諧振式陀螺儀研究報(bào)告

1、諧振式陀螺儀研究報(bào)告 諧振式陀螺儀研究報(bào)告MEMS陀螺儀利用科里奧利力旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力。在空間設(shè)立動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系,如右圖。用以下方程計(jì)算加速度可以得到三項(xiàng)，分別來(lái)自徑向加速、科里奧利加速度和向心加速度。諧振式陀螺儀研究報(bào)告如果物體在圓盤(pán)上沒(méi)有徑向運(yùn)動(dòng)，科里奧利力就不會(huì)產(chǎn)生。因此，在MEMS陀螺儀的設(shè)計(jì)上，這個(gè)物體被驅(qū)動(dòng)，不停地來(lái)回做徑向運(yùn)動(dòng)或者震蕩，與此對(duì)應(yīng)的科里奧利力就是不停地在橫向來(lái)回變化，并有可能使物體在橫向作微小震蕩，相位正好與驅(qū)動(dòng)力差90度。MEMS陀螺儀通常有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板,如圖。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運(yùn)動(dòng)（有點(diǎn)象加速度計(jì)中的自測(cè)試模式），橫向

2、的電容板測(cè)量由于橫向科里奧利運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的電容變化（就象加速度計(jì)測(cè)量加速度）。因?yàn)榭评飱W利力正比于角速度，所以由電容的變化可以計(jì)算出角速度。諧振式陀螺儀研究報(bào)告絕大多數(shù)MEMS陀螺儀依賴(lài)于由相互正交的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)引起的交變科里奧利力。振動(dòng)物體被柔軟的彈性結(jié)構(gòu)懸掛在基底之上。整體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是二維彈性阻尼系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)誘導(dǎo)的科里奧利力把正比于角速度的能量轉(zhuǎn)移到傳感模式，如圖。諧振式陀螺儀研究報(bào)告一般的微機(jī)械陀螺儀由梳子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分和電容板形狀的傳感部分組成。有的設(shè)計(jì)還帶有去驅(qū)動(dòng)和傳感耦合的結(jié)構(gòu)。諧振式陀螺儀研究報(bào)告 目前, 世界上許多研究單位、公司都在結(jié)合自己國(guó)內(nèi)的加工手段及信號(hào)檢測(cè)措施

3、對(duì)微機(jī)械陀螺展開(kāi)研究。微機(jī)械陀螺的種類(lèi)很多, 按驅(qū)動(dòng)方式可分為靜電驅(qū)動(dòng)陀螺、電磁驅(qū)動(dòng)陀螺和壓電驅(qū)動(dòng)陀螺等;按檢測(cè)方式可分成電容式陀螺、諧振式陀螺、壓阻式陀螺、壓電式陀螺、光學(xué)陀螺和隧道陀螺等。相比于其他類(lèi)型的微機(jī)械陀螺, 諧振式微機(jī)械陀螺具有高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn), 其準(zhǔn)數(shù)字輸出也使其更易于與數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)集成。諧振式陀螺儀研究報(bào)告微機(jī)械諧振式陀螺儀的結(jié)構(gòu)主要分成 3大塊: 陀螺質(zhì)量塊、杠桿傳遞部分和諧振器。其中,陀螺質(zhì)量塊用于敏感輸入角速度,杠桿傳遞部分是用來(lái)放大哥氏(Coriolis)力,諧振器主要是把陀螺質(zhì)量塊輸出給它的軸向哥氏力轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的頻率輸出。諧振式陀螺儀研究報(bào)告 美國(guó)研究

4、現(xiàn)狀 日本研究現(xiàn)狀 歐洲研究現(xiàn)狀諧振式陀螺儀研究報(bào)告 Northrop, Honey well等公司和斯坦福大學(xué)等都是赫赫有名的研究機(jī)構(gòu)。比較具有代表性的是 Northrop公司。如今,其生產(chǎn)的光纖陀螺產(chǎn)品有 FOG200, 600, 1000, 2500等系列 ,分為導(dǎo)航類(lèi)、 戰(zhàn)術(shù)類(lèi)、 民用航空類(lèi)和太空類(lèi) ,應(yīng)用在陸地、 海洋、 太空等領(lǐng)域 ,精度為 1 /h0 . 001 /h,既有單軸結(jié)構(gòu) ,也有雙軸、三軸結(jié)構(gòu)。諧振式陀螺儀研究報(bào)告 其主要的研究機(jī)構(gòu)有東京大學(xué)尖端技術(shù)室和日立、住友電工、三菱、日本航空電子工業(yè) (JAE)等公司。其最重要的貢獻(xiàn)在于簡(jiǎn)化了干涉型光纖陀螺的系統(tǒng)配置 ,大大地降

5、低了系統(tǒng)成本 ,使光纖陀螺的民用范圍得到很大的擴(kuò)展 ,例如:用于汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)、 清潔機(jī)器人、光羅盤(pán)、農(nóng)用直升機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)等。諧振式陀螺儀研究報(bào)告 法國(guó)IxseaSAS公司發(fā)布了當(dāng)今最小的、基于光纖陀螺的慣導(dǎo)系統(tǒng) ,該系統(tǒng)為全球定位系統(tǒng)、多普勒測(cè)速器、聲納定位系統(tǒng)預(yù)留接口。它生產(chǎn)的IMU120使用的光纖陀螺偏置穩(wěn)定性達(dá)到0.003/h,精度最高的光纖陀螺隨機(jī)游走精度達(dá)到0.00015/ h。 德國(guó)LITEF公司產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋太空、空中、陸地和水中和軍用、民用范圍。 Fizop tika公司是俄羅斯的一家生產(chǎn)光纖陀螺的公司,發(fā)明了用于微型光纖陀螺的技術(shù),它將所有的光學(xué)元件并列放置,元件之間沒(méi)有

6、光學(xué)的連接,用這種技術(shù)生產(chǎn)的光纖陀螺尺寸小、功耗低,能夠降低成本,提高可靠性,在俄羅斯國(guó)內(nèi)外頗有市場(chǎng)。諧振式陀螺儀研究報(bào)告 日前,北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所慣性技術(shù)研究室對(duì)電子十三所和中科院上海微系統(tǒng)所研制的國(guó)產(chǎn)硅微機(jī)械陀螺儀開(kāi)展了比對(duì)測(cè)試工作,依據(jù)國(guó)產(chǎn)硅微機(jī)械陀螺儀測(cè)試大綱 ,對(duì)兩家比測(cè)單位提供的幾只陀螺儀進(jìn)行了全部的參數(shù)測(cè)試和環(huán)境試驗(yàn) (主要是振動(dòng)和沖擊),并負(fù)責(zé)編制了國(guó)產(chǎn)硅陀螺儀測(cè)方法及計(jì)劃。這標(biāo)志著我國(guó)硅微機(jī)械陀螺儀越來(lái)越標(biāo)準(zhǔn)化，有利于我國(guó)陀螺儀行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。諧振式陀螺儀研究報(bào)告 最近幾年，陀螺儀已經(jīng)在汽車(chē)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)、GPS獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)的

7、圖像防抖也是陀螺儀很有前途的應(yīng)用。分析家預(yù)計(jì)，僅MEMS陀螺儀的市場(chǎng)就將從2006年的4億美元增長(zhǎng)到2012年的12億美元。隨著工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)機(jī)器人的發(fā)展，陀螺儀將有望在這兩個(gè)市場(chǎng)大顯身手。在自動(dòng)化流水線(xiàn)上，陀螺儀有助于提高自動(dòng)化程度。諧振式陀螺儀研究報(bào)告 基于諧振敏感原理, 設(shè)計(jì)了硅微諧振陀螺, 它具有直接的準(zhǔn)數(shù)字式頻率輸出、高靈敏度、參數(shù)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn), 其結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊、懸臂梁、杠桿放大機(jī)構(gòu)、雙端固支音叉(DETF)、激勵(lì)和檢測(cè)梳齒。 內(nèi)外質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)和杠桿機(jī)構(gòu)特殊設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)解耦；質(zhì)量塊外置、杠桿放大結(jié)構(gòu)及雙DETF 結(jié)構(gòu)可以改善結(jié)構(gòu)靈敏度。 模態(tài)分析和諧響應(yīng)通過(guò)ANSYS進(jìn)行，公式和

8、參數(shù)優(yōu)化通過(guò)MATLAB實(shí)現(xiàn)。諧振式陀螺儀研究報(bào)告 外質(zhì)量塊通過(guò)梳齒驅(qū)動(dòng), 在驅(qū)動(dòng)方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于科式效應(yīng), 當(dāng)陀螺受到外加角速度時(shí), 外質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生科氏力, 該科氏力通過(guò)折疊梁傳入內(nèi)質(zhì)量塊, 然后被杠桿機(jī)構(gòu)放大作用于DETF 一端, 從而改變DETF 的固有頻率。因此, 通過(guò)解調(diào)正弦輸出頻率, 可以得到外界輸入的角速度。諧振式陀螺儀研究報(bào)告 1.驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 2.科氏力的計(jì)算 3.DETF諧振頻率計(jì)算 諧振式陀螺儀研究報(bào)告諧振式陀螺儀研究報(bào)告 陀螺設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自解耦和高靈敏度。設(shè)計(jì)通過(guò)多次循環(huán), 最終找出較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。每次循環(huán)的邏輯順序?yàn)椋河美碚摴?、工藝限制給出結(jié)構(gòu)各部分尺寸

9、；工作模態(tài)分析,確定工作模態(tài)為一階模態(tài),且得到工作模態(tài)諧振頻率；利用軟件仿真輔助理論公式計(jì)算出陀螺靈敏度；用軟件分析在純驅(qū)動(dòng)情況下，通過(guò)結(jié)構(gòu)各部分驅(qū)動(dòng)方向位移來(lái)得出解耦效果。諧振式陀螺儀研究報(bào)告三項(xiàng)措施： 1.將敏感質(zhì)量做成回字型, 在有限的制版面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較大敏感質(zhì)量； 2.用杠桿放大機(jī)構(gòu), 把科氏力放大后作用于DETF一端； 3.用了雙DETF實(shí)現(xiàn)了差動(dòng)測(cè)量,總頻率差為單DETF測(cè)量的兩倍。 諧振式陀螺儀研究報(bào)告主要目標(biāo)： 陀螺的驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有振動(dòng)頻率必須在我們期望的范圍內(nèi)，這個(gè)期望的頻率范圍是根據(jù)目前可能采用檢測(cè)的手段、用DETF可以測(cè)量的要求來(lái)確定的 通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使驅(qū)動(dòng)模態(tài)成為陀螺的

10、第一模態(tài)，且避免有驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)的倍頻的模態(tài)出現(xiàn) 諧振式陀螺儀研究報(bào)告 陀螺質(zhì)量塊的分析，就是在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，采用振型疊加法來(lái)仿真在驅(qū)動(dòng)模態(tài)時(shí)陀螺質(zhì)量塊上各點(diǎn)的實(shí)際響應(yīng)值，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。步驟如下： 1)首先建立有限元等效模型。 2)進(jìn)行模態(tài)分析，求出所需驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率 3)在陀螺內(nèi)框驅(qū)動(dòng)齒上施加驅(qū)動(dòng)載荷。諧振式陀螺儀研究報(bào)告 目的 了解外加驅(qū)動(dòng)力與陀螺質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)模態(tài)位移響應(yīng)幅度與外加驅(qū)動(dòng)力頻率的關(guān)系 分析外加驅(qū)動(dòng)力與陀螺質(zhì)量塊沿Y軸方向振動(dòng)幅度的關(guān)系 諧振式陀螺儀研究報(bào)告 諧振器設(shè)計(jì)時(shí)要注意： 1)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使諧振器的驅(qū)動(dòng)模態(tài)成為諧振器的主要模態(tài)，且避免有驅(qū)

11、動(dòng)模態(tài)的倍頻的模態(tài)出現(xiàn)。 2)粱及質(zhì)量塊的設(shè)計(jì)符合加工工藝的要求，當(dāng)粱受到軸向力的作用時(shí)，其形變應(yīng)在線(xiàn)性范圍內(nèi)。 3)在一定的軸向力(科氏力)作用下獲得符合近似條件的最大的頻率偏移 諧振式陀螺儀研究報(bào)告 目的 主要關(guān)心的是驅(qū)動(dòng)模態(tài)，要讓它成為主要模態(tài)，同時(shí)要防止有其它模態(tài)的固有頻率為驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率的2倍，避免和檢測(cè)信號(hào)混淆，或引起不必要的其它模態(tài)運(yùn)動(dòng)。 結(jié)論： 最大位移響應(yīng)出現(xiàn)在外加驅(qū)動(dòng)頻率等于DETF驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率處，中心點(diǎn)最大位移幅度值為：5.63um。諧振式陀螺儀研究報(bào)告諧振式陀螺儀研究報(bào)告 硅微機(jī)械諧振式陀螺是一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)，微機(jī)械的振動(dòng)系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)輸出信號(hào)的電路構(gòu)成一

12、個(gè)整體。 梳齒驅(qū)動(dòng)器的振動(dòng)情況可以通過(guò)檢測(cè)靜齒電容的變化，得到為測(cè)試陀螺的性能，設(shè)計(jì)開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)測(cè)試方案，目的是分別測(cè)量陀螺質(zhì)量塊和各個(gè)DETF的驅(qū)動(dòng)特性曲線(xiàn)，測(cè)量施加的直流偏置電壓以及交流驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)陀螺輸出響應(yīng)的影響。諧振式陀螺儀研究報(bào)告 雙邊差動(dòng)驅(qū)動(dòng)如圖所示，在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)端口分別加相同的直流偏置電壓，并加上頻率幅度相同但相位相反的交流驅(qū)動(dòng)電壓。采用雙邊驅(qū)動(dòng)差動(dòng)可以消除倍頻信號(hào)，使靜電驅(qū)動(dòng)力成為輸入驅(qū)動(dòng)電壓的頻率的正弦函數(shù)，且其幅值為單邊驅(qū)動(dòng)的兩倍。諧振式陀螺儀研究報(bào)告 單邊驅(qū)動(dòng)單邊檢測(cè)得到的信號(hào)與輸入驅(qū)動(dòng)電壓周頻率，其幅度和相位反映了動(dòng)齒的振動(dòng)情況。為了減小二次諧波項(xiàng)的影響，最好有較高的Q值，否

13、則有用信號(hào)可能被淹沒(méi)。諧振式陀螺儀研究報(bào)告諧振式陀螺儀研究報(bào)告 主要工作 1)硅微機(jī)械諧振式陀螺儀的動(dòng)力學(xué)分析 根據(jù)微機(jī)械結(jié)構(gòu)所遵循的力學(xué)規(guī)律及陀螺儀的基本理論分別分析了陀螺質(zhì)量塊和DETF的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理，在保留陀螺響應(yīng)的全部特征基礎(chǔ)上提出了必要的假設(shè)并在此基礎(chǔ)上建立了各自的力學(xué)模型 針對(duì)所建立的力學(xué)模型建立動(dòng)力學(xué)方程并求解，討論了可能出現(xiàn)的各種振動(dòng)模態(tài) 諧振式陀螺儀研究報(bào)告 2)諧振式陀螺的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)原理分析 對(duì)諧振式陀螺的陀螺質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)機(jī)理及對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求，科氏力的產(chǎn)生、影響它的因素及科氏力的輸出進(jìn)行了研究，有： （1）推導(dǎo)了梳齒電容驅(qū)動(dòng)時(shí)的靜電驅(qū)動(dòng)力公式，并分別對(duì)單邊驅(qū)動(dòng)和雙邊驅(qū)動(dòng)的情形進(jìn)行了詳細(xì)的分析 （2）提出對(duì)諧振式陀螺而言，總體設(shè)計(jì)時(shí)不必考慮使得陀螺質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率與