對稱解耦硅微機械陀螺儀結構設計技術研究.pdf

1、硅微機械陀螺儀是一種微型慣性傳感器，它是利用振動質量塊在被物體帶動旋轉時產(chǎn)生的哥氏效應來測量物體的旋轉角速度。高性能硅微機械陀螺儀的研制是一項復雜的系統(tǒng)工程，有很多的關鍵技術亟待研究解決。結構設計技術是硅微機械陀螺儀系統(tǒng)設計的關鍵技術之一，結構形式和參數(shù)設計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構設計的基本理論，詳細地分析了硅微機械陀螺儀的各種誤差，在此基礎上，創(chuàng)新地設計了一種對稱解耦雙線振動式硅微機械陀螺儀。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)剛度矩陣表達式。其次，采用卡氏定理，給出了支承梁的剛度計算公式。最后，推導了蟹角梁、U型梁和折疊梁剛度矩陣的各個剛度系數(shù)表達式。
　　 (2)氣體阻尼研究
　　 在大氣條件下，硅微機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。研究了硅微機械陀螺儀的滑膜阻尼和壓膜阻尼，推導了三種壓力區(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
　　 分析了結構尺寸改變、加工殘余應力和環(huán)境溫度變化三個影響因素各自引起的諧振頻率偏移，分析結果表明結構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構正交耦合誤差是影響硅微機械陀螺儀性能的主要誤差。詳細分析了有彈性耦合力存在時結構的實際運動形式，分析了梁寬不等、梁長不等及梁截面為梯形截面時U型梁的不等彈性剛度大小

4、，結果表明長度誤差造成的耦合剛度遠遠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。推導了彈性剛度坐標相對幾何坐標發(fā)生偏轉及偏移后的剛度矩陣表達式。
　　 (4)靜電力與電容檢測誤差分析
　　 分析了硅微機械陀螺儀驅動方向和敏感方向的靜電力誤差，推導得出存在靜電力誤差下的結構驅動模態(tài)的穩(wěn)態(tài)振動表達式和敏感方向的靜電力表達式，結果表明敏感方向的靜電力誤差對硅微機械陀螺儀的性能影響較大，提出了采用驅動模

5、態(tài)與敏感模態(tài)完全解耦的結構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構形式為例，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。推導了硅微機械陀螺儀在有電容檢測誤差情況下的實際輸出信號表達式。
　　 (5)對稱解耦硅微機械陀螺儀的結構設計與仿真研究
　　 分析并設計了對稱解耦硅微機械陀螺儀的驅動機構、檢測機構及其支承梁。設計完成的對稱解耦硅微機械陀螺儀驅動模態(tài)與檢測模態(tài)的支承梁結構完全相同且空

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，因此驅動模態(tài)和檢測模態(tài)諧振頻率匹配性好。該陀螺儀的驅動機構和檢測機構都做線性滑膜阻尼振動且完全解耦，所以驅動模態(tài)和敏感模態(tài)間的耦合小、品質因數(shù)高、結構振動平穩(wěn)性好、靈敏度大大提高。對稱解耦硅微機械陀螺儀的結構設計完成后，首先進行了模態(tài)分析，結果表明該陀螺儀的結構參數(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，進行了驅動模態(tài)和敏感模態(tài)的諧響應分析，結果表明

7、驅動模態(tài)與檢測模態(tài)的固有頻率相接近，對結構靈敏度的提高至關重要。最后，進行了瞬態(tài)沖擊響應分析，分析結果表明對稱解耦硅微機械陀螺儀可以抵抗3000g的加速度沖擊。
　　 (6)實驗與分析
　　 首先，測試了對稱解耦硅微機械陀螺儀的驅動模態(tài)和檢測模態(tài)的頻譜特性，得出了驅動模態(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因數(shù)，測試結果表明驅動模態(tài)與檢測模態(tài)的諧振頻率只相差6Hz，且檢測模態(tài)的品質因數(shù)有了顯著提高。測試了開環(huán)驅