【摘 要】
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MEMS振动陀螺作为一种角速度传感器,一般基于陀螺内部微机械谐振器的正交模态间的哥氏耦合效应工作。共振是振动式陀螺工作运行的基础,基于参数共振现象的参数激励技术在许多领域得到了广泛研究。本文以蜂巢式MEMS陀螺为研究对象,深入探究参数激励在振动式陀螺中的作用机理;通过参数激励技术调控陀螺的“等效Q值”,进而提升陀螺的相关性能。主要研究内容如下:介绍了蜂巢式MEMS陀螺的基本结构和工作原理并建立其动
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MEMS振动陀螺作为一种角速度传感器,一般基于陀螺内部微机械谐振器的正交模态间的哥氏耦合效应工作。共振是振动式陀螺工作运行的基础,基于参数共振现象的参数激励技术在许多领域得到了广泛研究。本文以蜂巢式MEMS陀螺为研究对象,深入探究参数激励在振动式陀螺中的作用机理;通过参数激励技术调控陀螺的“等效Q值”,进而提升陀螺的相关性能。主要研究内容如下:介绍了蜂巢式MEMS陀螺的基本结构和工作原理并建立其动力学模型,分析了参数激励的作用机理以及在机械谐振器中的实现方法。基于对称式陀螺控制系统的特点,提出了同相二倍频和反相三倍频参数激励方法,并推导了陀螺参数激励系统的动力学方程。采用谐波平衡法对方程进行求解,对其动力学特性分析发现,参数激励产生参数放大或参数抑制的效果取决于参数泵相位。理想情况下,在幅值开环模式,参数放大增益的倒数随参数泵电压的增大而线性减小;而在恒幅控制模式,驱动电压随着参数泵电压的升高而线性降低。通过对参数激励系统的稳定性研究发现,在临界稳定状态下陀螺可进入二次谐波激励模式,陀螺二次谐波响应信号的演化趋势与泵浦电压的大小密切相关。基于蜂巢式MEMS陀螺样机对上述理论分析结果进行了实验验证,并利用参数激励技术提升了陀螺的等效Q值和机械灵敏度。当驱动轴施加130m V参数泵时,陀螺的等效衰减时间从21.08s延长至168.81s,等效Q值约提升为原来的8倍;在检测轴施加150m V参数泵时,陀螺的机械灵敏度提升至原来的25.3倍。最后将参数放大和参数抑制相结合,实现了陀螺的快速响应控制,当参数泵电压为1V时,上升时间从40.9s缩短至5.7s,调节时间从16.1s缩短至7.3s。
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