线振动MEMS陀螺结构振动非线性特性研究

针对一种线振动微机电系统(MEMS)陀螺结构的振动非线性开展研究,利用理论方法推导、有限元仿真和扫频数据拟合得到了陀螺结构的非线性系数,根据达芬方程推导计算出非线性迟滞效应消失的临界激励以及对应的振幅阈值,为陀螺结构设计提供了理论指导.实验结果表明:非线性迟滞效应消失点和理论值相吻合.     

振动式微机械陀螺的带宽特性分析

对振动式微机械陀螺的带宽特性进行了讨论,以设计的一种带解耦结构的振动式微机械陀螺为模型,利用数学工具软件MATLAB对其进行了带宽特性分析.分析结果表明,对于2自由度的陀螺,驱动频率的带宽不仅与驱动模态和检测模态的频率匹配有关,而且与两个模态的阻尼匹配有关.随着驱动模态和检测模态频率匹配的降低,带宽先增加然后基本保持不变.随着驱动和检测模态阻尼匹配的降低,带宽一直减小.通过实现驱动模态与检测模态的频率匹配和阻尼匹配可以获得最大机械灵敏度和最大驱动频率带宽.     

微机械陀螺振动失效机理及可靠性设计研究

高加速极限试验可快速暴露MEMS陀螺的缺陷和薄弱环节,针对复合环境应力试验的陀螺失效品,开展了详细的失效定位和机理分析,推导了引线的振动响应特性和固有模态,并提出了引线的抗振设计方法。仿真和实验结果表明,引线固有频率的理论推导模型比较精确,通过缩短引线长度可有效提高引线的固有频率和降低振动应力,从而增强其抗振能力。优化设计后陀螺可耐受频率为0~10 kHz、总均方根为30 gn的加速度随机振动。     

微机械轮式角振动陀螺气体阻尼特性研究

轮式角振动陀螺气体阻尼效应是影响其动态特性的主要因素。在充分研究轮式角振动陀螺结构特征的基础上,创建了角振动陀螺驱动模态滑膜阻尼数学解析模型,并给出了改进解析模型。利用有限差分算法求解极坐标系下雷诺方程,建立了敏感模态压膜阻尼简化分析模型。在5 Pa到105 Pa压强范围内,进行了简化分析模型计算,同时对计算结果进行了与ANSYS 仿真结果的比对。理论模型计算与仿真结果表明,敏感模态压膜阻尼是轮式角振动陀螺气体阻尼的主要产生机制。进而,从结构设计和控制电路的角度,给出了减小气体阻尼效应的有效方法。     

硅微振动陀螺的理论分析

应用欧拉动力学基本方程，对双框架结构的硅微型振动陀螺进行了理论分析，给出了完整的陀螺动力学方程，并且从灵敏度和驱动技术的角度对这种陀螺的机理作了探讨。     

新型双级解耦合微机械陀螺设计与仿真

在分析了微机械振动式陀螺机械耦合误差的基础上,提出了一种新型的双级解耦合的陀螺结构,可将驱动模态和检测模态完全隔离,以避免驱动对检测的同频干扰。通过在敏感质量和检测质量间用弹性连接来抑制和减小机械耦合误差。文中还对新结构进行有限元模拟,最后分析了系统频响。     

微机械陀螺冲击特性及可靠性研究

为了深入掌握微机械陀螺的冲击响应特性,本文进行了详细的理论推导和MATLAB仿真分析,并进行了测试验证。冲击试验结果表明,理论分析和试验结果基本一致,考虑最坏情况可知,当脉宽对应的冲击频率与陀螺固有频率越接近,并且陀螺品质因子和冲击加速度幅值越大时,则冲击带来的影响就越大,梁越容易发生断裂失效。因此要使MEMS陀螺具有较强的抗冲击能力,必须综合优化设计陀螺的真空度和固有频率。     

嵌套环式MEMS振动陀螺的静电修调算法

对于工作在n=2模态谐振结构,静电修调是一种消除频率裂解、实现模态匹配的常用方法.基于环形谐振子的刚度扰动模型,提出了一种直观而实用的修调算法.通过巧妙地近似,并将嵌套环结构的内置修调电极等效为两簇簇带负刚度的“径向弹簧”,从而将单环谐振结构的理论模型成功应用于多环嵌套结构.最后通过静电修调实验对该算法进行了验证,实现了带误差谐振子的模态匹配.实验结果表明:通过该算法频率裂解从15 Hz左右被修到0.03 Hz左右.     

硅微型振动陀螺的设计

从理论和材料力学两方面对硅微机械振动陀螺进行研究，提出了一种简化的结构模型，并介绍了这种陀螺的设计方法。     

硅微机械陀螺表头温度特性研究与测试

硅微机械陀螺目前已经能达到较高的精度,但温度的变化对它的性能有较大的影响.为了改善硅微机械陀螺的温度性能,从硅微机械陀螺的基本原理入手,通过分析及测量微机械表头的传递函数中各个参数随温度的变化规律以及它们对陀螺性能的影响,找到了影响陀螺温度性能的关键参数和改进方法,对陀螺的微结构设计和陀螺的温度补偿电路设计都有重要的指导意义.     

一种MEMS陀螺仪的标定方法研究

微机电系统(MEMS)陀螺仪的测量误差是影响微惯性导航系统精度的重要因素.为了提高微惯性导航系统的精度,提出了一种利用三轴转台完成MEMS陀螺仪的标定方法.根据MEMS陀螺仪的误差模型,设计了标定试验方案和误差模型参数的辨识方法,并通过小波阈值去噪的方法对陀螺的输出数据进行去噪处理.试验与仿真对比分析结果表明:经误差补偿和去噪后MEMS陀螺仪的测量精度提高1～2个数量级,同时验证了该标定方法的正确性、有效性.     

一种基于磁传感器的MEMS陀螺标定方法

根据微型航姿测量系统各传感器的特点,研究出了一种基于磁传感器输出的MEMS陀螺标定方法,并根据MEMS陀螺误差参数模型设计相应的补偿算法,分别对MEMS陀螺的零偏和标度因数误差进行了补偿。与传统标定方法相比,该方法实现简单,适用于现场标定。实验结果表明,该标定方法能够有效地提高MEMS陀螺测量精度,补偿后陀螺在静态条件下2分钟内,俯仰角漂移小于0.035°,倾斜角漂移小于0.15°,航向角的漂移小于0.2°。当陀螺三轴均有角速率输入时,在角速度小于25°/s情况下误差都能保持在±2°以内。     

振动环境下MEMS陀螺动态误差补偿方法

为解决微机电(micro electromechanical system,MEMS)陀螺仪在随机振动力学环境中的动态误差问题,提出一种MEMS陀螺仪动态误差的补偿方法,建立动态误差模型。通过对MEMS陀螺仪动态误差影响因素的分析,在MEMS陀螺仪静态误差模型基础上加入与振动输入相关的误差项,减小由于随机振动引入的误差,提高MEMS陀螺仪在随机振动环境下的测量精度。结合实例,对所提模型进行仿真分析,验证了其可行性和有效性。     

低成本MEMS陀螺实时滤波方法

为找到一种普遍适合低成本MEMS陀螺仪的随机误差实时处理方法,利用Allan方差分析法首先对MEMS陀螺仪进行分析,根据其误差特性进而设计了平均滤波算法以剔除粗大误差,然后使用最小二乘法,通过拟合前一段历史结果得到下一时刻输出的预测值,基于以上工作最终设计出Kalman滤波器对所输出进行滤波。由于将最小二乘法的推测作为预测过程,避免了系统状态模型难以准确建立的问题。该方法动态性能好,具有普适性。实验结果证明,该方法在静态和动态下均能有效工作,滤波后常值漂移被有效补偿,角度随机游走不再占误差的主要成分,均方差小于滤波前的十分之一。     

基于参数激励的MEMS环式陀螺驱动方法与实现

MEMS环式陀螺仪是一种基于哥氏力效应设计出的测量角速度的惯性传感器,其性能与驱动模态直接相关。因此,在传统PLL-AGC驱动控制方法中引入参数激励信号,按照参数激励法驱动陀螺仪,陀螺仪的刚度产生周期性变化,降低驱动信号从而抑制因电馈通导致的驱动端对敏感端产生的误差信号,提高陀螺仪灵敏度。对参数激励的效果进行研究,经实验表明,通过改变参数激励信号的参数,可在驱动响应稳定的前提下对驱动信号进行抑制,在实际测试中驱动信号的幅值下降22.75%。     

Dynamics and control of a MEMS angle measuring gyroscope

This paper presents an algorithm for controlling vibratory MEMS gyroscopes so that they can directly measure the rotation angle without integration of the angular rate, thus eliminating the accumulation of numerical integration errors incurred in obtaining the angle from the angular rate. The proposed control algorithm consists of a weighted energy control and a mode tuning control. The weighed energy control compensates unequal damping terms and keeps the amplitude of oscillation constant in an inertial frame by maintaining the prescribed total energy. The mode tuning control continuously tunes mismatches in spring stiffness in order to maintain a straight line of oscillation for the proof mass. The simulation results demonstrate the feasibility of the control algorithm and the viability of the concept of using a vibratory gyroscope to directly measure rotation angle.     

微机械陀螺仪模态分析

利用计算机软件对有限元法构建的微机械陀螺仪模型进行分析可以掌握其各种参数。根据静电梳状驱动结构,设计符合性能指标的陀螺仪结构,并利用有限元分析法借助ANSYS软件对陀螺仪进行模态分析,从而得出陀螺仪的驱动模态和敏感模态,为已经设计的结构提供分析和修正的参考,从而提高微机械陀螺仪设计结构的品质因数。     

MEMS gyroscope control system using a band-pass continuous-time sigma-delta modulator

This paper presents a MEMS gyroscope control system of using a high-order band-pass continuoustime sigma-delta modulator.Compared with a low-pass discrete-time sigma-delta modulator based solution,the band-pass modulator can considerably decrease the sampling frequency;moreover,the continuous-time architecture has an obvious advantage on PCB prototyping and shorter lead time of the implementation in hardware.System level simulations using MATLAB/Simulink show the proposed sixth order sigma-delta modulator can achieve a high SNR of 100 dB for an angular rate input with an amplitude of 200/s and a frequency of32 Hz.A PCB circuit implementation is simulated using Orcad/PSpice to analyze the stability,and implemented in hardware.Measurement of the power spectral density of the output bitstream reveals a noise floor of90 dBV/Hz1/2.The prototype is tested on a rate table with an angular rate input,verifying that the principle of the approach of using an electro-mechanical band-pass sigma-delta modulator control system for a MEMS gyroscope.     

高性能微机械陀螺接口电路研究

微机械陀螺输出信号非常微弱,从系统角度对其接口电路进行研究,采用闭环驱动,通过改善驱动信号稳定性及陀螺输出端接口电路,系统性能得到较大提高,改善后系统灵敏度9.8 mV/(o)·s-1,非线性度0.43%,分辨率达180°/h.