雙自由度硅微振動陀螺儀測控技術(shù)研究.pdf

1、硅微慣性器件作為一種重要的微機電系統(tǒng)(MEMS)，在國民經(jīng)濟和國防軍事領(lǐng)域具有廣泛的使用價值和應(yīng)用前景。為此，世界強國在過去的十幾年中投入了大量人力和物力進行深入研究，并取得較為顯著的進展。本論文在廣泛研究國內(nèi)外微慣性器件最新技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種結(jié)構(gòu)新穎的雙自由度硅微振動陀螺儀，并對它的工作機理、恒頻恒幅驅(qū)動技術(shù)、微弱信號檢測方法和力反饋閉環(huán)控制技術(shù)作了深入研究。具體歸納如下： 1．雙自由度硅微振動陀螺儀的工作機理。從陀螺儀

2、基本理論出發(fā)，提出了一種結(jié)構(gòu)新穎的雙自由度硅微振動陀螺儀，并分析了它的結(jié)構(gòu)與工作機理；建立了它的動力學模型：設(shè)計了它的新結(jié)構(gòu)，并完成了試驗樣品制作。研究表明，該振動陀螺儀存在三個主要的工作模態(tài)：驅(qū)動工作模態(tài)、x軸敏感輸出模態(tài)和y軸敏感輸出模態(tài)；驅(qū)動工作模態(tài)和敏感輸出模態(tài)均是衰減振動和簡諧振動的復(fù)合運動，模態(tài)振動頻率都由驅(qū)動信號頻率決定：當驅(qū)動信號頻率與驅(qū)動模態(tài)、敏感模態(tài)固有頻率一致時，驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)均處于諧振狀態(tài)，此時系統(tǒng)輸出信號

3、最強。該振動陀螺儀存在交叉耦合運動。為了消除這種運動的影響，論文提出了陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計準則。通過對稱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，從根本上消除了該振動陀螺儀的運動耦合，實現(xiàn)了陀螺儀x軸敏感運動和y軸敏感運動的相互獨立，其運動特性與單自由度振動陀螺儀基本相同，這為陀螺儀實現(xiàn)閉環(huán)控制打下基礎(chǔ)。 從該振動陀螺儀運動方程出發(fā)，研究了運動物體角加速度引起的陀螺儀誤差信號和運動物體角速度引起的陀螺儀誤差信號的頻率特性和相位特性，提出了以相敏解調(diào)和濾波技術(shù)為核

4、心的信號處理辦法，基本上消除了這兩類誤差對陀螺儀性能的影響。 2．雙自由度硅微振動陀螺儀的驅(qū)動技術(shù)。從雙自由度硅微振動陀螺儀運動方程出發(fā)，提出了該振動陀螺儀性能在很大程度上取決于陀螺儀驅(qū)動模態(tài)工作狀況的觀點。為了保證陀螺儀恒頻恒幅驅(qū)動振動，論文研究了兩種陀螺儀驅(qū)動控制方法以實現(xiàn)驅(qū)動運動恒頻恒幅。一種是基于頻率鎖相控制(PLL)技術(shù)和幅度反饋控制(AGC)技術(shù)的恒頻恒幅控制方法，另一種是自激振蕩方法，并設(shè)計了相應(yīng)的電子線路。

5、 3.雙自由度硅微振動陀螺儀的輸出信號檢測技術(shù)。研究了采用電容式信號器檢測硅微振動陀螺儀敏感輸出角位移的方法，提出了消除或減小邊緣效應(yīng)、雜散電容和分布電容的措施。研究了三種電容檢測轉(zhuǎn)換電路。第一種是低阻抗反相電荷放大電路，第二種是高阻抗同相電荷放大電路，最后一種是反饋電荷放大電路。在此基礎(chǔ)上，提出了一種實用的、帶有高通性質(zhì)的電容檢測前置放大電路。同時分析了陀螺儀熱噪聲特性和前置放大電路噪聲特性，提出了相應(yīng)的降噪措施。 以頻域

6、信號的窄帶化技術(shù)和時域信號的平均處理兩種方法為基礎(chǔ)，將相干檢測和同步積分相結(jié)合，充分抑制陀螺儀前放輸出噪聲，進一步提高系統(tǒng)交流放大增益，相應(yīng)減小直流放大增益以抑制直流漂移對檢測輸出信號的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了同步積分器和相敏解調(diào)器為核心的同步檢測電路，并制作了電子檢測線路。 4.雙自由度硅微振動陀螺儀的反饋控制技術(shù)。在研究硅微振動陀螺儀系統(tǒng)噪聲和量測噪聲的基礎(chǔ)上，運用狀態(tài)反饋設(shè)計思想，將二次型高斯控制方法應(yīng)用于雙自由度硅微振動