旋转弹载免驱动三轴MEMS陀螺研究

摘要

针对常规弹药的体内安装空间有限且在发射和飞行过程中常处于高冲击、高动态、高旋转等恶劣环境，本文提出了一种旋转弹载免驱动三轴MEMS陀螺设计方案，该陀螺利用常规弹药的高旋作为驱动，来敏感弹体的偏航、俯仰角速率，因此省去了陀螺驱动结构及驱动电路的设计；通过对陀螺输出信号的分析、解算可提取出横滚、俯仰、偏航三个轴的角速率，实现单芯片的三轴角速率测量。
　　本文主的研究内容与成果如下：
　　1、建立了陀螺的数学模型。详细论述了陀螺的工作原理，根据工作原理建立了陀螺的动力学模型，并采用振动系统理论进行分析，得到了陀螺的稳态输出信号的模型。
　　2、设计了陀螺的敏感结构。在分析模型中的动力学参数的基础上，通过使陀螺敏感结构的固有频率、质量块振幅、抗过载能力达到最优并结合MEMS加工工艺对陀螺各部分结构进行设计。最后，用ANSYS软件对结构的固有频率、质量块振幅、抗过载能力进行了仿真验证。
　　3、设计了陀螺敏感结构的工艺流程。在对MEMS硅微加工工艺进行了详细的阐述的基础上，结合该陀螺的结构特点设计了陀螺加工工艺版图及工艺流程。
　　4、设计、制作了陀螺的微弱信号检测电路。首先，调研了微弱电容检测方式，通过对比各个检测方式的优缺点选择了桥式电路法来测量陀螺的输出信号。然后，围绕桥式电路及陀螺微电容变化的特点设计了陀螺的信号检测电路。最后，对该电路进行了测试。
　　5、设计及验证了陀螺三轴角速率解算程序。首先，对陀螺的输出信号进行分析，设计了陀螺三轴角速率的提取方法。然后，重点介绍了提取方案中相位差的计算、俯仰和偏航角速率的解算方法。最后，对该提取方法进行了实验验证。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容及论文结构安排

第二章 免驱动三轴MEMS陀螺理论分析与动力学建模

2.1 免驱动三轴MEMS陀螺工作原理

2.2 免驱动三轴MEMS陀螺动力学建模

2.3 本章小结

第三章 免驱动三轴MEMS陀螺结构设计与仿真分析

3.1 免驱动三轴MEMS陀螺的动力学参数分析

3.2 免驱动三轴MEMS陀螺敏感结构设计

3.3 免驱动三轴MEMS陀螺重要参数的仿真分析

3.4 本章小结

第四章 免驱动三轴MEMS陀螺加工工艺设计

4.1 硅微机械加工工艺概述

4.2 免驱动三轴MEMS陀螺加工工艺流程及版图设计

4.3 本章小结

第五章 免驱动三轴MEMS陀螺信号检测电路设计

5.1 微小电容检测方式概述

5.2 电学特性分析

5.3 检测电路的整体设计与实现

5.4 电路的测试

5.5 本章小结

第六章 免驱动三轴MEMS陀螺信号分析与处理

6.1 三轴角速率解算整体方案设计

6.2 三轴角速率解算关键技术研究

6.3 三轴角速率解算方法验证

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 工作总结

7.2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的研究成果

致谢