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微型梳状线振动陀螺仪特性及干扰因素影响的研究

作　者: 郭秋芬
导　师: 孙枫
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: MEMS梳状线振动陀螺仪特性动力学模型结构误差气压特性温度特性
分类号: V241.5
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

微机械陀螺惯性导航和稳定系统以其独特的优点,在航空、航天和航海等领域得到了广泛的应用,在现代以及可预见未来的高科技战场上,各种武器的精确打击能力已经成为影响战争结果的重要因素。强技术对抗的复杂战场环境迫切需要微型飞行器、微型机器人等微小型侦察设备,远距离精确打击迫切需要制导炸弹、炮弹、战区外投放武器等大量制导武器。大量的坦克、车辆、舰船、飞机上需要为武器、侦察、探测和通信装备提供各种要求的姿态稳定能力。数量巨大的需求促使惯性导航系统向低成本、微型化、低功耗、抗冲击的方向发展。微机械陀螺技术的发展,使得陆海空二炮各个军兵种的各种武器和武器运载工具将来有了可以普遍使用的低成本制导、导航和姿态稳定装备。本论文旨在研究MEMS陀螺仪的环境影响。本论文在深入调研与分析国内外MEMS梳状线振动陀螺仪相关理论与技术文献的基础上,归纳总结了该领域的主要内容与关键技术,详尽论述了MEMS陀螺仪的研究现状,存在问题与发展趋势。以MEMS梳状线振动陀螺仪为对象研究其结构、电容、静电力、动力学及干扰因素的影响,主要研究工作如下:1)根据国内外MEMS陀螺仪的实际情况,研究各种MEMS支撑弹性梁。结合U形曲折梁支撑结构和蛇形曲折梁支撑结构的优点设计出一种“几字形”支撑弹性梁。用能量平衡法,分析了“几字形”梁的物理性能,推导出“几字形”支撑弹性梁弹性系数的表达式,得到弹性梁在各个方向的弹性系数,总结出了这种弹性梁在各个方向间弹性系数的特点。从这些特点可以看出,“几字形”弹性梁很好的解决了各个轴向之间耦合的问题。2)针对各种空气阻尼模型,根据MEMS梳状线振动陀螺仪的梳齿结构以及空气阻尼的特点,建立了MEMS梳状线振动陀螺仪的阻尼模型。此模型的特点是在驱动及检测模态中都含有双面库埃特流阻尼和双面压膜阻尼。通过两种阻尼的结合,建立了MEMS梳状线振动陀螺仪驱动模态和检测模态的阻尼模型。运用空气动力学理论,根据给·吕蕯克、波义耳-马略特和查理等三个定律,建立了MEMS梳状线振动陀螺仪气压的模型,研究了气压对此陀螺仪的影响。通过研究看出,当气压在高度真空状态时,气压的微小变化就会引起陀螺仪阻尼及输出的急剧变化,当气压在低真空状态时,气压的微小变化会引起陀螺仪阻尼及输出的较大变化,当气压在接近标准大气压及大于标准大气压时,陀螺仪阻尼及输出的变化随着气压的变化不明显。因此,MEMS梳状线振动陀螺仪的工作气压最好定在标准大气压下,这样既满足了陀螺仪工作环境的要求,又有利于对气压的控制。3)针对MEMS梳状线振动陀螺仪的结构特点及其静电力的特点,建立了结构不对称的静电力耦合误差模型以及梳齿变形模型。从模型当中可以看出,梳齿之间的距离误差变化对陀螺仪的输出影响比较大,当距离误差小于原来距离的1/3时,输出误差不是非常明显,当距离误差大于原来距离的1/3小于2/3时,输出误差非常明显,当距离误差大于原来距离的2/3时,梳齿之间会产生吸合现象,损坏MEMS梳状线振动陀螺仪。4)建立了MEMS梳状线振动陀螺仪的动力学模型,分析了不理想模型误差,研究了载体加速度和绕其它轴转动的角速度对此陀螺仪的影响。5)针对MEMS梳状线振动陀螺仪的结构特点,利用机械动力学和热力学的知识,建立了MEMS梳状线振动陀螺仪的温度模型。理论分析及仿真结果表明,温度变化引起的结构尺寸变化在陀螺仪匀加速旋转时对陀螺仪的输出及相位的影响很大,不可以忽略不计。温度变化引起的刚度系数的变化对陀螺仪的输出及相位的影响都很大,随着温差的增加,陀螺仪的输出相应的减少。温度也会引起阻尼系数的变化,影响陀螺仪的输出。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-25
  1.1 课题研究的目的和意义  13-14
  1.2 MEMS陀螺仪的分类  14-16
    1.2.1 框架式MEMS陀螺仪  14-15
    1.2.2 线振动MEMS陀螺仪  15
    1.2.3 音叉式MEMS陀螺仪  15
    1.2.4 角振动式MEMS陀螺仪  15-16
    1.2.5 振动环式MEMS陀螺仪  16
    1.2.6 悬浮转子式MEMS陀螺仪  16
  1.3 MEMS陀螺仪的发展概况  16-20
    1.3.1 MEMS陀螺仪的国内外发展状况  16-20
    1.3.2 几种MEMS陀螺仪性能的比较  20
  1.4 外界环境因素对MEMS陀螺仪的影响  20-23
    1.4.1 温度对MEMS陀螺仪的影响  20-21
    1.4.2 载体复合运动对MEMS陀螺仪的影响  21
    1.4.3 声场对MEMS陀螺仪的影响  21-22
    1.4.4 电磁环境对MEMS陀螺仪的影响  22-23
    1.4.5 气压变化对MEMS陀螺仪的影响  23
  1.5 论文的主要工作和创新点  23-25
第2章 MEMS梳状线振动陀螺仪弹性梁的设计及其分析  25-42
  2.1 MEMS梳状线振动式陀螺仪的基本结构及工作原理  25-26
  2.2 MEMS梳状线振动陀螺仪弹性梁设计及模态分析  26-41
    2.2.1 MEMS梳状线振动陀螺仪弹性梁的设计  29-30
    2.2.2 MEMS梳状线振动陀螺仪振动频率的分析  30-36
    2.2.3 MEMS梳状线振动陀螺仪检测模态频率的分析  36-38
    2.2.4 MEMS梳状线振动陀螺仪振动频率有限元仿真分析  38-41
  2.3 本章小结  41-42
第3章 MEMS梳状线振动陀螺仪的阻尼分析及压强影响的研究  42-78
  3.1 引言  42
  3.2 几种不同运动阻尼方式分析  42-47
    3.2.1 一维的平动情况  43-44
    3.2.2 非平动平板阻尼  44-45
    3.2.3 二维有限平板  45-46
    3.2.4 双面阻尼  46-47
  3.3 MEMS梳状线振动陀螺仪的阻尼分析  47-65
    3.3.1 库埃特流阻尼模型  47-54
    3.3.2 压膜阻尼模型  54-60
    3.3.3 MEMS梳状线振动陀螺仪阻尼模型  60-65
  3.4 气压对MEMS梳状线振动陀螺仪阻尼的影响研究  65-77
    3.4.1 气压对压膜阻尼的影响研究  66-73
    3.4.2 气压对库埃特流阻尼的影响研究  73-75
    3.4.3 MEMS梳状线振动陀螺仪最佳气压工作点  75-77
  3.5 本章小结  77-78
第4章 MEMS梳状线振动陀螺仪的静电力及载体运动影响的研究  78-118
  4.1 MEMS梳状线振动式陀螺仪的静电力特性分析  78-84
    4.1.1 受力分析  78-84
  4.2 理想状态MEMS梳状线振动陀螺仪的运动分析  84-90
    4.2.1 载体匀速旋转  85-87
    4.2.2 载体匀加速旋转  87-90
  4.3 MEMS梳状线振动陀螺仪的动力学模型  90-94
  4.4 旋转角速度对MEMS梳状线振动陀螺仪的影响  94-96
  4.5 载体加速度对MEMS梳状线振动陀螺仪的影响  96-98
  4.6 结构对不称时MEMS梳状线振动陀螺仪的运动分析  98-116
    4.6.1 结构不对称造成的梳齿变形的分析  99-104
    4.6.2 产生的零点信号  104-105
    4.6.3 载体匀速旋转时的输出  105-108
    4.6.4 载体匀加速旋转时的输出  108-116
  4.7 本章小结  116-118
第5章 MEMS梳状线振动陀螺仪温度影响研究  118-132
  5.1 引言  118
  5.2 温度对MEMS梳状线振动陀螺仪结构尺寸的影响  118-121
  5.3 温度对MEMS梳状线振动陀螺仪的弹性模量的影响  121-126
  5.4 温度对MEMS梳状线振动陀螺仪阻尼的影响  126-127
  5.5 温度对MEMS梳状线振动陀螺仪品质因子的影响  127-128
  5.6 温度对MEMS梳状线振动陀螺仪输出综合的影响  128-130
  5.7 本章小结  130-132
第6章 MEMS梳状线振动陀螺仪参数测试  132-149
  6.1 引言  132
  6.2 性能指标  132-135
    6.2.1 标度因子、标度因子稳定性  132-133
    6.2.2 阈值、分辨率及灵敏度  133
    6.2.3 量程  133
    6.2.4 零偏  133-134
    6.2.5 随机漂移  134
    6.2.6 带宽  134-135
  6.3 试验  135-148
    6.3.1 模态特性测试  135-137
    6.3.2 标度因子与零偏测试  137-145
    6.3.3 温度循环测试  145-148
  6.4 本章小结  148-149
结论  149-151
  一、本课题的工作总结  149-150
  二、今后课题的展望  150-151
参考文献  151-161
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  161-163
致谢  163-164
附录 A 主要符号定义及说明  164-173
附录 B ALLAN方差计算说明  173-177

微型梳状线振动陀螺仪特性及干扰因素影响的研究

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