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原文传递硅微机械谐振式陀螺仪设计技术研究

论文题名：	硅微机械谐振式陀螺仪设计技术研究
关键词：	微机电系统;动力学方程;梳齿驱动;双终端音叉谐振器;谐振频率;微机械杠杆;窄带调频;等效电路模型;微弱信号检测
摘要：	近年来，硅微机械陀螺因其广泛的军事应用背景和商业价值成为一个倍受关注的研究热点。为提高硅微机械陀螺的性能，各国提出了各种结构及设想，本论文在国内首次提出了硅微机械谐振式陀螺仪的设想，并围绕硅微机械谐振式陀螺仪的设计技术进行了一些较深入的研究与分析，探讨了硅微机械陀螺仪的结构设计，驱动检测机理及输出信号的检测方案，制作了实验样机并进行了性能测试，基本达到设计要求。为推进我国硅微机械陀螺仪的进一步发展，为加速硅微机械陀螺技术走向市场奠定基础，本论文主要研究内容归纳如下： 1)硅微机械谐振式陀螺仪的动力学分析本文提出一种新颖的硅微机械陀螺仪——硅微机械谐振式陀螺仪的设想。对硅微机械谐振式陀螺仪进行系统、深入的动力学分析，建立了陀螺质量块、双终端音叉谐振器(DETF)的力学模型，对这两种力学模型的共性及差异进行了详细分析，指出陀螺质量块的驱动模态和检测模态以及DETF的驱动模态三者的运动规律都是衰减运动和简谐振动的复合运动；通过结构设计，陀螺质量块和DETF可同时以不同的驱动频率驱动且其相互干扰在一定条件下可忽略不计，并通过有限元仿真验证了这一点；为独立设计陀螺质量块及DETF奠定了理论基础。 2)微机械杠杆的理论分析国内首次提出对微机械杠杆的理论分析。对微机械杠杆来说，“点”的概念已不存在，要用输入梁、输出梁、支点梁的概念进行分析；经分析得到：1)微机械杠杆的放大倍数小于理想值，并推导出微机械杠杆的放大倍数的计算公式；2)微机械杠杆的放大倍数与支点梁、输出梁的长度、宽度有关，与支点的位置有关。对输出端接DETF的微机械杠杆结构进行分析，求出微机械杠杆输出梁轴向弹性系数的表达式；在设计中结合具体实例验证了微机械杠杆的放大倍数小于理论值以及调节支点梁宽度可以改变微机械杠杆的放大倍数的结论。 3)硅微机械谐振式陀螺仪的驱动机理分析详细分析了陀螺质量块和DETF的驱动机理，首先分析了梳齿电容驱动时，静电驱动力与梳齿电容结构参数的关系，给出了可以忽略梳齿电容的边缘效应和非线性效应的条件；对基波激励和谐波激励两种激励方式进行比较，认为获得大的稳幅直流电压比较容易，所以采用基频激励是较好的选择；并指出在结构设计中，要避免频率等于驱动模态固有频率的二倍的模态出现。对单边驱动及双边驱动两种方式进行了详细的讨论，指出双边驱动可以减小干扰，但对于DETF来说，只能采用单边驱动。同时对陀螺质量块的哥氏力输出及制约它的因数进行了讨论，对可能存在的非线性因数作了详细的分析，指出非线性引起的弹性系数偏差是极小的，但在谐振频率附近驱动时可能对谐振信号的输出产生较大影响，实验结果也显示当交流驱动电压幅度增加时输出谐振频率的峰值点发生漂移。 4)硅微机械谐振式陀螺仪的检测机理分析对微机械谐振式陀螺仪的检测原理进行了深入的研究，从力学模型出发，推导了微机械谐振器DETF受轴向力后的动力学方程，通过分离变量，得到了DETF谐振器的固有频率与外加轴向力关系的一般表达式，并指出在外加轴向力很小时，DETF输出谐振频率与外加轴向力成线性关系。通过对整个硅微机械谐振式陀螺仪的信号分析，求出利用DETF的输出谐振频率测量外加轴向力的线性关系表达式及其误差计算公式。并通过仿真实验验证了在外加轴向力很小时，DETF输出谐振频率与外加轴向力成线性关系的结论。对DETF两端受按正弦规律变化的轴向力时的动力学方程进行分析，首次将窄带调频技术的理论运用于硅微机械谐振式陀螺分析中，并在外加轴向力很小的条件下求出方程的解，指出DETF的输出频率是在其谐振频率左右摆动，其摆动幅度(即最大频偏)正比于外加轴向力的幅度，且与外加轴向力的频率无关。在对整个硅微机械谐振式陀螺分析的基础上，求出了硅微机械谐振式陀螺的标度因数计算公式，从理论上确立了硅微机械谐振式陀螺实现的可能性，为实验样机的设计制作打下了理论基础。 5)硅微机械谐振式陀螺仪的输出特性研究提出将硅微机械谐振式陀螺及其驱动检测电路作为一个整体进行研究。从一个端口入手，最终推导出多输入输出端口微机械振动系统的交流小信号等效电路模型，并针对陀螺质量块振荡器和DETF振荡器的各自特点进行分析，得到结论是：无论是双边驱动还是单边驱动，减小交流驱动电压幅度可以有效地降低干扰，并对如何提高输出信号幅度进行了讨论。首次设计了多种测试硅微机械谐振式陀螺特性的方案并给出各种方案中输出信号的理论计算公式，对输出信号的幅度频率进行估算，为实际测试电路的设计打下理论基础。由于理论分析得出硅微机械谐振式陀螺的输出信号十分微弱，故对微弱信号的测量进行探讨，提出采用T型网络电路方法并运用计算机辅助设计方法对电路进行了设计和仿真，最后制作了实验用的开环测试电路板，对所设计的硅微机械谐振式陀螺实验样机进行了实验验证。
作者：	朱一纶
专业：	精密仪器及机械
导师：	王寿荣
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2004
正文语种：	中文