硅微機械諧振式陀螺儀設計技術研究.pdf

1、近年來，硅微機械陀螺因其廣泛的軍事應用背景和商業(yè)價值成為一個倍受關注的研究熱點。為提高硅微機械陀螺的性能，各國提出了各種結(jié)構(gòu)及設想，本論文在國內(nèi)首次提出了硅微機械諧振式陀螺儀的設想，并圍繞硅微機械諧振式陀螺儀的設計技術進行了一些較深入的研究與分析，探討了硅微機械陀螺儀的結(jié)構(gòu)設計，驅(qū)動檢測機理及輸出信號的檢測方案，制作了實驗樣機并進行了性能測試，基本達到設計要求。為推進我國硅微機械陀螺儀的進一步發(fā)展，為加速硅微機械陀螺技術走向市場奠定基礎

2、，本論文主要研究內(nèi)容歸納如下： 1)硅微機械諧振式陀螺儀的動力學分析本文提出一種新穎的硅微機械陀螺儀——硅微機械諧振式陀螺儀的設想。對硅微機械諧振式陀螺儀進行系統(tǒng)、深入的動力學分析，建立了陀螺質(zhì)量塊、雙終端音叉諧振器(DETF)的力學模型，對這兩種力學模型的共性及差異進行了詳細分析，指出陀螺質(zhì)量塊的驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)以及DETF的驅(qū)動模態(tài)三者的運動規(guī)律都是衰減運動和簡諧振動的復合運動；通過結(jié)構(gòu)設計，陀螺質(zhì)量塊和DETF可同時以不

3、同的驅(qū)動頻率驅(qū)動且其相互干擾在一定條件下可忽略不計，并通過有限元仿真驗證了這一點；為獨立設計陀螺質(zhì)量塊及DETF奠定了理論基礎。 2)微機械杠桿的理論分析國內(nèi)首次提出對微機械杠桿的理論分析。對微機械杠桿來說，“點”的概念已不存在，要用輸入梁、輸出梁、支點梁的概念進行分析；經(jīng)分析得到：1)微機械杠桿的放大倍數(shù)小于理想值，并推導出微機械杠桿的放大倍數(shù)的計算公式；2)微機械杠桿的放大倍數(shù)與支點梁、輸出梁的長度、寬度有關，與支點的位置有

4、關。 對輸出端接DETF的微機械杠桿結(jié)構(gòu)進行分析，求出微機械杠桿輸出梁軸向彈性系數(shù)的表達式；在設計中結(jié)合具體實例驗證了微機械杠桿的放大倍數(shù)小于理論值以及調(diào)節(jié)支點梁寬度可以改變微機械杠桿的放大倍數(shù)的結(jié)論。 3)硅微機械諧振式陀螺儀的驅(qū)動機理分析詳細分析了陀螺質(zhì)量塊和DETF的驅(qū)動機理，首先分析了梳齒電容驅(qū)動時，靜電驅(qū)動力與梳齒電容結(jié)構(gòu)參數(shù)的關系，給出了可以忽略梳齒電容的邊緣效應和非線性效應的條件；對基波激勵和諧波激勵兩種激

5、勵方式進行比較，認為獲得大的穩(wěn)幅直流電壓比較容易，所以采用基頻激勵是較好的選擇；并指出在結(jié)構(gòu)設計中，要避免頻率等于驅(qū)動模態(tài)固有頻率的二倍的模態(tài)出現(xiàn)。 對單邊驅(qū)動及雙邊驅(qū)動兩種方式進行了詳細的討論，指出雙邊驅(qū)動可以減小干擾，但對于DETF來說，只能采用單邊驅(qū)動。 同時對陀螺質(zhì)量塊的哥氏力輸出及制約它的因數(shù)進行了討論，對可能存在的非線性因數(shù)作了詳細的分析，指出非線性引起的彈性系數(shù)偏差是極小的，但在諧振頻率附近驅(qū)動時可能對諧振

6、信號的輸出產(chǎn)生較大影響，實驗結(jié)果也顯示當交流驅(qū)動電壓幅度增加時輸出諧振頻率的峰值點發(fā)生漂移。 4)硅微機械諧振式陀螺儀的檢測機理分析對微機械諧振式陀螺儀的檢測原理進行了深入的研究，從力學模型出發(fā)，推導了微機械諧振器DETF受軸向力后的動力學方程，通過分離變量，得到了DETF諧振器的固有頻率與外加軸向力關系的一般表達式，并指出在外加軸向力很小時，DETF輸出諧振頻率與外加軸向力成線性關系。通過對整個硅微機械諧振式陀螺儀的信號分析，

7、求出利用DETF的輸出諧振頻率測量外加軸向力的線性關系表達式及其誤差計算公式。并通過仿真實驗驗證了在外加軸向力很小時，DETF輸出諧振頻率與外加軸向力成線性關系的結(jié)論。對DETF兩端受按正弦規(guī)律變化的軸向力時的動力學方程進行分析，首次將窄帶調(diào)頻技術的理論運用于硅微機械諧振式陀螺分析中，并在外加軸向力很小的條件下求出方程的解，指出DETF的輸出頻率是在其諧振頻率左右擺動，其擺動幅度(即最大頻偏)正比于外加軸向力的幅度，且與外加軸向力的頻率

8、無關。 在對整個硅微機械諧振式陀螺分析的基礎上，求出了硅微機械諧振式陀螺的標度因數(shù)計算公式，從理論上確立了硅微機械諧振式陀螺實現(xiàn)的可能性，為實驗樣機的設計制作打下了理論基礎。 5)硅微機械諧振式陀螺儀的輸出特性研究提出將硅微機械諧振式陀螺及其驅(qū)動檢測電路作為一個整體進行研究。從一個端口入手，最終推導出多輸入輸出端口微機械振動系統(tǒng)的交流小信號等效電路模型，并針對陀螺質(zhì)量塊振蕩器和DETF振蕩器的各自特點進行分析，得到結(jié)論是

9、：無論是雙邊驅(qū)動還是單邊驅(qū)動，減小交流驅(qū)動電壓幅度可以有效地降低干擾，并對如何提高輸出信號幅度進行了討論。 首次設計了多種測試硅微機械諧振式陀螺特性的方案并給出各種方案中輸出信號的理論計算公式，對輸出信號的幅度頻率進行估算，為實際測試電路的設計打下理論基礎。 由于理論分析得出硅微機械諧振式陀螺的輸出信號十分微弱，故對微弱信號的測量進行探討，提出采用T型網(wǎng)絡電路方法并運用計算機輔助設計方法對電路進行了設計和仿真，最后制作了