双质量块音叉式微机械陀螺的设计与仿真

摘要

微机械陀螺是惯性传感器中的一种重要器件，并在各领域展现出良好的市场前景。本文通过详细分析国内外硅音叉振动式陀螺的研究现状，提出一种基于体硅工艺的新型音叉式结构的微机械陀螺，并对该结构进行了设计仿真和分析研究。
　　本文所设计的音叉振动式差分电容振动微机械陀螺结构，通过双质量块的音叉式结构设计和采用U形梁连接两个解耦框架使二者的运动相互独立，从而消除驱动模态和检测模态之间的耦合影响。驱动和检测结构部分均采用静电式变面积梳齿结构，可以有效降低结构间的阻尼系数，其中驱动梳齿设计在质量块上，在一定程度增加质量块的质量从而获得较大的品质因数。采用线性度较好的矩形折叠梁结构来获得较大的结构灵敏度，其中结构的驱动频率和检测频率分别为3680Hz和3720 Hz，其工作带宽为21.6 Hz。通过 ANSYS软件进行了建模仿真，并分析了环境温度变化对器件的多个结构参数和整体性能的影响；通过搭建系统仿真模型分析温度对零偏稳定性、标度因数等系统参数的影响，验证了本设计的音叉陀螺有良好的抗环境温度干扰的能力。通过SIMULINK模型对音叉式陀螺进行了系统仿真，分析了干扰信号、加工工艺对陀螺的影响。通过仿真模型对陀螺的机械热噪声进行研究。通过闭环检测系统和开环系统的对比，验证闭环系统能够更加有效地抑制热噪声和温度漂移干扰，并且结构灵敏度达到68.154αf/°/s，其标度因数为25.27 mV/°/s，噪声基底为0.028 o/s/Hz1/2，综合说明闭环系统的整体性能要好于开环系统。通过论文的研究，为音叉式陀螺的结构优化设计和温度补偿奠定了基础，为惯性器件的集成化的研究积累了经验。

目录

双质量块音叉式微机械陀螺的设计与仿真

ANALYSIS AND DESIGN OF MICROMACHINED TUNING FORK GYROSCOPE STRUCTURE

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2微机械陀螺国内外发展现状

1.2.1国外发展概况

1.2.2国内发展现状

1.3微机械陀螺的性能指标

1.4论文主要研究内容

第2章 微机械陀螺的基理及误差分析

2.1科里奥利力

2.2微机械音叉陀螺的动力学特性

2.2.1开环系统模式

2.2.2闭环系统模式

2.3静电驱动和电容检测

2.3.1静电推挽驱动

2.3.1梳齿电容检测

2.4微机械陀螺的误差分析

2.4.1空气阻尼特性

2.4.2压膜阻尼和滑膜阻尼

2.5微机械陀螺的误差分析

2.5.1正交误差

2.5.2寄生科氏力

2.6本章小结

第3章音叉微机械陀螺的设计和有限元仿真

3.1音叉陀螺的结构设计及工作原理

3.2音叉陀螺弹性梁设计

3.2.1弹性连接梁的设计

3.2.2检测弹性梁的设计

3.2.3耦合特性分析

3.2.4检测弹性梁受力

3.3结构参数及性能参数计算

3.3.1结构参数

3.3.2结构参数计算

3.4音叉式微机械陀螺的结构仿真分析

3.4.1音叉式陀螺静态仿真分析

3.4.2音叉式陀螺振动模态仿真分析

3.4.3大冲击响应下受力分析

3.5本章小结

第4章音叉式微机械陀螺的稳定性分析

4.1音叉式微陀螺温度特性分析

4.1.1温度对谐振频率的影响

4.1.2温度对驱动振幅的影响

4.1.3温度对品质因数的影响

4.1.4温度对音叉陀螺结构热分析

4.1.5温度在零输入状态下的分析

4.2温度对音叉陀螺系统的仿真

4.2.1温度对陀螺输出信号的影响

4.2.2温度对陀螺标度因子的影响

4.3本章小结

第5章音叉式微机械陀螺系统分析

5.1音叉陀螺系统分析

5.1.1驱动模态系统仿真

5.1.2冲击干扰信号对输出影响

5.1.3工艺对输出信号的影响

5.1.4音叉陀螺环境鲁棒性分析

5.1.5瞬态响应分析

5.1.5阶跃响应分析

5.2音叉陀螺噪声分析

5.3音叉陀螺闭环系统设计与仿真

5.3.1闭环系统仿真分析

5.3.2闭环系统性能分析

5.4音叉陀螺结构性能分析

5.5本章小结

结 论

参考文献

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致 谢