间接连接型音叉振动式微机械陀螺的性能变异分析

以一种间接连接型音叉振动式微机械陀螺为研究对象,分析了加工误差引起的关键参数的性能变异对检测输出电容的影响。通过对这种微机械陀螺的检测原理介绍并对其动力学进行分析,获得了误差检测模型输出电容表达式。结果表明,这种微机械陀螺检测微弹性梁弹性系数的变异引起的不对称对系统输出具有较大的影响,加工中对检测微弹性梁应引起足够的重视。工作为间接连接型音叉振动式微机械陀螺加工性能的提高具有一定的参考价值。     

微机械陀螺结构形状自组织优化方法

以微机械加工技术制备的音叉振动式微机械陀螺为研究对象,提出基于元胞自动机的结构形状自组织优化方法,建立自组织形状优化的局部规则和基于最终输出的性能评价方法,实现对微陀螺结构形状的优化设计.建立微陀螺的子结构模型,在满足精度的同时缩减形状优化的计算时间,并以实例解析说明方法的有效性.形状优化结果表明,微陀螺的整体性能有大幅度提高,同时能够保持品质因子Q值很高.微机械陀螺的自组织优化方法和结果在提高解析精度和解析效率的基础上,对多物理场耦合工作环境下音叉振动式微机械陀螺的解析、设计和评价具有重要的参考价值.     

振动式微机械陀螺的等效电学模型

根据振动式微机械陀螺的工作原理,建立了其机械特性的等效电路模型。陀螺差分检测电容模型和振动的等效电路模型构成了陀螺的等效电学模型,该模拟模型组合了传感器的机械特性和电学特性。陀螺等效电学模型通过电路模拟工具PSPICE实现,可用于分析陀螺的振动特性、对角速度的频响特性,优化陀螺的工作方式;还可以与接口电路混合模拟,分析陀螺和检测电路的整体性能,优化检测电路的设计。     

音叉振动式微机械陀螺输出电容的统计特性分析

以一种通过体微机械加工技术制备的音叉振动式微机械陀螺为对象,基于随机摄动技术定量计算了微陀螺检测输出电容变异的统计特征,以概率思想表达微陀螺批量加工过程所带来的材料/尺寸随机误差对其性能的影响。所提出的影响因子这一概念反映了微陀螺参数变异对性能变异的敏感度。在详尽分析微陀螺众多参数的影响因子的基础上获得微陀螺5个最为关键的参数。有限关键参数的获得,不仅能为微陀螺的健壮性设计提供帮助,同时也能为实际微陀螺的加工控制提供量化的参考依据。     

音叉式全解耦微机电陀螺的设计与仿真

文中对严重影响微机电陀螺(简称微陀螺)灵敏度的机械耦合误差进行深层研究和分析,提出并设计了一种基于体硅制造的新型全解耦音叉式微陀螺仪。为实现新型微陀螺的驱动和检测模态完全解耦,在一定的带宽下保持较高的检测灵敏度,采用了新型敏感检测梁和对称的音叉式结构。根据微陀螺仪的实体模型建立了其动力学模型,应用两种空气阻尼模型对检测阻尼特性进行了研究和计算。通过多种固有模态的匹配仿真试验和谐响应分析,确定了新型微陀螺的检测方式和弹性梁结构参数。仿真结果显示,该新型陀螺实现了驱动和检测方向的完全独立,显著减小了机械耦合误差。     

基于振动模态的微器件结构设计评价方法

为了提高微器件的设计效率,提出一种微器件的结构新型设计评价方法。首先,根据理论分析获得微机械陀螺结构设计原则,以典型两质量块微机械陀螺为研究对象,利用有限元工具与模态分析相结合,获得该系统固有频率和相应的振型矩阵;然后,利用模态叠加法求各阶模态对于驱动振动和检测振动的贡献度,并采用能量法分析各阶模态对系统的影响;最后,针对两类音叉式微机械陀螺具体实例模型,分别获得系统各阶模态能量在频域上的分布情况,证明所提出的微结构设计评价方法的正确性。     

微机械陀螺仪的微结构分析与设计

针对基于微米技术的微机械陀螺检测功能微弱的现象,本文建立了振动轮式微机械陀螺仪的机电系统动力学模型,经对某微陀螺结构的仿真计算发现,哥氏阻尼力随激励哥氏力增大而增大,造成电容检测信号极为微弱,无论激励的幅度和频率如何,为此,本文给出了一种新型振动轮式微陀螺结构,可减小哥氏阻尼力,相对增大了激励哥氏力,这种新型结构显著增强了电容检测信号,而且具有双轴微陀螺功能,对耦合线加速度不敏感等特点。     

一种栅型结构微机械陀螺的研究

介绍了一种新型结构微机械陀螺的设计及制作。新型陀螺的驱动振动和敏感检测振动的阻尼均为滑膜阻尼，且几乎相同，惯性质量块为栅型结构，由弹性悬臂梁支撑，驱动固定电极和敏感检测固定电极位于惯性质量块下方。分析了新型陀螺的工作特性，说明了陀螺结构参数对陀螺灵敏度的影响，实验结果表明，大气状态下，新型栅结构微机械陀螺的驱动和敏感检测品质因子Q均可达到66。     

硅微机械音叉式谐振器

应用体硅微机械加工技术,制作了一种双端固定音叉式谐振器。它在音叉的两个臂上连接了梳齿电容结构,用来驱动音叉臂在硅片平面内侧向、反相振动,同时检测音叉的振动频率。当驱动力的频率等于音叉的固有频率时,音叉产生谐振。此时,检测梳齿电容输出的电流最大。用有限元方法对谐振器进行了模态分析和结构优化。音叉臂长800μm,宽5μm,梳齿电容齿长25μm,结构层厚度为80μm,在30V交流电压激励下,测得其谐振频率为25kHz。当音叉受到轴向力的作用时,音叉的固有频率会发生变化,根据这一原理,设计了谐振式加速度计。用有限元分析软件对加速度计工作情况仿真,估算其灵敏度约为2Hz/g。这种音叉式谐振器结构和工艺简单,性能可靠,成本较低,对于进一步研究微机电系统谐振器件具有重要意义。     

栅结构微机械陀螺运动特性的研究

对一种新型微机振动陀螺原型的运动特性进行了理论分析。采用差分电容信号调制解调方法测量了微机械陀螺驱动和检测模态的幅频特性。理论计算和实验结果表明,在大气状态下,该微机械陀螺驱动模态和检测模态的品质因子具有相近数值,在100左右。测量了驱动模态民激励驱动下,微机械陀螺检测模态的幅频特性,实验结果表明,在无角速度输入的情况下,微机械陀螺在驱动模态和检测模态的谐振模态的谐振频率处发生谐振。     

多传感器融合的智能车辆导航研究

为了解决单一传感器信息获取的不足,提出了一种融合视觉和超声波信息进行导航的方法,给出了从视觉信息中提取路面标志线及判断障碍物方位的算法。用D-S证据理论和模糊处理的方法将视觉分析得到的环境信息与多个超声波传感器获得的信息进行融合。算法包括了图像分割和数学形态学处理、超声系统的建模和信息的融合。仿真与实验结果表明：该方法可以有效提取出路面标志线并且信息处理和融合方法能有效判断障碍物,获得良好的避障导航效果。     

基于遗传算法的微机械陀螺的多学科设计优化

基于micro-electro-mechanical system(MEMS)技术的微机械陀螺是集传感器、致动器、检测与控制等于一体的复杂多学科交叉系统，其整体特性是各个子系统综合作用的结果。在充分考虑工艺、结构、电路、工作环境等多学科或因素的约束条件下，提出微机械陀螺的多学科概念设计模型。以陀螺的灵敏度最大为优化目标，利用遗传算法对设计模型进行全局优化，获得初步的最优设计方案，并采用有限元软件ANSYS验证优化结果的正确性。     

重力加速度计在硅微机械陀螺信号解调中的应用

硅微机械陀螺的一个重要应用是获取旋转载体的偏转方向,获取准确的旋转载体的自旋频率可以提高其解算精度.由于陀螺自身信号耦合了旋转载体做圆锥运动的频率,用其测得的自旋频率就包含了圆锥运动的频率.试验仿真了旋转载体在空间中做圆锥运动时不会对重力加速度计信号的频率产生调制作用,因此可以用重力加速度计测旋转载体的自旋频率,相对误差仅为1.25%;以地面作为参考坐标系,重力加速度计信号为参照信号,比较陀螺信号和重力加速度计信号的相位差,再减去相位差中含有的滞后值,进而可以计算旋转载体在空间中实际偏转方向.重力加速度计信号还可以确定旋转载体的舵相对地面坐标系的旋转角度.     

Design and simulation of a tuning fork micromachined gyroscope with slide film damping

1Introduction Micromachinedgyroscopeshaveattracted lotsofattentionduringthepastseveralyears duetotheirsmallsize,lowcost,massproduc tionandeasyintegrationwithelectronics[12].It isveryimprotantforaeronautics,astronautics,automobilesandmilitaryapplicationtodevelop micromachinedgyroscopewithhighperform ance.Allvibratorygyroscopesarebasedonthe transferofenergybetweentwovibrationmodes ofastructurecausedbyCoriolisacceleration.A numberofgyroscopes,includingtuningforks,vi bratingbeamsandvibtatingshell…     

温度对无驱动结构硅微机械陀螺信号相位差的影响

在旋转载体用硅微机械陀螺的信号解调中,陀螺与加速度计信号的相位差起到至关重要的作用,必须考虑温度对陀螺与加速度计信号相位差的影响,以及温度对陀螺输出的影响.通过测试加速度计温度特性及陀螺温度特性,并将二者进行比较,研究了温度对陀螺与加速度信号的相位差的影响,证实温度对陀螺输出影响很小,温度对硅微机械陀螺的信号相位差影响很小.     

An improved dynamic model of tuning fork probe for scanning probe microscopy

This paper presents a two coupled oscillators model to describe the dynamics of a tuning fork with a probe attached. The two coupled oscillators are unbalanced only in their effective masses and the damping ratios. By applying a frequency domain system identification approach in experimental investigation of various probe attachment cases, a good accuracy of the model is demonstrated. The effectiveness of the model is further demonstrated in quantitative analysis of the noise performance and the sensitivity of force sensing with a tuning fork probe. Compared with existing models, the proposed model can more accurately characterize the dynamics of a tuning fork probe.     

磁流体动力学陀螺仪的结构设计与实验研究

磁流体动力学陀螺仪不存在传统陀螺仪的机械磨损和光学陀螺仪寿命易受光学器件制约的缺点,因而具有高精度、宽频带、长寿命的特点,此外还具有抗冲击、体积小、重量轻等综合性能。该传感器不但在惯性导航中表现优异,同时在卫星微角振动测量及寻北等领域也具有广阔的应用前景。通过对磁流体动力学陀螺仪基本工作原理进行简要分析,对简化模型进行了推导,并提出一种磁流体动力学陀螺仪的结构设计方法;对磁路进行仿真,获得工作间隙处磁感应强度分布,并代入磁流体仿真环节;对流动进行仿真,同时对样机进行标定实验,可得出标定过程的仿真与实验间差值的平方和均值的开方为5.69 m V,非线性度为0.6%,表明通过研究导电流体的流动过程进而分析该陀螺仪的性能是十分必要的,并证明了磁流体动力学陀螺仪具有良好的发展前景。     

利用负刚度效应调谐的硅调谐式陀螺仪

为了验证硅调谐式陀螺仪原理的可行性,研究了硅调谐式陀螺仪的调谐机理,硅转子运动模态和加工工艺以及信号检测与再平衡控制回路。提出了一种利用力矩器的负刚度效应来实现硅调谐式陀螺仪调谐的新方法,推导了静电负刚度调谐的理论公式;设计、仿真、加工了硅薄片式转子平衡环部件和电容器极板,给出了电容信号敏感接口电路、升压放大电路、反馈校正电路和再平衡控制回路。在此基础上,实现了硅调谐式陀螺仪原理样机。试验结果证实,利用负刚度效应调谐是可行的,接口电路和再平衡控制回路设计是合理的。初步性能测试表明,硅调谐式陀螺仪可实现标度因数为1.42mV/((°)/s),标度因数非线性为2.47%,量程为±200(°)/s。试验结果验证了该陀螺仪基本原理的可行性。