對稱解耦硅微機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究.pdf

1、硅微機(jī)械陀螺儀是一種微型慣性傳感器，它是利用振動質(zhì)量塊在被物體帶動旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來測量物體的旋轉(zhuǎn)角速度。高性能硅微機(jī)械陀螺儀的研制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，有很多的關(guān)鍵技術(shù)亟待研究解決。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)是硅微機(jī)械陀螺儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)設(shè)計(jì)的好壞在很大程度上決定了其整體性能的高低。本文深入地研究了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本理論，詳細(xì)地分析了硅微機(jī)械陀螺儀的各種誤差，在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了一種對稱解耦雙線振動式硅微機(jī)械陀螺儀。本文

2、的主要工作如下:
　　 (1)支承梁系統(tǒng)剛度研究
　　 首先，研究了硅微機(jī)械陀螺儀具有四根支承梁和六根支承梁的系統(tǒng)剛度矩陣表達(dá)式。其次，采用卡氏定理，給出了支承梁的剛度計(jì)算公式。最后，推導(dǎo)了蟹角梁、U型梁和折疊梁剛度矩陣的各個剛度系數(shù)表達(dá)式。
　　 (2)氣體阻尼研究
　　 在大氣條件下，硅微機(jī)械陀螺儀振動過程中的能量損耗主要為氣體粘滯阻尼損耗。研究了硅微機(jī)械陀螺儀的滑膜阻尼和壓膜阻尼，推導(dǎo)了三種壓力區(qū)域

3、下的滑膜阻尼和壓膜阻尼的估算公式。
　　 (3)諧振頻率偏移與不等彈性誤差分析
　　 分析了結(jié)構(gòu)尺寸改變、加工殘余應(yīng)力和環(huán)境溫度變化三個影響因素各自引起的諧振頻率偏移，分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的支承梁寬度尺寸的改變是造成諧振頻率偏移的主要因素。由不等彈性誤差引起的結(jié)構(gòu)正交耦合誤差是影響硅微機(jī)械陀螺儀性能的主要誤差。詳細(xì)分析了有彈性耦合力存在時(shí)結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動形式，分析了梁寬不等、梁長不等及梁截面為梯形截面時(shí)U型梁的不等彈性剛度大小

4、，結(jié)果表明長度誤差造成的耦合剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于寬度誤差引起的耦合剛度，優(yōu)化短梁與長梁的寬度比值，可減小耦合剛度。推導(dǎo)了彈性剛度坐標(biāo)相對幾何坐標(biāo)發(fā)生偏轉(zhuǎn)及偏移后的剛度矩陣表達(dá)式。
　　 (4)靜電力與電容檢測誤差分析
　　 分析了硅微機(jī)械陀螺儀驅(qū)動方向和敏感方向的靜電力誤差，推導(dǎo)得出存在靜電力誤差下的結(jié)構(gòu)驅(qū)動模態(tài)的穩(wěn)態(tài)振動表達(dá)式和敏感方向的靜電力表達(dá)式，結(jié)果表明敏感方向的靜電力誤差對硅微機(jī)械陀螺儀的性能影響較大，提出了采用驅(qū)動模

5、態(tài)與敏感模態(tài)完全解耦的結(jié)構(gòu)形式來減小敏感方向的靜電力誤差的方法。以梳齒式電容檢測結(jié)構(gòu)形式為例，分析了變間距梳齒式電容檢測誤差和變重疊面積梳齒式電容檢測誤差。推導(dǎo)了硅微機(jī)械陀螺儀在有電容檢測誤差情況下的實(shí)際輸出信號表達(dá)式。
　　 (5)對稱解耦硅微機(jī)械陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真研究
　　 分析并設(shè)計(jì)了對稱解耦硅微機(jī)械陀螺儀的驅(qū)動機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)及其支承梁。設(shè)計(jì)完成的對稱解耦硅微機(jī)械陀螺儀驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)的支承梁結(jié)構(gòu)完全相同且空

6、間平面對稱分布，這使得各根梁的加工誤差和所受的溫度變化的影響近乎相同，因此驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)諧振頻率匹配性好。該陀螺儀的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和檢測機(jī)構(gòu)都做線性滑膜阻尼振動且完全解耦，所以驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)間的耦合小、品質(zhì)因數(shù)高、結(jié)構(gòu)振動平穩(wěn)性好、靈敏度大大提高。對稱解耦硅微機(jī)械陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，首先進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明該陀螺儀的結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足頻率匹配以及工作模態(tài)與非工作模態(tài)之間的隔離要求。其次，進(jìn)行了驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)的諧響應(yīng)分析，結(jié)果表明

7、驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)的固有頻率相接近，對結(jié)構(gòu)靈敏度的提高至關(guān)重要。最后，進(jìn)行了瞬態(tài)沖擊響應(yīng)分析，分析結(jié)果表明對稱解耦硅微機(jī)械陀螺儀可以抵抗3000g的加速度沖擊。
　　 (6)實(shí)驗(yàn)與分析
　　 首先，測試了對稱解耦硅微機(jī)械陀螺儀的驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的頻譜特性，得出了驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的固有諧振頻率及其在大氣條件下的品質(zhì)因數(shù)，測試結(jié)果表明驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)的諧振頻率只相差6Hz，且檢測模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)有了顯著提高。測試了開環(huán)驅(qū)