高灵敏度圆柱壳体振动陀螺的研究

灵敏度是陀螺的重要性能指标,灵敏度的提高可以直接带动精度提高,同时可以拓展陀螺的应用范围。影响圆柱壳体振动陀螺灵敏度的因素很多,本文通过考虑了科里奥利效应(Coriolis effect)的ANSYS谐响应分析,提取产生陀螺效应的圆柱壳体振动陀螺的输出位移,通过比较不同形状谐振子相同激励条件下的输出位移大小来反映灵敏度的大小。采用这种方法分别研究谐振子的各项参数对于陀螺灵敏度的影响规律,并基于仿真结果设计了高灵敏度的参数优化圆柱壳体振动陀螺谐振子,通过实验验证了该谐振子的高灵敏度。     

一种轴对称变厚度振动陀螺谐振子的振动特性研究

谐振子是振动陀螺的核心敏感元件。振子的结构特征对振动陀螺的性能具有决定作用。本文研究一种轴对称变厚度振动陀螺谐振子的结构特点及工作原理,建立谐振子的有限元模型,分析结构参数对振子振动特性的影响规律。在理论分析之上,提出一组合理的谐振子的结构参数。     

基于阶梯掩膜腐蚀的圆柱壳体振动陀螺谐振子的亚表面残余应力测试与分析

圆柱壳体振动陀螺是一种具有较高精度的金属振动陀螺,陀螺谐振子表面经过加工后会留下残余应力,对其性能影响较大。但目前国内外对圆柱壳体振动陀螺的表面和亚表面应力情况还缺乏深入的研究,针对圆柱壳体振动陀螺振动器件谐振子的几何结构和加工工艺特点进行研究,建立了谐振子切削加工的仿真模型,仿真分析了谐振子的亚表面残余应力的分布规律,并提出一种阶梯掩膜化学腐蚀的方法,对亚表面残余应力进行测试和分析,获得谐振子亚表面应力的分布规律,对实现谐振子的低应力制造和降低残余应力对圆柱壳体振动陀螺零偏稳定性的影响具有较好的指导意义。     

半球谐振子振动特性批量化测试技术

半球谐振子是半球谐振陀螺的核心部件,其振动性能测试贯穿生产加工、调平和装配整个过程,是半球谐振陀螺制造必不可少的环节,特别是对于高精度半球谐振陀螺,其谐振子具备高Q值低频率裂解的特性,需要高效率、批量化的测试手段,以满足半球谐振陀螺批量生产的需求。为解决谐振子批量化测试问题,首先,介绍了半球谐振子的工作原理,仿真分析了谐振子振动特性和表征方法;其次,针对半球谐振陀螺谐振子振动特性测试问题,提出了基于波动特性原理的振动特性测试方法;最后,根据所提出的振动特性的测试方法,设计了单腔室多工位谐振子振动特性批量化测试平台和工艺,采用激光测振仪进行振动信号的采集,完成了谐振子振动特性的检测,极大地提高了测试效率,满足半球谐振陀螺批量生产的要求。     

基于MEMS声传感器的圆柱壳体振动陀螺振型检测技术

振动陀螺谐振子振型一般采用激光进行非接触式测量,这种方法存在设备成本高、操作复杂、效率低等问题,因此,提出了一种基于MEMS声传感器的圆柱壳体振动陀螺谐振子振型测试方法。该方法利用体积小,指向性高的MEMS声传感器对谐振子振动声场进行高分辨率测量,获得精确的谐振子振动分布情况,建立了谐振子声波测试实验系统,进行了测试实验,并与激光测振仪的测量结果进行比对。实验结果表明,该测试系统具有较高的振型测量精度。这种测试方法成本低,操作简便,测量精度高,可以实现谐振子振型的高精度快速测量,为后续的谐振子修形及陀螺控制提供重要基础。     

基于钎焊的MEMS陀螺真空封装设计与实验研究

对于线振动硅微机电系统(MEMS)陀螺,真空封装是减小其振动阻尼、提高振动品质因数,进而提高性能的一种有效的措施。设计了一种基于钎焊的硅MEMS陀螺真空封装方案,该方案因不采用吸气剂,故可实现真空度可控。理论计算表明:该封装形式可以保持1 Pa以下的真空度;经过对真空封装后的陀螺实验测试结果表明:设计的陀螺驱动轴品质因数为1500,实际封装后的陀螺驱动轴品质因数为1700,满足真空度设计目标。经过对封装后的陀螺品质因数进行186 d的跟踪测试,品质因数基本保持不变,验证了该真空封装方案的可靠性。     

基于厚度剪切振动的压电圆盘微陀螺的制作和分析

基于面内振动模态工作的圆盘陀螺在利用压电方式驱动和检测时,需要在圆盘振动体侧壁上加工压电换能器,很难由MEMS工艺实现.为实现压电圆盘陀螺的小型化,设计制作了一种直接由压电材料作为振动体,基于厚度剪切振动模态工作的新型压电圆盘微陀螺.厚度剪切振动模态使得陀螺可以通过在压电基片上下表面制作金属电极的MEMS工艺进行加工.通过对加工出的陀螺器件进行阻抗分析发现加工出的陀螺具有良好的对称性,基于阻抗分析得到的品质因数通过有限元分析可知,陀螺可实现高灵敏度、低非线性度、大量程、低角速度耦合误差等性能.     

杯形陀螺压电片粘结胶层对谐振子振动特性的影响规律研究

针对杯形陀螺上压电陶瓷的粘胶问题,本文建立了基底一胶层一压电片层压板有限元模型,通过Ansys软件对模型进行仿真和分析,并对分析结果进行实验验证.重点研究了粘胶层厚度、材料特性、以及胶层中有缺陷等因素对谐振子的Q值、输出增益、频率裂解的影响.结果表明:粘胶层对谐振子的谐振频率影响不大,减小胶层厚度、保证胶层弹性模量在一...     

金属壳谐振陀螺研究进展

金属壳谐振陀螺是振动陀螺的一个重要分支,其敏感结构为金属制成的壳体,称为金属谐振子,当谐振子随载体旋转时,哥氏效应引起敏感结构振型的"移动"是其对"旋转"敏感的基本表现形式.金属壳谐振陀螺不仅具有传统陀螺的惯性品质,而且具有能够抗高过载、量程大的特点,这是其他类型陀螺所不具备的.本文综述了金属壳谐振陀螺的研究进展,从设计思想、理论建模、结构设计、信号处理等方面进行了讨论,并指出了金属壳谐振陀螺的发展趋势.     

嵌套环式MEMS陀螺频率裂解与品质因数研究

频率裂解和品质因数是制约MEMS陀螺准确度的关键因素。本文以嵌套环式MEMS陀螺为研究对象，以降低频率裂解与提高品质因数为目的，开展频率裂解与品质因数仿真研究。针对频率裂解问题，提出一种转轴偏心修调方法，建立ANSYS模态分析仿真模型，解析转轴偏心参数对模态振型的影响机制，明确频率裂解变化规律；针对品质因数问题，聚焦空气阻尼及热弹性阻尼损耗的影响机理，明确低压强、多谐振环数、薄谐振环、小锚点会有效提高陀螺品质因数。此外，对比仿真与Zener理论模型，说明仿真模型有效性。以上研究有效揭示嵌套环式MEMS陀螺频率裂解和品质因数的变化规律，为MEMS陀螺准确度的提高提供研究基础。     

一种新型谐振式MOEMS陀螺的设计及分析

提出一种新型的利用空间光路敏感Sagnac效应的谐振式MOEMS陀螺,设计了利用微镜构成的光学谐振腔.此结构具有小型化优势,可利用MOEMS工艺进行加工.理论分析了光源及谐振腔参数对陀螺基本探测极限的影响,指导参数设计,得到陀螺的极限灵敏度为1.54°/h.通过模式匹配理论对谐振腔型式进行了改进,减小了谐振腔损耗.进行了谐振腔原理验证实验,观察到谐振曲线.最后对微谐振腔的加工工艺进行了讨论.     

金属多环振动盘MEMS微陀螺及其微加工工艺

基于硅基振动盘微陀螺采用金属材料作为振子,提出了一种金属结构多环振动盘MEMS微陀螺,通过使用电镀工艺,实现了金属结构多环振动盘微陀螺的低成本低温加工方法.通过研究振动盘式微陀螺的工作原理及检测和驱动方法,设计了多环振动盘微陀螺的结构.使用有限元方法对陀螺金属振子进行了动力学仿真,验证了金属结构多环振动盘陀螺的可行性,并对微陀螺的加工工艺流程进行了微加工制作,获得了微陀螺芯片.研究解决了实现金属结构多环振动盘微陀螺的关键技术.     

微型半球谐振陀螺仪谐振体振动特性研究

半球壳谐振体是微型半球谐振陀螺的敏感部件。应用有限元方法对半球谐振体进行振动特性分析,得出一种计算其质量和刚度矩阵的方法,并通过M athem atica软件计算出各阶固有频率;同时,应用ANSYS软件,分析谐振体的各阶振型和固有频率与半球壳半径、厚度及固定角之间的关系。在理论分析的基础之上,提出了对于半球壳谐振体的结构设计的合理建议。     

光波导陀螺谐振腔谐振特性研究

光波导陀螺谐振腔特性是光波导陀螺谐振腔设计和制备中的关键因素.从多光束干涉的基本原理出发,推导了集成光波导陀螺谐振腔一般谐振过程中,谐振环光强和输出光强表达式.确定了谐振条件和最佳匹配条件,分析了谐振腔的谐振特性.推导了最佳匹配条件以及非最佳匹配条件下,谐振腔内光强幅值表达式,并研究了两种情况下光强幅值的相互关系.     

Study of dynamic characteristics of resonators for MEMS resonant vibratory gyroscopes

Dynamic characteristics of resonators for MEMS resonant vibratory gyroscopes are studied in this paper. Firstly, a small parameter method is introduced to analyze the dynamic characteristic stability of the resonator. It is proved that geometrical parameters of the resonator have to be regulated to match corresponding stability analysis. In order to verify the rationality of the theoretical parameters design, static calibration experiment is built using a resonator sample. It is concluded from the calibrated result that the error between theory design and experiment is 0.03?%, which shows they have a good match, and the design of resonator is reasonable. Moreover, the method of small parameter perturbation is considered to analyze the input–output dynamic characteristic. Under some transformations, which make input angular velocity and output resonant frequency shift possess a good linear relationship. In order to verify the correctness of the theory analysis method, dynamic frequency output characteristic experiment is built using the resonant vibratory gyroscope sample. It is concluded from the dynamic measurement result that the correlation coefficient of output fitted curve is 99.95?%, the measured algorithm scale factor of the gyroscope sample is 0.2116, which prove theoretical analyzing approach is feasible.     

Air damping in laterally oscillating microresonators: a numerical and experimental study

In this paper, we investigate computing air damping in a comb-drive resonator by numerically solving the three-dimensional (3-D) Stokes equation for the entire resonator using the FastStokes Solver. In addition, we used a recently developed computer microvision system to directly measure resonator frequency response. By comparing the measured results to those generated by one dimensional analytic models and by numerical solution of the 3-D Stokes' equation, we demonstrate that numerically solving the Stokes' equation is fast and also generates a model that matches quality the factor to within 10%. We also show that results based on one-dimensional (1-D) models mispredict quality factor by more than a factor of two. In addition, the detailed drag force distribution generated by the FastStokes solver is used to identify sources of errors in the 1-D models.     

一种测量微波高Q谐振腔品质因数的新方法

传统的谐振腔品质因数扫频测量方法在实际测量时存在一定的限制.为此,针对微波高Q谐振腔,给出了一种测量其品质因数的新方法,该方法可以根据实测的谐振曲线灵活选取测量点,有效解决了传统方法中由于谐振腔受外电路影响导致测量误差较大的问题.采用该方法对一个微波高Q谐振腔进行测量,得到了较好的结果.     

双自由度双解耦陀螺的结构设计与仿真

设计了一种新颖的陀螺结构,该结构采用双自由度设计增大检测带宽,并缓解了品质因数对陀螺灵敏度的影响;采用了双级解耦的结构设计,减小了驱动模态的同频耦合干扰.文中对结构进行了电学模型建模,并进行了相应的时域和频域分析.