硅微机械陀螺仪性能提升技术研究与试验

摘要

硅微机械陀螺仪是MEMS技术在惯性导航领域的重要应用之一，它具有体积小、重量轻、成本低、可批量生产、易于集成等优点，在军事及民用领域都具有广阔的应用前景。
　　本文以课题组自主研制的数字化开环检测硅微陀螺仪为研究对象，以提高硅微陀螺仪性能为目的，对其接口电路、温度补偿以及带宽拓展等技术进行了深入研究与分析，主要研究内容包括:
　　(1)硅微陀螺仪接口电路技术研究。详细分析了环形二极管电容检测电路的电容检测原理，推导了其增益公式;对环形二极管电容检测电路的具体特性进行了系统的分析，并对二极管非理想特性引入的误差进行了建模分析与实验;结合理论分析与实验给出了基于环形二极管的硅微陀螺仪接口电路的优化方法。
　　(2)基于BP神经网络的硅微陀螺仪温度补偿技术研究与实验。分析了温度对硅微陀螺仪微机械结构和测控电路的影响机理，表明温度对硅微陀螺仪零偏输出的影响是多种因素综合作用的结果;提出了基于BP（误差反向传播）神经网络的零偏温度补偿方法，结合硅微陀螺仪全温零偏测试数据建立了零偏温度补偿模型;基于FPGA设计并实现所建立的温度补偿模型，并通过实验对温度补偿的有效性进行验证与分析。实验表明，基于BP神经网络的温度补偿模型有效提高了硅微陀螺仪的温度性能。
　　(3)硅微陀螺仪开环检测带宽拓展技术研究。建立了硅微陀螺仪的开环检测模型，推导了开环检测模型的传递函数，并根据Matlab仿真与实验验证了开环检测模型的准确性;在分析开环传递函数幅频特性的基础上，提出了基于幅频特性校正的硅微陀螺仪开环检测带宽拓展方法;基于FPGA设计并实现了硅微陀螺仪的开环幅频特性校正环节，并结合实验对带宽拓展的有效性进行了测试。测试结果表明，开环幅频特性校正环节有效拓展了硅微陀螺仪开环检测带宽，提高了硅微陀螺仪的动态性能。
　　(4)硅微陀螺仪整机性能测试。参照国产微机械陀螺仪测试细则，对改进后的硅微陀螺仪进行整机性能测试。测试结果表明，本文的研究有效提高了硅微陀螺仪整机性能，主要体现在:常温与全温零偏相关指标的提升、标度因数线性度的提升以及陀螺测量带宽的提升。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 硅微陀螺研究概况

1．3 硅微陀螺测控电路研究状况

1．3．1 硅微陀螺仪接口电路

1．3．2 信号处理电路

1．4 课题研究背景及意义

1．5 课题来源及研究内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 研究内容

第二章 硅微陀螺仪基本理论

2．1 引言

2．2 硅微陀螺仪基本工作原理

2．2．1 哥氏加速度

2．2．2 动力学模型

2．2．3 机械灵敏度及带宽

2．3 硅微陀螺仪驱动与检测方式

2．3．1 静电驱动原理

2．3．2 硅微陀螺仪电容检测

2．4 数字化开环枪涮硅微陀螺仪介绍

2．5 总结

第三章 硅微陀螺仪接口电路研究

3．1 引言

3．2 电容检测电路典型结构

3．2．1 电荷放大器型

3．2．2 开关电容型

3．2．3 跨阻放大器型

3．3 环形二极管电容检测电路

3．3．1 工作原理

3．3．2 环形二极管电容检测电路特性分析

3．3．3 二极管非理想特性的影响

3．3．4 环形二极管电容检测电路总结

3．4 硅微陀螺仪接口电路实验与参数优化

3．5 总结

第四章 硅微陀螺仪温度补偿技术研究

4．1 引言

4．2 温度对硅微陀螺仪零偏的影响机理

4．2．1 温度对硅微陀螺模态参数的影响

4．2．2 温度对测控电路的影响

4．2．3 温度对零偏的影响

4．3 基于BP神经网络的温度补偿模型

4．3．1 神经网络技术概述

4．3．2 硅微陀螺仪BP神经网络温度补偿模型

4．3．3 BP神经网络在线温度补偿算法实现

4．4 硅微陀螺仪温度补偿实验

4．4．1 BP神经网络温度模型精度测试与分析

4．4．2 BP神经网络温度补偿测试与分析

4．5 总结

第五章 硅微陀螺仪开环检测带宽拓展研究

5．1 引言

5．2 硅微陀螺仪开环检测

5．2．1 硅微陀螺仪开环检测模型

5．2．2 检测模态开环系统带宽

5．3 开环检测状态下的带宽拓展

5．3．1 开环幅频特性校正

5．3．2 开环幅频特性校正实现

5．3．3 带宽拓展实验

5．4 总结

第六章 硅微陀螺仪整机性能测试与分析

6．1 系统结构

6．2 硅微陀螺仪试验设备

6．3 硅微陀螺仪整机性能测试

6．3．1 标度因数相关指标测试

6．3．2 零偏相关指标测试

6．3．3 带宽

6．3．4 阈值

6．3．5 分辨率

6．4 整体性能指标汇总

6．5 总结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文