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石英音叉微机械陀螺的微弱信号数字检测技术的仿真与系统误差研究

作　者: 余亮琴
导　师: 李圣怡
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 压电效应微弱信号数字检测机械耦合零位漂移相位偏移随机误差
分类号: TH703
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

石英音叉微机械陀螺是一种新型的微机械振动角速度传感器,由于其具有成本低、尺寸小、可靠性高、寿命长,又能在恶劣环境中工作的独特优点,逐渐在军事运用和商业应用方面显示了广阔的前景,以微陀螺为核心部件的微惯性测量组合(MIMU)的发展也日益蓬勃。但是陀螺的精度却越来越适应不了更高要求的应用场合。针对石英音叉微陀螺的微弱信号检测技术,本文通过仿真表明:利用数字相关解调方法提取陀螺信号可以很好地提高检测精度。本文主要在压缩信号带宽提高信噪比和分析误差源以减小系统误差两个方面展开分析研究,主要内容如下:1.阐述陀螺的工作机理,说明压电效应的物理机制,根据电极优化配置的电场强度分布分析微观晶元的所受应力,说明了石英音叉各种振动模式的动力来源2.仿真分析微弱信号数字检测技术在提高信号检测精度方面的优越之处,验证其利用压缩带宽提高信噪比的方法在陀螺信号解调上的可行性;对不同数字滤波器进行性能比较优化选择3.详细分析了温度变化对谐振频率、机械品质因素等的影响,得到谐振频率随温度变化趋势曲线,指出补偿温度变化对稳定信号输出的重要性4.利用声卡设计实用的数据采集系统,将声卡实际采集的数据结合仿真程序进行数字相关解调分析,零位偏值过大,线性度也不够理想,因此要合理选取前置放大系数,信号中的非线性误差也需要进一步消除5.分析了导致陀螺系统产生零位偏值、零位漂移、相位偏移以及随机噪声的原因,具体分析了几种主要因素(如质心偏离、不正交等)产生的机械耦合对系统的影响本文的仿真分析充分表明数字相关解调可以有效提高微弱信号检测精度,将之应用于石英音叉陀螺的信号检测是切实可行的;系统误差源的分析也为今后改进加工工艺,进行系统优化设计奠定了基础和提供了方向指导。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-20
  1.1 课题概述  10-13
    1.1.1 课题来源  10
    1.1.2 课题研究背景  10-12
    1.1.3 课题提出及其意义  12-13
  1.2 石英音叉微机械陀螺简介  13-18
    1.2.1 石英音叉微机械陀螺的基本原理  13-14
    1.2.2 石英音叉微机械陀螺的特点  14-15
    1.2.3 发展及其国内外研究现状  15-18
  1.3 本文主要研究工作及内容安排  18-20
第二章音叉式石英微机械陀螺的工作机理  20-36
  2.1 工作原理与哥氏效应  20-21
    2.1.1 哥氏效应与哥氏力  20-21
    2.1.2 悬梁耦合  21
  2.2 石英晶体相关的物理性质  21-25
    2.2.1 石英晶体的压电效应  21-23
    2.2.2 石英晶体的频温特性  23-25
  2.3 石英振子的等效电路  25-27
  2.4 陀螺的电极配置和弯曲振动方程  27-35
    2.4.1 陀螺的激励和检测电极配置  27
    2.4.2 石英梁的受力分析  27-32
    2.4.3 石英音叉弯曲振动方程  32-35
  本章小结  35-36
第三章陀螺信号数字解调的分析  36-48
  3.1 微弱信号检测原理与方法  36-41
    3.1.1 锁定放大器  36-39
    3.1.2 取样积分器  39-40
    3.1.3 滑动平均滤波器  40-41
  3.2 检测石英音叉微陀螺信号的原理与方法分析  41-43
  3.3 相关解调的特性分析  43-47
    3.3.1 最大似然估计的有效无偏估计  43-45
    3.3.2 最小可测信号  45
    3.3.3 动态储备  45-46
    3.3.4 等效噪声带宽  46
    3.3.5 信噪比的改善  46-47
  本章小结  47-48
第四章数字解调原理的仿真分析及对实测数据处理  48-62
  4.1 数字滤波器的设计  48-50
    4.1.1 IIR和FIR数字滤波器  48-49
    4.1.2 消除混叠的预滤波  49
    4.1.3 低通滤波器  49-50
    4.1.4 滤波器设计的一般原则  50
  4.2 理想信号的仿真分析  50-57
    4.2.1 微弱信号检测原理的仿真  50-56
    4.2.2 陀螺的幅度调制信号  56-57
    4.2.3 解调陀螺信号  57
  4.3 对声卡采集数据的分析处理  57-61
    4.3.1 数据采集系统原理  57-58
    4.3.2 数据的采集与相关解调  58-59
    4.3.3 陀螺输出信号分析  59-61
  本章小结  61-62
第五章石英音叉陀螺信号的系统误差  62-78
  5.1 陀螺信号的零位偏值  62-66
    5.1.1 加工偏差引起的机械耦合  62-65
    5.1.2 谐振频率间隔导致的机械耦合  65-66
  5.2 陀螺信号的零位漂移  66-71
    5.2.1 驱动电路和检测电路的稳定性  67
    5.2.2 驱动振动和感测振动谐振频率的变化  67-71
  5.3 陀螺信号的相位偏移  71-73
    5.3.1 系统相位延迟  71-72
    5.3.2 谐振频率和品质因素的影响  72-73
  5.4 陀螺信号的随机误差分析  73-76
    5.4.1 机械部分的误差  73-75
    5.4.2 电路部分的误差  75-76
  本章小结  76-78
第六章结束语  78-80
  6.1 全文研究总结  78-79
  6.2 未来工作展望  79-80
致谢  80-81
攻读硕士学位期间发表的论文  81-82
参考文献  82-85

石英音叉微机械陀螺的微弱信号数字检测技术的仿真与系统误差研究

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