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微型梳状线振动陀螺仪特性及干扰因素影响的研究

郭秋芬  
【摘要】: 微机械陀螺惯性导航和稳定系统以其独特的优点,在航空、航天和航海等领域得到了广泛的应用,在现代以及可预见未来的高科技战场上,各种武器的精确打击能力已经成为影响战争结果的重要因素。强技术对抗的复杂战场环境迫切需要微型飞行器、微型机器人等微小型侦察设备,远距离精确打击迫切需要制导炸弹、炮弹、战区外投放武器等大量制导武器。大量的坦克、车辆、舰船、飞机上需要为武器、侦察、探测和通信装备提供各种要求的姿态稳定能力。数量巨大的需求促使惯性导航系统向低成本、微型化、低功耗、抗冲击的方向发展。微机械陀螺技术的发展,使得陆海空二炮各个军兵种的各种武器和武器运载工具将来有了可以普遍使用的低成本制导、导航和姿态稳定装备。本论文旨在研究MEMS陀螺仪的环境影响。 本论文在深入调研与分析国内外MEMS梳状线振动陀螺仪相关理论与技术文献的基础上,归纳总结了该领域的主要内容与关键技术,详尽论述了MEMS陀螺仪的研究现状,存在问题与发展趋势。以MEMS梳状线振动陀螺仪为对象研究其结构、电容、静电力、动力学及干扰因素的影响,主要研究工作如下: 1)根据国内外MEMS陀螺仪的实际情况,研究各种MEMS支撑弹性梁。结合U形曲折梁支撑结构和蛇形曲折梁支撑结构的优点设计出一种“几字形”支撑弹性梁。用能量平衡法,分析了“几字形”梁的物理性能,推导出“几字形”支撑弹性梁弹性系数的表达式,得到弹性梁在各个方向的弹性系数,总结出了这种弹性梁在各个方向间弹性系数的特点。从这些特点可以看出,“几字形”弹性梁很好的解决了各个轴向之间耦合的问题。 2)针对各种空气阻尼模型,根据MEMS梳状线振动陀螺仪的梳齿结构以及空气阻尼的特点,建立了MEMS梳状线振动陀螺仪的阻尼模型。此模型的特点是在驱动及检测模态中都含有双面库埃特流阻尼和双面压膜阻尼。通过两种阻尼的结合,建立了MEMS梳状线振动陀螺仪驱动模态和检测模态的阻尼模型。运用空气动力学理论,根据给·吕蕯克、波义耳-马略特和查理等三个定律,建立了MEMS梳状线振动陀螺仪气压的模型,研究了气压对此陀螺仪的影响。通过研究看出,当气压在高度真空状态时,气压的微小变化就会引起陀螺仪阻尼及输出的急剧变化,当气压在低真空状态时,气压的微小变化会引起陀螺仪阻尼及输出的较大变化,当气压在接近标准大气压及大于标准大气压时,陀螺仪阻尼及输出的变化随着气压的变化不明显。因此,MEMS梳状线振动陀螺仪的工作气压最好定在标准大气压下,这样既满足了陀螺仪工作环境的要求,又有利于对气压的控制。 3)针对MEMS梳状线振动陀螺仪的结构特点及其静电力的特点,建立了结构不对称的静电力耦合误差模型以及梳齿变形模型。从模型当中可以看出,梳齿之间的距离误差变化对陀螺仪的输出影响比较大,当距离误差小于原来距离的1/3时,输出误差不是非常明显,当距离误差大于原来距离的1/3小于2/3时,输出误差非常明显,当距离误差大于原来距离的2/3时,梳齿之间会产生吸合现象,损坏MEMS梳状线振动陀螺仪。 4)建立了MEMS梳状线振动陀螺仪的动力学模型,分析了不理想模型误差,研究了载体加速度和绕其它轴转动的角速度对此陀螺仪的影响。 5)针对MEMS梳状线振动陀螺仪的结构特点,利用机械动力学和热力学的知识,建立了MEMS梳状线振动陀螺仪的温度模型。理论分析及仿真结果表明,温度变化引起的结构尺寸变化在陀螺仪匀加速旋转时对陀螺仪的输出及相位的影响很大,不可以忽略不计。温度变化引起的刚度系数的变化对陀螺仪的输出及相位的影响都很大,随着温差的增加,陀螺仪的输出相应的减少。温度也会引起阻尼系数的变化,影响陀螺仪的输出。


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