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硅微角振动陀螺振动灵敏度分析及结构优化方法

樊波  
【摘要】:硅微陀螺仪是一类新型的MEMS惯性传感器,以其体积小、成本低、可靠性高等优点被重点关注,在军事和民用领域有着广泛的应用。随着硅微陀螺仪的性能不断提升,其应用范围变广,应用环境也更加苛刻。由于受到加工工艺的限制,对环境因素极为敏感,从而限制了高性能硅微陀螺仪的应用场合。其中振动是一个关键的环境因素,因此提升硅微陀螺的抗振性能已成为业界的主要努力方向之一。本文以提高硅微陀螺仪的抗振性能为目的,在充分研究了硅微角振动陀螺的结构特性和工作原理的基础上,对理想结构和包括正交误差与力不平衡等的加工误差两种情况进行了详细的振动灵敏度理论分析。以随机振动试验为原型,结合模型降阶法和数值分析法,建立了角振动陀螺机电一体系统振动仿真模型,对陀螺的结构和测控电路进行了研究。同时考虑了角振动陀螺封装的随机振动响应,确定了陀螺系统振动激励源。基于振动仿真系统模型,对陀螺对称结构和包括质心偏移、电容极板偏移和电容间距不等等非对称结构的情况进行了振动灵敏度仿真分析。经理论和仿真分析发现,振动灵敏度主要与振动强度、加工误差和振动模态频率有关。其中从加工误差的角度,质心偏移是振动灵敏度的主要来源;从振动模态角度,沿敏感方向的振动信号是振动灵敏度的主要来源。因此从振动模态的角度,对陀螺结构进行了优化。最后,通过角振动陀螺随机振动实验对分析结果进行验证。实验结果表明振动灵敏度与振动PSD近似线性关系;加工误差越大,振动灵敏度增长越明显,达到一定值会致使陀螺失效;同时优化后的陀螺结构相较于优化前的结果,振动灵敏度减少了70%,达到了预期目标,大大提高了抗振性能。


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