硅微機(jī)械諧振式陀螺儀設(shè)計(jì)技術(shù)研究.pdf

1、近年來，硅微機(jī)械陀螺因其廣泛的軍事應(yīng)用背景和商業(yè)價(jià)值成為一個(gè)倍受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。為提高硅微機(jī)械陀螺的性能，各國提出了各種結(jié)構(gòu)及設(shè)想，本論文在國內(nèi)首次提出了硅微機(jī)械諧振式陀螺儀的設(shè)想，并圍繞硅微機(jī)械諧振式陀螺儀的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了一些較深入的研究與分析，探討了硅微機(jī)械陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)檢測機(jī)理及輸出信號(hào)的檢測方案，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了性能測試，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為推進(jìn)我國硅微機(jī)械陀螺儀的進(jìn)一步發(fā)展，為加速硅微機(jī)械陀螺技術(shù)走向市場奠定基礎(chǔ)

2、，本論文主要研究內(nèi)容歸納如下： 1)硅微機(jī)械諧振式陀螺儀的動(dòng)力學(xué)分析本文提出一種新穎的硅微機(jī)械陀螺儀——硅微機(jī)械諧振式陀螺儀的設(shè)想。對(duì)硅微機(jī)械諧振式陀螺儀進(jìn)行系統(tǒng)、深入的動(dòng)力學(xué)分析，建立了陀螺質(zhì)量塊、雙終端音叉諧振器(DETF)的力學(xué)模型，對(duì)這兩種力學(xué)模型的共性及差異進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出陀螺質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測模態(tài)以及DETF的驅(qū)動(dòng)模態(tài)三者的運(yùn)動(dòng)規(guī)律都是衰減運(yùn)動(dòng)和簡諧振動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)；通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，陀螺質(zhì)量塊和DETF可同時(shí)以不

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

4、關(guān)。 對(duì)輸出端接DETF的微機(jī)械杠桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，求出微機(jī)械杠桿輸出梁軸向彈性系數(shù)的表達(dá)式；在設(shè)計(jì)中結(jié)合具體實(shí)例驗(yàn)證了微機(jī)械杠桿的放大倍數(shù)小于理論值以及調(diào)節(jié)支點(diǎn)梁寬度可以改變微機(jī)械杠桿的放大倍數(shù)的結(jié)論。 3)硅微機(jī)械諧振式陀螺儀的驅(qū)動(dòng)機(jī)理分析詳細(xì)分析了陀螺質(zhì)量塊和DETF的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，首先分析了梳齒電容驅(qū)動(dòng)時(shí)，靜電驅(qū)動(dòng)力與梳齒電容結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，給出了可以忽略梳齒電容的邊緣效應(yīng)和非線性效應(yīng)的條件；對(duì)基波激勵(lì)和諧波激勵(lì)兩種激

5、勵(lì)方式進(jìn)行比較，認(rèn)為獲得大的穩(wěn)幅直流電壓比較容易，所以采用基頻激勵(lì)是較好的選擇；并指出在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要避免頻率等于驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率的二倍的模態(tài)出現(xiàn)。 對(duì)單邊驅(qū)動(dòng)及雙邊驅(qū)動(dòng)兩種方式進(jìn)行了詳細(xì)的討論，指出雙邊驅(qū)動(dòng)可以減小干擾，但對(duì)于DETF來說，只能采用單邊驅(qū)動(dòng)。 同時(shí)對(duì)陀螺質(zhì)量塊的哥氏力輸出及制約它的因數(shù)進(jìn)行了討論，對(duì)可能存在的非線性因數(shù)作了詳細(xì)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(dòng)時(shí)可能對(duì)諧振

6、信號(hào)的輸出產(chǎn)生較大影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示當(dāng)交流驅(qū)動(dòng)電壓幅度增加時(shí)輸出諧振頻率的峰值點(diǎn)發(fā)生漂移。 4)硅微機(jī)械諧振式陀螺儀的檢測機(jī)理分析對(duì)微機(jī)械諧振式陀螺儀的檢測原理進(jìn)行了深入的研究，從力學(xué)模型出發(fā)，推導(dǎo)了微機(jī)械諧振器DETF受軸向力后的動(dòng)力學(xué)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(guān)系的一般表達(dá)式，并指出在外加軸向力很小時(shí)，DETF輸出諧振頻率與外加軸向力成線性關(guān)系。通過對(duì)整個(gè)硅微機(jī)械諧振式陀螺儀的信號(hào)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(guān)系表達(dá)式及其誤差計(jì)算公式。并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在外加軸向力很小時(shí)，DETF輸出諧振頻率與外加軸向力成線性關(guān)系的結(jié)論。對(duì)DETF兩端受按正弦規(guī)律變化的軸向力時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行分析，首次將窄帶調(diào)頻技術(shù)的理論運(yùn)用于硅微機(jī)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(dòng)，其擺動(dòng)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(guān)。 在對(duì)整個(gè)硅微機(jī)械諧振式陀螺分析的基礎(chǔ)上，求出了硅微機(jī)械諧振式陀螺的標(biāo)度因數(shù)計(jì)算公式，從理論上確立了硅微機(jī)械諧振式陀螺實(shí)現(xiàn)的可能性，為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)制作打下了理論基礎(chǔ)。 5)硅微機(jī)械諧振式陀螺儀的輸出特性研究提出將硅微機(jī)械諧振式陀螺及其驅(qū)動(dòng)檢測電路作為一個(gè)整體進(jìn)行研究。從一個(gè)端口入手，最終推導(dǎo)出多輸入輸出端口微機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的交流小信號(hào)等效電路模型，并針對(duì)陀螺質(zhì)量塊振蕩器和DETF振蕩器的各自特點(diǎn)進(jìn)行分析，得到結(jié)論是

9、：無論是雙邊驅(qū)動(dòng)還是單邊驅(qū)動(dòng)，減小交流驅(qū)動(dòng)電壓幅度可以有效地降低干擾，并對(duì)如何提高輸出信號(hào)幅度進(jìn)行了討論。 首次設(shè)計(jì)了多種測試硅微機(jī)械諧振式陀螺特性的方案并給出各種方案中輸出信號(hào)的理論計(jì)算公式，對(duì)輸出信號(hào)的幅度頻率進(jìn)行估算，為實(shí)際測試電路的設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)。 由于理論分析得出硅微機(jī)械諧振式陀螺的輸出信號(hào)十分微弱，故對(duì)微弱信號(hào)的測量進(jìn)行探討，提出采用T型網(wǎng)絡(luò)電路方法并運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法對(duì)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，最后制作了