MEMS慣性測(cè)量單元設(shè)計(jì)與相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、隨著技術(shù)的發(fā)展，MEMS慣性測(cè)量單元的精度不斷提高，又因其具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。MEMS慣性測(cè)量單元的研制對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)都具有重要的價(jià)值?；诠栉⑼勇輧x和硅微加速度計(jì)，本文針對(duì)某水下裝置研制了一款MEMS慣性測(cè)量單元，并對(duì)系統(tǒng)中硅微陀螺儀的溫度補(bǔ)償技術(shù)和慣性測(cè)量單元的耦合誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了研究。全文的主要內(nèi)容如下:
　　(1)分析了硅微陀螺儀、硅微加速度計(jì)的動(dòng)力學(xué)模型和工作原理，對(duì)

2、硅微陀螺儀溫度誤差來源進(jìn)行了分析，表明其主要來源于材料和電路元器件的溫度特性，介紹了MEMS慣性測(cè)量單元的誤差分類，為后續(xù)溫度補(bǔ)償和耦合誤差補(bǔ)償提供了基礎(chǔ)。
　　(2)針對(duì)MEMS慣性測(cè)量單元的應(yīng)用環(huán)境和工程需求，進(jìn)行了系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模態(tài)、諧響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)仿真分析，完成了硅微陀螺儀測(cè)控電路、加速度計(jì)配置電路和信號(hào)采集及數(shù)據(jù)處理FPGA數(shù)字電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化，系統(tǒng)軟件框架及信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和通信等軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了MEMS慣性測(cè)量

3、單元樣機(jī)。
　　(3)基于溫度對(duì)硅微陀螺儀品質(zhì)因數(shù)、固有頻率和零偏影響機(jī)理的分析，分別設(shè)計(jì)了線性和分段線性模型對(duì)陀螺儀的常溫和全溫零偏輸出進(jìn)行離線和實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償，通過補(bǔ)償前后陀螺儀性能對(duì)比以及離線與實(shí)時(shí)補(bǔ)償效果對(duì)比，驗(yàn)證了所采用溫度補(bǔ)償模型的正確性和有效性;
　　(4)在對(duì)MEMS慣性測(cè)量單元誤差進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立并簡(jiǎn)化了MEMS慣性測(cè)量單元的耦合誤差模型，設(shè)計(jì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)測(cè)試并計(jì)算了耦合矩陣和解耦矩陣的參數(shù)，在FPGA中實(shí)

4、現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)耦合誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明建模補(bǔ)償明顯減小了系統(tǒng)的交叉軸耦合誤差，提高了MEMS慣性測(cè)量單元的檢測(cè)精度。
　　(5)通過實(shí)驗(yàn)完整評(píng)估了所設(shè)計(jì)的MEMS慣性測(cè)量單元的性能。其中陀螺儀和加速度計(jì)的標(biāo)度因數(shù)非線性度分別小于100ppm和0.25％FS，常溫零偏穩(wěn)定性分別小于4°/h和200ug，全溫零偏穩(wěn)定性分別小于30°/h和2mg，量程分別達(dá)到士150°/s和±30g，整機(jī)功耗1.578W。測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的MEM