硅微陀螺的溫度特性研究

1、硅微陀螺的溫度特性研究    英文題名 Study on the Temperature Characteristics of Silicon Micromachined Gyroscope  關(guān)鍵詞 硅微陀螺; 溫度特性; 諧振頻率; 零偏; 卡爾曼濾波; 英文關(guān)鍵詞 Silicon micromachined gyroscope; Temperature characteristics; Resonant frequency; Zero bias; Kalman filtering; 中文摘要 硅微陀螺是組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。由于

2、硅材料是一種熱敏材料,溫度變化導(dǎo)致的各種誤差對(duì)硅微陀螺的各項(xiàng)性能指標(biāo)影響很大。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),硅微陀螺的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)會(huì)發(fā)生改變,會(huì)對(duì)陀螺的標(biāo)度因數(shù)和零偏造成一定的影響,從而影響到陀螺的輸出精度和性能。因此,很有必要研究陀螺的溫度特性,建立合適的溫度模型,對(duì)溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。本文的主要研究?jī)?nèi)容和工作如下: 1.分析了硅微陀螺的各種誤差來(lái)源,推導(dǎo)了硅微陀螺的運(yùn)動(dòng)方程,得到了影響硅微陀螺振動(dòng)位移和結(jié)構(gòu)靈敏度的主要因素。溫度的變化會(huì)使諧振頻率發(fā)生偏移、品質(zhì)因數(shù)發(fā)生改變,會(huì)對(duì)原有的各種誤差進(jìn)一步放大,從而影響硅微陀螺的輸出精度。 2.通過(guò)理論分析推導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證,從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面研究了溫度對(duì)諧

3、振頻率、品質(zhì)因數(shù)、真空度、輸出增益以及標(biāo)度因數(shù)的影響。建立了諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)、輸出增益以及標(biāo)度因數(shù)的溫度模型。 3.分析了硅微陀螺的零偏產(chǎn)生機(jī)理。由于靜電力不平衡誤差和各種加工誤差,會(huì)導(dǎo)致微陀螺發(fā)生模態(tài)耦合,從而產(chǎn)生正交誤差。正交誤差對(duì)硅微陀螺輸出影響很大,必須采取措施加以消除。由于電路誤差的存在,不可能完全消除正交誤差的影響,使其成為了硅微陀螺零偏. 英文摘要 Silicon micromachined gyroscopes are the most key components of inertial navigation systems. The temperature error w

4、ill bring great influence on various performance index on account of the sensitivity of silicon material. The resonant frequency will generate excursion and mechanical quality factor will change due to temperatue variation which  摘要 11-12 ABSTRACT 12 第一章 緒論 13-21     1.1 研究背景與研究意

5、義 13-14     1.2 硅微陀螺國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 14-17         1.2.1 硅微陀螺國(guó)外研究現(xiàn)狀 14-15         1.2.2 硅微陀螺國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 15-17     1.3 陀螺溫度誤差研究現(xiàn)狀 17-19     1.4 論文主要研究?jī)?nèi)容 19-21 第二章 硅微陀螺誤差理論研究 21-31     2

6、.1 硅微陀螺結(jié)構(gòu)和工作原理 21-22     2.2 硅微陀螺動(dòng)力學(xué)分析 22-24         2.2.1 動(dòng)力學(xué)分析 22-23         2.2.2 結(jié)構(gòu)靈敏度分析 23-24     2.3 硅微陀螺溫度誤差來(lái)源 24-30         2.3.1 材料溫度特性 25-26   &#

7、160;     2.3.2 正交誤差 26-30         2.3.3 隨機(jī)漂移誤差 30     2.4 本章小結(jié) 30-31 第三章 硅微陀螺工作模態(tài)溫度特性研究 31-52     3.1 硅微陀螺模態(tài)特性測(cè)試技術(shù) 31-33         3.1.1 模態(tài)頻率電學(xué)測(cè)試方法 31-32     

8、0;   3.1.2 模態(tài)測(cè)試系統(tǒng) 32-33     3.2 工作模態(tài)頻率與溫度的關(guān)系 33-39         3.2.1 理論分析 33-35         3.2.2 溫度試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果 35         3.2.3 驅(qū)動(dòng)軸頻率溫度特性 35-37       &

9、#160; 3.2.4 檢測(cè)軸頻率溫度特性 37         3.2.5 模態(tài)頻率的溫度重復(fù)性 37-38         3.2.6 頻率溫度模型線性回歸分析 38-39     3.3 品質(zhì)因數(shù)與溫度的關(guān)系 39-45         3.3.1 真空度對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響 39-41      

10、0;  3.3.2 品質(zhì)因數(shù)的理論分析 41-42         3.3.3 品質(zhì)因數(shù)溫度特性 42-45     3.4 輸出增益與溫度的關(guān)系 45-48         3.4.1 溫度對(duì)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的影響 45-46         3.4.2 輸出增益的溫度特性 46-48     3.5 標(biāo)度因數(shù)與溫度的關(guān)系

11、48-51         3.5.1 理論分析 48-49         3.5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析 49-51     3.6 本章小結(jié) 51-52 第四章 硅微陀螺零偏溫度特性建模與補(bǔ)償 52-70     4.1 零偏的溫度特性研究 52-58         4.1.1 零偏的啟動(dòng)時(shí)間 52-54  

12、0;      4.1.2 全溫區(qū)范圍零偏與溫度的關(guān)系 54-55         4.1.3 全溫區(qū)零偏的溫度多項(xiàng)式模型 55-57         4.1.4 基于驅(qū)動(dòng)頻率的全溫區(qū)零偏溫度模型 57-58     4.2 基于LM315H的零偏溫度誤差建模和補(bǔ)償方法研究 58-62         4.2

13、.1 自然溫升過(guò)程的溫度建模和補(bǔ)償 58-60         4.2.2 微陀螺噪聲的抑制 60-61         4.2.3 小溫度范圍內(nèi)溫度補(bǔ)償模型的建立 61-62     4.3 基于LabWindows/CVI編程語(yǔ)言的零偏溫度建模與補(bǔ)償 62-68         4.3.1 溫度補(bǔ)償測(cè)試系統(tǒng) 63-65    

14、;     4.3.2 溫度補(bǔ)償試驗(yàn)結(jié)果分析 65-68     4.4 改善微陀螺溫度特性的措施和建議 68-69     4.5 本章小結(jié) 69-70 第五章 硅微陀螺隨機(jī)漂移誤差的建模 70-81     5.1 硅微陀螺隨機(jī)漂移信號(hào)的平穩(wěn)化處理方法 70-72         5.1.1 多分辨率分析和Mallat算法 70-71      

15、;   5.1.2 漂移信號(hào)趨勢(shì)項(xiàng)提取和平穩(wěn)性檢驗(yàn) 71-72     5.2 硅微陀螺隨機(jī)漂移的ARMA建模 72-78         5.2.1 時(shí)間序列模型的分類(lèi)和確定方法 72-74         5.2.2 硅微陀螺隨機(jī)漂移的時(shí)間序列模型 74-75         5.2.3 模型參數(shù)的估計(jì)適用性檢驗(yàn) 75-77 

16、0;       5.2.4 ARMA模型預(yù)測(cè) 77-78     5.3 硅微陀螺隨機(jī)漂移誤差模型的卡爾曼濾波 78-80     5.4 本章小結(jié) 80-81 第六章 總結(jié)與展望 81-83     6.1 全文總結(jié) 81-82     6.2 工作展望 82-83 致謝 83-84 參考文獻(xiàn) 84-88         3.2.5 模態(tài)頻率的

17、溫度重復(fù)性 37-38         3.2.6 頻率溫度模型線性回歸分析 38-39     3.3 品質(zhì)因數(shù)與溫度的關(guān)系 39-45         3.3.1 真空度對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響 39-41         3.3.2 品質(zhì)因數(shù)的理論分析 41-42         3.3.3

18、 品質(zhì)因數(shù)溫度特性 42-45     3.4 輸出增益與溫度的關(guān)系 45-48         3.4.1 溫度對(duì)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的影響 45-46         3.4.2 輸出增益的溫度特性 46-48     3.5 標(biāo)度因數(shù)與溫度的關(guān)系 48-51         3.5.1 理論分析 48-49   &

19、#160;     3.5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析 49-51     3.6 本章小結(jié) 51-52 第四章 硅微陀螺零偏溫度特性建模與補(bǔ)償 52-70     4.1 零偏的溫度特性研究 52-58         4.1.1 零偏的啟動(dòng)時(shí)間 52-54         4.1.2 全溫區(qū)范圍零偏與溫度的關(guān)系 54-55    &#

20、160;    4.1.3 全溫區(qū)零偏的溫度多項(xiàng)式模型 55-57         4.1.4 基于驅(qū)動(dòng)頻率的全溫區(qū)零偏溫度模型 57-58     4.2 基于LM315H的零偏溫度誤差建模和補(bǔ)償方法研究 58-62         4.2.1 自然溫升過(guò)程的溫度建模和補(bǔ)償 58-60         4.2.2 微陀螺噪聲的

21、抑制 60-61         4.2.3 小溫度范圍內(nèi)溫度補(bǔ)償模型的建立 61-62     4.3 基于LabWindows/CVI編程語(yǔ)言的零偏溫度建模與補(bǔ)償 62-68         4.3.1 溫度補(bǔ)償測(cè)試系統(tǒng) 63-65         4.3.2 溫度補(bǔ)償試驗(yàn)結(jié)果分析 65-68     4.4 改善微陀螺溫度

22、特性的措施和建議 68-69     4.5 本章小結(jié) 69-70 第五章 硅微陀螺隨機(jī)漂移誤差的建模 70-81     5.1 硅微陀螺隨機(jī)漂移信號(hào)的平穩(wěn)化處理方法 70-72         5.1.1 多分辨率分析和Mallat算法 70-71         5.1.2 漂移信號(hào)趨勢(shì)項(xiàng)提取和平穩(wěn)性檢驗(yàn) 71-72     5.2 硅微陀螺隨機(jī)漂移的ARMA建

23、模 72-78         5.2.1 時(shí)間序列模型的分類(lèi)和確定方法 72-74         5.2.2 硅微陀螺隨機(jī)漂移的時(shí)間序列模型 74-75         5.2.3 模型參數(shù)的估計(jì)適用性檢驗(yàn) 75-77         5.2.4 ARMA模型預(yù)測(cè) 77-78    

24、5.3 硅微陀螺隨機(jī)漂移誤差模型的卡爾曼濾波 78-80     5.4 本章小結(jié) 80-81 第六章 總結(jié)與展望 81-83     6.1 全文總結(jié) 81-82     6.2 工作展望 82-83 致謝 83-84 參考文獻(xiàn) 84-88         3.2.5 模態(tài)頻率的溫度重復(fù)性 37-38         3.2.6 頻率溫度模型線性回歸分析 38-39

25、     3.3 品質(zhì)因數(shù)與溫度的關(guān)系 39-45         3.3.1 真空度對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響 39-41         3.3.2 品質(zhì)因數(shù)的理論分析 41-42         3.3.3 品質(zhì)因數(shù)溫度特性 42-45     3.4 輸出增益與溫度的關(guān)系 45-48     

26、;    3.4.1 溫度對(duì)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的影響 45-46         3.4.2 輸出增益的溫度特性 46-48     3.5 標(biāo)度因數(shù)與溫度的關(guān)系 48-51         3.5.1 理論分析 48-49         3.5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析 49-51     3.6 本章小結(jié) 51

27、-52 第四章 硅微陀螺零偏溫度特性建模與補(bǔ)償 52-70     4.1 零偏的溫度特性研究 52-58         4.1.1 零偏的啟動(dòng)時(shí)間 52-54         4.1.2 全溫區(qū)范圍零偏與溫度的關(guān)系 54-55         4.1.3 全溫區(qū)零偏的溫度多項(xiàng)式模型 55-57      

28、   4.1.4 基于驅(qū)動(dòng)頻率的全溫區(qū)零偏溫度模型 57-58     4.2 基于LM315H的零偏溫度誤差建模和補(bǔ)償方法研究 58-62         4.2.1 自然溫升過(guò)程的溫度建模和補(bǔ)償 58-60         4.2.2 微陀螺噪聲的抑制 60-61         4.2.3 小溫度范圍內(nèi)溫度補(bǔ)償模型的建立 61-62     4.3 基于LabWindows/CVI編程語(yǔ)言的零偏溫度