无驱动微机械陀螺敏感元件模态分析

鉴于常规微机械陀螺的驱动结构和检测结构往往需要进行频率匹配,造成带宽较窄,工艺复杂的问题,设计了一种新的微机械陀螺,安装于旋转飞行器上,利用飞行器的旋转获得角动量,敏感飞行器的偏航和俯仰横向角速度。由于没有驱动结构,所以结构简单,带宽较宽。首先基于这种巧妙的结构建立了敏感元件的振动方程。根据振动方程,扭转梁是影响质量振动模态和模态频率的关键,同时考虑到应力、残余应力的释放以及工作能力,扭转梁设计成横截面积为矩形的弧形梁,并对其抗扭刚度进行了解析推导和计算,从而确定了敏感元件的固有频率。接着利用有限元分析的方法,对其振动模态进行了仿真,仿真结果表明,敏感元件的第一模态是扭转振动,固有频率相对于解析结果的误差为9.86%。为了进一步验证,设计了静电驱动电容检测的方法,实验测试得到的谐振频率和解析值的相对误差为5.21%。仿真和实验结果与理论计算一致,表明扭转梁的设计是合理的,模态分析是正确的,而且为动态性能评估和结构优化提供了理论依据。     

基于参数激励的MEMS陀螺电馈通抑制方法

由于硅微陀螺仪材料和加工工艺以及电路上的非理想因素,驱动信号会对敏感检测端产生串扰。为抑制此种串扰,降低驱动激励幅度,采用了基于参数激励法的陀螺驱动模态激励系统。在锁相环控制中新增一个压控振荡器模块,用于输出稳幅的二倍谐振频率激励信号,即参数激励信号。将此信号与驱动激励信号一同对驱动激励电极进行激励,达到了降低刚度系数来减小驱动对敏感电馈通干扰的目的。实验结果表明,参数激励法对陀螺仪进行激励,将陀螺仪敏感输出信号幅度从141.25 m V降至38.75 m V,Allan方差零偏不稳定性从6.864 (°)/h降至4.316 (°)/h。表明了参数激励法对陀螺仪性能具有一定的提升作用。     

机抖激光陀螺方波驱动方式的谐波分析

针对方波驱动方式下机械抖动激光陀螺抖动幅度控制的问题,对机抖陀螺抖动的稳态幅度和驱动信号的维持时间之间的关系进行了研究。分析了某型机抖激光陀螺抖动机构的工作特性,通过谐波分析法证明了方波驱动波形在驱动效果上可以近似的由其一次谐波来等效进行分析,得出了方波驱动方式下抖动稳态幅度与方波驱动信号维持时间之间满足正弦函数关系的结论。分析了某型机抖激光陀螺实际驱动信号波形,证明了实际情况下上述结论的有效性;通过仿真对文中的结论进行了验证。     

旋转Rayleigh梁动力学性能的研究

采用广义Hamilton原理推导了旋转Rayleigh梁在重力作用下的运动方程, 研究了简支-简支边界条件下旋转Rayleigh梁的动态特性, 指出并证明文献中所推导的运动方程缺失了一个由离心力引起的陀螺效应项. 理论分析和数值模拟了激励频率、陀螺效应、转动惯量、长细比对涡动频率、临界速度和模态振型的影响. 结果表明, 正向涡动频率随着激励频率的增加先增加后减小, 而反向涡动频率则随着激励频率的增加一直减小; 旋转Rayleigh梁有着无限多阶正向和反向临界速度; 正向涡动频率总是大于同阶的反向涡动频率.      

提高石英音叉陀螺驱动信号稳定性的数字电路设计

石英音叉陀螺通常采用模拟解调电路,现有模拟电路驱动电路幅度稳定性不高,限制了石英音叉陀螺整机性能,可以采用数字电路提高驱动幅度稳定性。文中先讨论了驱动信号幅度影响石英音叉陀螺性能的原因;然后设计了数字电路,采用数字信号处理算法实现了数字电路闭环驱动,并对数字电路闭环驱动的自动增益控制误差进行了分析;最后,对模拟电路和数字电路的驱动幅度稳定性进行了对比测试,定温情况下,模拟电路驱动幅度稳定性的均方差为4.77×10-4V,数字电路的幅度稳定性的均方差达到8.26×10-5V,模拟电路幅度稳定性在全温范围的均方差为0.0680 V,数字电路的均方差仅为0.0006V。实验表明,数字电路的驱动信号幅度稳定性显著提高。     

基于SOPC的单轴陀螺驱动环路设计

传统的微机械陀螺驱动环路采用模拟电路来实现,为了进一步改善陀螺的性能,设计出了基于SOPC(可编程片上系统)的数字驱动环路.采用FPGA为硬件基础,架构可编程片上系统,扩展ADC、DAC、RS422及EEPROM等相关外设接口,并嵌入软核CPU来处理相关算法.软件算法包括多路信号解调、数字滤波器及多个闭环控制.详细讨论了驱动轴频率控制环路和幅度控制环路的作用及其对微机械陀螺性能的影响.针对软核CPU的性能,对整个算法进行了优化,最终在软件计算时间和资源使用上都留有一定裕度,有利于后续加入更多功能.最终的实验表明,所设计的数字系统在-40℃到+85℃范围内正常工作,满足工业级的使用要求,实际使用过程比模拟的驱动环路更加方便,实现了微机械陀螺驱动环路的数字化.     

舰载旋转机械基础冲击响应建模和数值计算

针对舰载旋转机械的水下非接触爆炸冲击动力学响应问题,提出了一种基础冲击转子-轴承系统建模理论.结合牛顿运动定理、动量矩定理和Timoshenko梁理论,推导出了系统动力学微分方程,方程综合考虑了转子的旋转惯性力、剪切力、陀螺效应、轴向力、轴向扭矩以及轴承的油膜力.通过在时间域和空间域分别采用直接积分法和Galerkin...     

提高载体驱动硅微陀螺灵敏度的方法

载体驱动硅微陀螺是一种利用体微工艺制备的新型电容式振动MEMS陀螺,它安装于旋转飞行器上,利用载体的自旋作为驱动。当载体发生横向转动时,敏感质量受到周期性科氏力的作用,产生振动,从而敏感输入角速度。针对该种MEMS陀螺,首先介绍了陀螺的工作原理和电容式检测结构,然后详细分析了差分电容与敏感质量偏转角之间的关系,最后提出了一种通过调节电容拾取电路的脉冲信号的占空比,来提高陀螺灵敏度的方法。实验测试结果表明,当占空比由50%调整到75%时,相应输出电压峰峰值可由10.7 V提高到13.1 V,提高幅度达22.43%。理论分析和实验结果均表明,该方法可简便有效地提高陀螺灵敏度,具有实际应用价值。     

MEMS陀螺仪结构模型及系统仿真

为了减小MEMS陀螺仪的正交误差,进一步提高陀螺精度,在Simulink环境中对陀螺结构和测控系统进行了建模和仿真。首先在理想状态的陀螺结构模型基础上建立了包含机械热噪声、模态间耦合等非理想因素的结构模型,并给出了陀螺结构的相关设计参数。其次在陀螺结构模型上以自激振荡和AGC控制技术为基础设计了驱动回路,该回路可在短时间内将驱动幅度稳定在10μm,且驱动频率为4048 Hz（驱动模态的谐振频率）。然后分析了模态间耦合信号的作用方式并建立了正交校正和检测闭环力反馈回路,仿真结果显示,在全闭环状态下检测模态所受耦合力的幅度比未校正状态下降了5个数量级,等效输入角速度也从205(°)/s下降到了6.58(°)/h。最后对陀螺模型进行了整体测试,得到其标度因数和阈值分别为21.76 mV/(°)/s和0.002(°)/s。     

旋转中心刚体-FGM梁刚柔热耦合动力学特性研究

对旋转中心刚体-功能梯度材料(functionally graded material,FGM)梁刚柔热耦合动力学特性进行研究.FGM梁为物理性能参数沿厚度方向呈幂律分布的欧拉伯努利梁.考虑柔性梁的横向弯曲变形和轴向拉伸变形, 并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合变形量.考虑变截面空心梁在外部高温、内冷通道冷却情况下的热力耦合对系统动力学特性的影响,求解得到FGM梁沿厚度方向分布的温度场, 进而在本构关系中计入热应变.采用假设模态法对柔性梁变形场进行离散,运用第二类拉格朗日方程推导得到系统的刚柔热耦合动力学方程,并编制动力学仿真软件, 然后通过仿真算例对系统的动力学问题进行研究.结果表明:不同截面梁动力学响应差异较大, 因此需对实际系统合理建模;大范围运动已知时, 考虑热冲击载荷的FGM梁将有效抑制横向弯曲变形,而大范围运动恒定时随热冲击的叠加会出现高频振荡; 大范围运动未知时,外力矩和热冲击载荷相互作用产生热力耦合效应, 导致系统呈现高频振荡,同时与中心刚体大范围旋转运动产生刚柔热耦合效应.      

大学物理《力学》中的自由度分析

对《力学》中的物体自由度进行多方面分析,以深化教学、提高学生正 确分析物理问题的能力.使用实际教学分析的研究方法,在《力学》范围内讨论自由度与坐标、 自由与约束的关系并得以下结论: (1) 同一物体的自由度随其所在的``空间'不同而不同, 不因坐标系的选取不同而 异, 在同类参考系中不因参考系的动静而有别;(2)自由度遵循叠加原理. 讨论了质点系的总自由度及相关计算问题,并指出研究《力学》中自由度的意义.     

Development and design of new methods of measurement of state of strain of structures

The present paper deals with development and design of new methods utilizing Wiedemann's effect for determination of state of strain in building structures. Wiedemann's effect and some features of torsional strain of magnetic field are the basis of new experimental method. Especially the point electromagnetic strain gages using the effect of pure torsion of electromagnetic field to enable universal examination. For strain-gage measurements, almost all physical quantities are used which can be related to the variation in length of the structures. From the electric strain measurements, the most commonly used methods are the measurements by resonance-wire strain gages or by electric-resistance strain gages. In this paper, electromagnetic strain gages are discussed using the Wiedemann effect, and the author describes some new measuring equipment and his own suggestions and methods based on an application of this effect.     

Calculation of aerodynamic characteristics of arrays of profiles of arbitrary shape

It is well known that the problem on nonseparating potential flow of an incompressible fluid about an array of profiles reduces to an integral equation for a certain real function, determined on the contours of the profiles of the array. As such a function one can take, as was done, for instance, in [1–5], the relative velocity of the fluid on the profiles of the array. For arrays of profiles of arbitrary shape it is necessary to solve the corresponding integral equation numerically. In the particular examples of the calculation of aerodynamic arrays that are available [1–3] the numerical methods used were based on the approximate evaluation of contour integrals by rectangle formulas. As investigations showed, sizeable errors arose thereby in the approximate solution obtained, these being especially significant in the case of curved profiles of relatively small bulk. In the present paper a method for the numerical solution of the integral equation obtained in [5] is proposed. The method is based on the replacement of a profile of the array with an inscribed N polygon, the length of whose sides is of the order N^–1 and whose internal angles are close to . Convergence with increasing N of the numerical solution to an exact solution of the integral equations at the reference points is demonstrated. Examples of the calculation are given.Novosibirsk. Translated from Izvestiya Akademii Nauk SSSR. Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No. 2, pp. 105–112, March–April, 1972.