振动灵敏度进行了研究,为高性能微陀螺的优化设计提供重要的理论依据和参考价值。本文的主要研究工作和创新性研究成果简述如下:(1)考虑到微陀螺受到外界加速度引起的惯性力、耦合刚度力及耦合阻尼力的作用,分别建立了单质量块微陀螺的两自由度动力学一般方程、双质量块音叉式微陀螺的四自由度动力学一般方程和四质量块音叉式微陀螺的八自由度动力学一般方程,为微陀螺的动力学分析提供了理论前提。同时,着重分析了双质量块音叉式微陀螺存在的正交耦合、同相-反相耦合以及模态优化与振动灵敏度等问题,为后续问题的解决提供了理论基础。(2)为实现音叉式微机械陀螺正交耦合的解耦,提出了结构解耦和电学解耦两种解耦方法。首先,利用能量法首次推导出了梁长相等但梁宽不相等的单折叠梁刚度耦合系数,给出了降低弹性梁刚度耦合系数的关键参数,通过降低弹性梁的刚度耦合系数实现了正交耦合的结构解耦。同时,设计了用来消除正交耦合的电极,推导出了该电极产生的静电正交耦合刚度力,提出了通过控制一个质量块的正交耦合刚度来实现正交耦合的电学解耦,并通过静电-结构多场耦合仿真分析和实验测试验证了正交耦合电学解耦的有效性。(3)针对同相-反相耦合影响音叉式微陀螺的振动灵敏度与品质因数的问题,提出了结构解耦和电学解耦的方法来抑制或消除同相-反相耦合。首先,通过提高同相反相刚度差比和弹性梁的宽度实现了同相-反相耦合的结构解耦,并通过仿真分析和实验测试验证了同相-反相耦合的结构解耦可以有效降低音叉式微陀螺的振动灵敏度。其次,设计了刚度匹配电极,推导出了刚度匹配电极产生的静电负刚度力,提出了通过静电负刚度效应的刚度匹配来实现同相-反相耦合的电学解耦,并通过正弦扫描振动实验验证了同相-反相耦合的电学解耦降低振动灵敏度的有效性。另外,考虑到基底的能量损耗,又建立了理想和非理想音叉式微陀螺的三自由度振动模型,首次给出了考虑基底阻尼的非理想结构反相模态品质因数的表达式,并通过实验验证得到反相模态(工作模态)品质因数可以通过同相-反相耦合的电学解耦达到最大值。(4)为解决传统的直接耦合式音叉微陀螺的自身灵敏度与振动灵敏度之间的矛盾,设计了新式的锚点环形梁耦合式音叉微陀螺和锚点菱形梁耦合式音叉微陀螺,并首次构建了双质量块音叉式微陀螺的两自由度锚点耦合振动模型。首先,利用坐标变换法对模态优化和共模振动输出进行了理论计算,并通过有限元仿真分析验证了理论模型的正确性。同时,对比分析了锚点耦合式和直接耦合式音叉微陀螺的模态优化与振动灵敏度,得到锚点耦合式音叉微陀螺在不牺牲陀螺自身灵敏度的前提下,可以极大地优化模态顺序和降低振动灵敏度。(5)综合考虑了音叉式微机械陀螺的动力学耦合特性、振动灵敏度及模态优化等因素,设计了基于锚点杠杆梁耦合机制的音叉式微陀螺,并构建了双质量块音叉式微陀螺的四自由度耦合振动模型,理论分析了所设计微陀螺的动力学响应特性。采用SOG工艺加工了微陀螺,并利用LCC-44封装管壳对加工后的管芯进行气密性封装。最后设计了基于FPGA的音叉式微陀螺的数字化控制电路,采用基于CORDIC算法与LMS算法的闭环驱动和开环检测方式对音叉式微陀螺进行了性能测试。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 许友平;章晓春;;硅微机械陀螺驱动方式研究[J];科技视界;2018年24期
2 凤瑞;裘安萍;施芹;苏岩;;双质量硅微机械陀螺固有频率温度特性研究[J];南京理工大学学报;2013年01期
3 毛旭;刘宇;汪银年;丁明清;张福学;;二维硅微机械陀螺的研究[J];压电与声光;2007年03期
4 李新刚,袁建平;微机械陀螺的发展现状[J];力学进展;2003年03期
5 林爱民,牛蒙年,解健芳,杨根庆;双框架微机械陀螺制备关键技术[J];功能材料与器件学报;1999年01期
6 高钟毓;微机械陀螺原理与关键技术[J];仪器仪表学报;1996年S1期
7 杜宜璋;常洪龙;苑伟政;谢建兵;;多环谐振微机械陀螺的研究现状及发展趋势[J];导航与控制;2019年04期
8 罗兵;李超;吴美平;王安成;;基于FPGA的硅微机械陀螺特性曲线可重构测试[J];中国惯性技术学报;2010年05期
9 夏国明;王寿荣;杨波;;硅微机械陀螺表头温度特性研究与测试[J];测控技术;2009年09期
10 徐晓松;范京;刘海林;肖健明;张福学;;旋转载体用硅微机械陀螺的相位研究[J];北京机械工业学院学报;2008年02期
11 王宏伟;毛旭;张伟;张福学;;旋转载体用硅微机械陀螺的敏感元件[J];压电与声光;2006年02期
12 蒋军彪,冯培德,徐建东;振动轮式微机械陀螺动力学方程、振动模态及其灵敏度分析[J];中国惯性技术学报;2000年03期
13 凌林本,李滋刚,周百令,熊正南;硅微机械陀螺传感器信号的检测方法[J];中国惯性技术学报;1999年04期
14 茅盘松,吴绍夫,王修伦;硅微机械陀螺的研究[J];传感器技术;1995年04期
15 张增平;张福学;张伟;刘宇;张宁;;无驱动微机械陀螺敏感元件模态分析[J];中国惯性技术学报;2014年05期
16 李亚山;闫俊杰;刘俊;石云波;;微机械陀螺封装应力研究[J];传感器与微系统;2011年04期
17 王安成;罗兵;吴美平;;硅微机械陀螺谐振频率在线快速测定方法[J];中国惯性技术学报;2011年05期
18 严庆文;张福学;吴立锋;;用于旋转弹体态测量的硅微机械陀螺理论和实验研究(英文)[J];压电与声光;2010年02期
19 张福学;毛旭;张伟;;旋转体自身驱动的硅微机械陀螺[J];中国工程科学;2006年08期
20 刘晓为;陈宏;陈伟平;陆学斌;韩天;;常压下工作的微机械陀螺的频率和阻尼特性[J];传感技术学报;2006年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李超;罗兵;吴美平;王安成;;基于FPGA的硅微机械陀螺特性曲线可重构测试[A];2010年惯性技术 发展动态 发展方向研讨会文集[C];2010年
2 张福学;王宏伟;;旋转弹用硅微机械陀螺[A];2003年惯性技术科技工作者研讨会论文集[C];2003年
3 张福学;王宏伟;张伟;毛旭;张楠;;利用旋转载体自身角速度驱动的硅微机械陀螺[A];惯性技术发展动能发展方向研讨会论文集[C];2004年
4 庄海涵;王巍;邢朝洋;张廷凯;;线振动微机械陀螺大载荷下频率漂移特性研究[A];微机电惯性技术的发展现状与趋势——惯性技术发展动态发展方向研讨会文集[C];2011年
5 王永;孟冰;陈旭辉;王刚;;一种环式分布的四质量块微机械陀螺研究[A];2018惯性技术发展动态发展方向研讨会文集[C];2018年
6 何小元;杨福俊;董萼良;康新;;空气中硅微机械陀螺的阻尼特性测试与分析[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
7 何小元;杨福俊;董萼良;康新;;空气中硅微机械陀螺的阻尼特性测试与分析[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(上)[C];2005年
8 吴衍记;;浅谈微光学惯性仪表的发展[A];惯性技术发展动能发展方向研讨会论文集[C];2004年
9 王宏伟;腾功清;齐臣杰;江世宇;;旋转式硅微机械陀螺的研究[A];第十届全国敏感元件与传感器学术会议论文集[C];2007年
10 王刚;王玉朝;余才佳;;振动式微机械陀螺环境适应性提升研究[A];中国惯性技术学会第七届学术年会论文集[C];2015年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 管延伟;音叉式微机械陀螺的动力学耦合特性及振动灵敏度研究[D];北京理工大学;2017年
2 郝永存;SOI基微机械陀螺制造关键技术研究[D];西北工业大学;2017年
3 陈永;基于滑膜阻尼效应的音叉式微机械陀螺研究[D];中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所);2004年
4 陈雪萌;一种压阻式微机械陀螺的研究[D];中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所);2005年
5 李锦明;高信噪比电容式微机械陀螺的研究[D];中北大学;2005年
6 张正福;音叉振动式微机械陀螺结构动态性能解析与健壮性设计[D];上海交通大学;2007年
7 杨亮;硅微机械陀螺数字化测控电路技术研究[D];南京理工大学;2014年
8 陈垚;微机械陀螺的材料及器件设计研究[D];中国科学院上海冶金研究所;2000年
9 马威;栅结构微机械陀螺的高精度高稳定性研究[D];浙江大学;2017年
10 张增平;无驱动结构硅微机械陀螺动态特性及姿态解算研究[D];北京邮电大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 彭焮成;微机械陀螺驱动控制及其噪声研究[D];江西理工大学;2019年
2 王欢;基于锁相调制技术的电容式微机械陀螺工艺实现及检测系统研究[D];厦门大学;2017年
3 汤丽;微机械陀螺驱动与检测控制系统研究[D];西南科技大学;2019年
4 刘思琦;栅结构微机械陀螺高稳定性信号处理架构和系统降功耗研究[D];浙江大学;2018年
5 王野;基于带通调制器的微机械陀螺检测模态电路设计[D];哈尔滨工业大学;2018年
6 韩莉莉;一种新型微机械陀螺阵列设计[D];哈尔滨工程大学;2014年
7 郭慧芳;三框架硅微机械陀螺的结构设计及加工工艺研究[D];中北大学;2008年
8 谢建兵;Z轴微机械陀螺的集成设计技术[D];西北工业大学;2006年
9 李林;差分式硅微机械陀螺的结构设计及闭环驱动研究[D];中北大学;2006年
10 卞友;芯片式硅微机械陀螺温度补偿方法研究[D];南京理工大学;2015年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978