雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀測(cè)控技術(shù)研究.pdf

1、硅微慣性器件作為一種重要的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防軍事領(lǐng)域具有廣泛的使用價(jià)值和應(yīng)用前景。為此，世界強(qiáng)國(guó)在過(guò)去的十幾年中投入了大量人力和物力進(jìn)行深入研究，并取得較為顯著的進(jìn)展。本論文在廣泛研究國(guó)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(dòng)陀螺儀，并對(duì)它的工作機(jī)理、恒頻恒幅驅(qū)動(dòng)技術(shù)、微弱信號(hào)檢測(cè)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(dòng)陀螺儀的工作機(jī)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(dòng)陀螺儀，并分析了它的結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理；建立了它的動(dòng)力學(xué)模型：設(shè)計(jì)了它的新結(jié)構(gòu)，并完成了試驗(yàn)樣品制作。研究表明，該振動(dòng)陀螺儀存在三個(gè)主要的工作模態(tài)：驅(qū)動(dòng)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(dòng)工作模態(tài)和敏感輸出模態(tài)均是衰減振動(dòng)和簡(jiǎn)諧振動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，模態(tài)振動(dòng)頻率都由驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率決定：當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率與驅(qū)動(dòng)模態(tài)、敏感模態(tài)固有頻率一致時(shí)，驅(qū)動(dòng)模態(tài)和敏感模態(tài)均處于諧振狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)輸出信號(hào)

3、最強(qiáng)。該振動(dòng)陀螺儀存在交叉耦合運(yùn)動(dòng)。為了消除這種運(yùn)動(dòng)的影響，論文提出了陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。通過(guò)對(duì)稱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從根本上消除了該振動(dòng)陀螺儀的運(yùn)動(dòng)耦合，實(shí)現(xiàn)了陀螺儀x軸敏感運(yùn)動(dòng)和y軸敏感運(yùn)動(dòng)的相互獨(dú)立，其運(yùn)動(dòng)特性與單自由度振動(dòng)陀螺儀基本相同，這為陀螺儀實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制打下基礎(chǔ)。 從該振動(dòng)陀螺儀運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)，研究了運(yùn)動(dòng)物體角加速度引起的陀螺儀誤差信號(hào)和運(yùn)動(dòng)物體角速度引起的陀螺儀誤差信號(hào)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(hào)處理辦法，基本上消除了這兩類誤差對(duì)陀螺儀性能的影響。 2．雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。從雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀運(yùn)動(dòng)方程出發(fā)，提出了該振動(dòng)陀螺儀性能在很大程度上取決于陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)工作狀況的觀點(diǎn)。為了保證陀螺儀恒頻恒幅驅(qū)動(dòng)振動(dòng)，論文研究了兩種陀螺儀驅(qū)動(dòng)控制方法以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)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(jì)了相應(yīng)的電子線路。

5、 3.雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀的輸出信號(hào)檢測(cè)技術(shù)。研究了采用電容式信號(hào)器檢測(cè)硅微振動(dòng)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(cè)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(shí)用的、帶有高通性質(zhì)的電容檢測(cè)前置放大電路。同時(shí)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(hào)的窄帶化技術(shù)和時(shí)域信號(hào)的平均處理兩種方法為基礎(chǔ)，將相干檢測(cè)和同步積分相結(jié)合，充分抑制陀螺儀前放輸出噪聲，進(jìn)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(duì)檢測(cè)輸出信號(hào)的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了同步積分器和相敏解調(diào)器為核心的同步檢測(cè)電路，并制作了電子檢測(cè)線路。 4.雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀的反饋控制技術(shù)。在研究硅微振動(dòng)陀螺儀系統(tǒng)噪聲和量測(cè)噪聲的基礎(chǔ)上，運(yùn)用狀態(tài)反饋設(shè)計(jì)思想，將二次型高斯控制方法應(yīng)用于雙自由度硅微振動(dòng)