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谐振式陀螺仪研究报告

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基于数字三角波相位调制的谐振式光纤陀螺的开题报告

基于数字三角波相位调制的谐振式光纤陀螺的开题报告

基于数字三角波相位调制的谐振式光纤陀螺的开题报告1.研究背景及意义光纤陀螺作为一种基于纯光学、无机械运动部件的惯性传感器，其具有高灵敏度、高精度、长稳定时间、抗干扰能力强等优点，已经广泛应用于航天、惯性导航等领域。

其中，谐振式光纤陀螺具有被动稳定性好、对环境干扰抑制能力强等优点，是目前应用较为广泛的光纤陀螺之一。

然而，传统的谐振式光纤陀螺中，一般采用相位调制技术来提高陀螺输出信号的灵敏度，但是相位调制技术存在灵敏度和调制范围之间的矛盾，无法在灵敏度和调制范围之间达到良好的平衡。

因此，本研究将基于数字三角波相位调制技术，设计一种新型的谐振式光纤陀螺，以提高其灵敏度和稳定性，进一步拓展其在惯性测量领域的应用。

2.研究内容及方法本研究将通过以下步骤完成对基于数字三角波相位调制的谐振式光纤陀螺的研究：1)理论模型构建：建立基于数字三角波相位调制的谐振式光纤陀螺数学模型，分析其结构特点及其工作原理。

2)系统设计与实现：设计并实现数字三角波相位调制谐振式光纤陀螺系统，包括传感器结构设计、数字三角波发生器设计、信号处理电路设计等。

3)系统性能测试：通过实验测试，分析数字三角波相位调制谐振式光纤陀螺的灵敏度、稳定性、动态特性等性能指标，并与传统相位调制谐振式光纤陀螺进行对比分析。

4)探究优化方案：在理论模型和实验测试的基础上，探究数字三角波相位调制谐振式光纤陀螺系统优化方案，进一步提高其性能指标。

3.研究预期成果本研究将设计并实现一种基于数字三角波相位调制的谐振式光纤陀螺，主要预期成果包括：1)理论模型：建立数字三角波相位调制谐振式光纤陀螺的数学模型，分析其结构特点及工作原理。

2)系统设计与实现：设计并实现数字三角波相位调制谐振式光纤陀螺系统，包括传感器结构设计、数字三角波发生器设计、信号处理电路设计等。

3)系统性能测试结果：通过实验测试，分析数字三角波相位调制谐振式光纤陀螺的灵敏度、稳定性、动态特性等性能指标，并与传统相位调制谐振式光纤陀螺进行对比分析。

陀螺仪实验报告

陀螺仪实验报告

university of science and technology of china 96 jinzhai road, hefei anhui 230026,the people’s republic of china陀螺仪实验实验报告李方勇 pb05210284 sist-05010 周五下午第29组2号2006.10.22 实验题目陀螺仪实验（演示实验）实验目的1、通过测量角加速度确定陀螺仪的转动惯量；2、通过测量陀螺仪的回转频率和进动频率确定陀螺仪的转动惯量；3、观察和研究陀螺仪的进动频率与回转频率与外力矩的关系。

实验仪器①三轴回转仪；②计数光电门；③光电门用直流稳压电源（5伏）；④陀螺仪平衡物；⑤数字秒表（1/100秒）；⑥底座（2个）；⑦支杆（2个）；⑧砝码50克+10克（4个）；⑨卷尺或直尺。

实验原理1、如图2用重物（砝码）落下的方法来使陀螺仪盘转动，这时陀螺仪盘的角加速度?为：?=d?r/dt=m/ip (1) 式中?r为陀螺仪盘的角速度，ip为陀螺仪盘的转动惯量。

m=f.r为使陀螺仪盘转动的力矩。

由作用和反作用定律，作用力为：f=m(g-a) (2) 式中g为重力加速度，a为轨道加速度（或线加速度）轨道加速度与角加速度的关系为：a=2h/tf2； ?=a/r (3) 式中h为砝码下降的高度，r如图1所示为转轴的半径，tf为下落的时间。

将(2)(3)代入(1)2ip?2mr2t?h2mgr可得： (4)2f测量多组tf和h的值用作图法或最小二乘法拟合数据求出陀螺仪盘的转动惯量。

2、如图3所示安装好陀螺仪，移动平衡物w使陀螺仪ab轴（x轴）在水平位置平衡，用拉线的方法使陀螺仪盘绕x轴转动（尽可能提高转速），此时陀螺仪具有常数的角动量l：l=ip.?r (5) 当在陀螺仪的另一端挂上砝码m（50g）时就会产生一个附加的力矩m*，这将使原来的角动量发生改变：dl/dt=m*=m*gr* (6) 由于附加的力矩m*的方向垂直于原来的角动量的方向，将使角动量l变化dl，由图1可见： dl=ld?这时陀螺仪不会倾倒，在附加的力矩m*的作用下将会发生进动。

谐振式陀螺仪研究报告

谐振式陀螺仪研究报告

DETF模态分析
目的 • 主要关心的是驱动模态，要让它成为主要模态，同时要防 止有其它模态的固有频率为驱动模态固有频率的2倍，避免 和检测信号混淆，或引起不必要的其它模态运动。
DETF谐响应分析
结论： • 最大位移响应出现在外加驱动频率等于DETF驱动模态固有 频率处，中心点最大位移幅度值为：5.63um。
陀螺仪质量块有限元模型
三项措施： 1.将敏感质量做成回字型, 在 有限的制版面积内实现了较大敏感 质量； 2.用杠杆放大机构, 把科氏力 放大后作用于DETF一端； 3.用了双DETF实现了差动测 量,总频率差为单DETF测量的两倍。
陀螺质量块模态分析
主要目标： 陀螺的驱动模态的固有振动频 率必须在我们期望的范围内，这个 期望的频率范围是根据目前可能采 用检测的手段、用DETF可以测量 的要求来确定的 通过结构设计，使驱动模态成 为陀螺的第一模态，且避免有驱动 模态与检测模态的倍频的模态出现
驱动信号的检测
硅微机械谐振式陀螺是一个微机电系统，微机械的振 动系统与驱动、检测振动系统输出信号的电路构成一个整 体。 梳齿驱动器的振动情况可以通过检测静齿电容的变化， 得到为测试陀螺的性能，设计开环驱动测试方案，目的是 分别测量陀螺质量块和各个DETF的驱动特性曲线，测量施 加的直流偏置电压以及交流驱动电压对陀螺输出响应的影 响。
陀螺质量块的谐响应分析
陀螺质量块的分析，就是在模态分析的基础上，采用 振型叠加法来仿真在驱动模态时陀螺质量块上各点的实际 响应值，从而对结构的设计进行验证和优化。步骤如下： • 1)首先建立有限元等效模型。 • 2)进行模态分析，求出所需驱动模态的固有频率． • 3)在陀螺内框驱动齿上施加驱动载荷。
日本研究现状
• 其主要的研究机构有东京大学尖端技术室和日立、住友电 工、三菱、日本航空电子工业 (JAE)等公司。其最重要的 贡献在于简化了干涉型光纤陀螺的系统配置 ,大大地降低 了系统成本 ,使光纤陀螺的民用范围得到很大的扩展 ,例 如:用于汽车导航系统、 清洁机器人、光罗盘、农用直升 机姿态控制系统等。

谐振式光纤陀螺调相检测分析

谐振式光纤陀螺调相检测分析

E R-out = 式中参数分别定义如下
(1-
C1 ) ( 1 2
C2 ) E0
J n( M ) exp( j2 f nt ) hnexp( i n) ,
n= -
hn = ( 1- C4 ) 1-
( 1-
Q)2 +
( 14Q sin2 [
Q)2 (f
+
nf m ) / F SR] ,
=
1-
1 (1-
V out = PD Jn J n+ 1 hnh n+ 1 s in( n+ 1 - n ) , ( 6b) n
式中 D 表示解调电路的总增益。利用贝塞尔函数性 质: J2n+ 1 ( M ) = - J- ( 2n+ 1) ( M ) , J2n ( M ) = J- 2n ( M ) , 式 ( 6b) 可简化为
ZH ANG Xu- lin, M A H u-i lian, DING Chun, JIN Zhong- he
( D ep ar tment of I nf o rmation S cience & Electr onic E ngineer ing, Zhej iang Univer sity , H angz hou, Zhej iang 310027, China)
Abstract Reso nat or f iber optic g yr o ( R- FO G ) is a pro mising candidate fo r the nex t g ener ation inert ial r otation sensor . T he sig nal detectio n system is very impo rtant in the R- F OG . T he detection precision influences the ult imate resolution o f the g yr o dir ectly. Optimization of the demodulation curv e can enhance the detection r eso lutio n. T herefor e, it has sig nificance to optimize the demo dulation cur ve. By the use of ex pansion o f Bessel funct ion and optical field over lapping method, the relatio n betw een the demodulation curv e and the resonant frequency deviation was analyzed. A cco rding to the analyt ical ex pr ession of the demodulation curv e in this phase mo dulation spectro sco py scheme, t he chang ing rule fo r the curv e w as analy zed by the numer ical method. T hen optim ized values for t he mo dulation frequency and modulation index wer e obtained. T he ex periments ver ified the analytical results. Key words optoelectro nics; resonator fiber o ptic g yr o; signal detectio n; resolut ion

谐振式光纤陀螺系统建模及其应用研究

谐振式光纤陀螺系统建模及其应用研究

谐振式光纤陀螺系统建模及其应用研究
邹康;曲天良;郑畅;张熙;王晨晟
【期刊名称】《导航定位与授时》
【年(卷),期】2024(11)2
【摘要】谐振式光纤陀螺作为高精度角速度传感器,以其集成化高、成本低以及抗干扰性强等独有优势,逐渐成为下一代光学陀螺研究发展的热点。

通过对谐振式光纤陀螺工作原理的分析,建立了陀螺数字信号处理系统可视化模型,并对系统谐振曲线和同步解调曲线等开环输出以及锁频反馈下闭环输出进行了模拟仿真。

利用仿真模型分析了正弦波调制下谐振谱分裂现象,并搭建实验装置对其进行了验证。

结果表明,实验中正弦信号调制频率高于系统谐振输出半高全宽一半,即对应2 MHz时,谐振谱分裂会导致同步解调输出线性区域出现明显失真,严重恶化了标度因数线性度。

因此,搭建的谐振式光纤陀螺仿真模型能够准确而有效地模拟系统的工作状态,在系统噪声抑制和精度提升方面具有指导性意义。

【总页数】11页(P35-45)
【作者】邹康;曲天良;郑畅;张熙;王晨晟
【作者单位】华中光电技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN248.4
【相关文献】
1.谐振式光子晶体光纤陀螺环路建模与仿真
2.基于单片FPGA的谐振式光纤陀螺数字系统设计与实现
3.谐振式光纤陀螺数字检测系统中A/D、D/A研究
4.谐振式光纤陀螺多激光器系统相对频率噪声抑制（英文）
5.宽谱光源谐振式光纤陀螺谐振特性分析
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熔融石英微半球谐振陀螺品质因数提升技术研究

熔融石英微半球谐振陀螺品质因数提升技术研究

目录摘要 (i)ABSTRACT (ii)第一章绪论 (1)1.1课题研究背景及意义 (1)1.2微半球谐振陀螺品质因数研究现状 (2)1.2.1国外研究现状 (2)1.2.2国内研究现状 (5)1.3已有研究基础 (7)1.4论文主要内容 (10)第二章熔融石英微半球谐振陀螺品质因数分析 (11)2.1微半球谐振陀螺结构简介 (11)2.2微半球谐振结构品质因数测试原理及方法 (12)2.3微半球谐振陀螺品质因数影响因素分析 (14)2.3.1表面金属化影响 (15)2.3.2结构真空封装影响 (17)2.4本章小结 (20)第三章熔融石英微半球谐振陀螺加工与装配工艺 (21)3.1熔融石英微半球谐振陀螺加工工艺 (21)3.2微半球谐振陀螺微装配工艺 (22)3.3基于电容检测的高精度微装配平台设计 (24)3.3.1设计原理 (25)3.3.2水平对准误差控制 (27)3.3.3电容调整平台结果测试 (29)3.4基于金锡键合的装配工艺探索 (31)3.4.1金锡键合原理 (31)3.4.2键合装置设计 (32)3.5本章小节 (35)第四章表面金属化对微半球谐振结构品质因数的影响 (36)4.1表面金属化工艺 (36)4.2表面金属化工艺对微半球谐振结构品质因数影响实验 (37)4.2.1表面金属化对谐振结构品质因数影响实验 (37)4.2.2表面金属层厚度对谐振结构品质因数影响实验 (39)4.3残余应力对谐振陀螺品质因数影响分析与实验 (41)4.4本章小结 (43)第五章结构封装对微半球谐振陀螺品质因数的影响 (44)5.1压强变化对微半球谐振陀螺品质因数影响实验 (44)5.2真空封装工艺 (45)5.3封装效果测试 (46)5.4本章小结 (49)第六章总结展望 (50)6.1全文总结 (50)6.2研究展望 (51)致谢 (52)参考文献 (54)作者在学期间取得的学术成果 (58)表1.1国外微半球品质因数研究现状 (5)表1.2国内微半球品质因数研究现状 (7)表2.1材料属性表 (15)表3.1打孔测试实验数据 (28)表3.2对准孔尺寸 (28)表3.3调整平台装配陀螺样机各管脚电容值 (30)表3.4普通装配陀螺样机各管脚电容值 (30)表3.5不同中间层熔点说明 (31)表3.6金锡合金物理性能列表 (31)表3.7键合陀螺样机各管脚电容值 (34)表4.1镀膜前后数据对比 (39)表4.2锚点到T型质量块电阻分布 (40)表4.3不同金属层表头品质因数测试数据 (41)表4.4退火前后品质因数对照表 (42)表5.1微半球陀螺封装前后品质因数对照表 (48)图1.1密歇根大学研制的熔融石英谐振结构 (2)图1.2Birdbath微半球陀螺 (3)图1.3微半球谐振结构 (3)图1.4两种尺寸实物图 (3)图1.5密歇根大学提出的牺牲层微装配方案 (4)图1.6熔融石英和TSG微半球谐振结构 (4)图1.7基于面外电极的熔融石英微半球谐振陀螺 (4)图1.8金锡键合示意图 (5)图1.9多晶硅微半球陀螺结构 (6)图1.10东南大学吹制的Pyrex谐振结构 (6)图1.11中北大学吹塑工艺及谐振结构 (6)图1.12基于机械放大单元的微半球谐振陀螺结构 (7)图1.13课题组现有加工工艺 (8)图1.14基于机械放大单元的微半球谐振结构加工工艺 (8)图1.15谐振结构加工平台结构简图 (9)图1.16带T型质量块的谐振结构示意图 (9)图2.1微半球谐振结构示意图 (11)图2.2微半球谐振陀螺工作模态图 (12)图2.3微半球谐振结构简化模型及n=2阶振型图 (16)图2.4热弹性品质因数与金属层厚度关系图 (16)图2.5T型质量块压膜阻尼示意 (17)图2.6T型质量块压强分布图 (18)图2.7T型质量块阻尼力与压强关系曲线 (20)图3.1微半球谐振陀螺加工工艺 (21)图3.2导电胶装配平台设计图及实物图 (23)图3.3对准标记示意图 (23)图3.4微半球谐振结构装配工艺流程 (24)图3.5两种装配完成的陀螺样机 (24)图3.6电容检测平台结构说明 (25)图3.7水平对准定位示意 (26)图3.8电容检测平台工作原理 (26)图3.9电容检测平台照片 (27)图3.10单个电极与T型质量块角度示意 (29)图3.11电极管脚对照说明 (29)图3.12环向电容数据对比 (30)图3.13金锡键合金属层分布示意图 (32)图3.14键合装置结构说明 (32)图3.15电极对中示意 (33)图3.16电容间隙相对关系柱状图 (34)图3.17锚点面型测量结果 (35)图4.1溅射原理示意图 (36)图4.2激光测振系统 (38)图4.3未镀膜谐振结构扫频曲线 (38)图4.4谐振结构电阻测量点示意图 (39)图4.5微半球谐振陀螺样机 (40)图4.6不同金属层品质因数分布图 (41)图5.1品质因数随压强变化趋势图 (44)图5.2微半球陀螺封装工艺流程 (45)图5.3微半球陀螺封装用管壳 (46)图5.4谐振陀螺样机扫频测试系统 (47)图5.5扫频数据曲线图 (47)图5.6微半球陀螺封装前后品质因数对比 (48)摘要陀螺仪是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件。

金属壳谐振陀螺研究进展

金属壳谐振陀螺研究进展刘宁;苏中;李擎【摘要】金属壳谐振陀螺是振动陀螺的一个重要分支,其敏感结构为金属制成的壳体,称为金属谐振子,当谐振子随载体旋转时,哥氏效应引起敏感结构振型的"移动"是其对"旋转"敏感的基本表现形式.金属壳谐振陀螺不仅具有传统陀螺的惯性品质,而且具有能够抗高过载、量程大的特点,这是其他类型陀螺所不具备的.本文综述了金属壳谐振陀螺的研究进展,从设计思想、理论建模、结构设计、信号处理等方面进行了讨论,并指出了金属壳谐振陀螺的发展趋势.%Metal shell vibratory gyro is an important branch of vibratory gyroscope,the sensitive structure of metal shell is called metal resonatro,when resonator rotate with vector,mobility of resonator caused by the Coriolis effect is the basic form of "spin" sensitive. Metal shell vibratory gyroscope not only has traditional gyro inertia quality, but also has features of characteristics that can resist high overload,and has large range ,this is what other types of gyro do not have. Research progress of metal shell vibratory gyroscope is reviewed,from design idea,theory modeling,structure design,signal processing,etc,are discussed,and development trend of metal shell resonant gyroscope are pointed out.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2017(036)010【总页数】6页(P4-9)【关键词】金属壳谐振陀螺;振动陀螺;哥氏效应;谐振子【作者】刘宁;苏中;李擎【作者单位】高动态导航技术北京市重点实验室北京信息科技大学,北京100101;高动态导航技术北京市重点实验室北京信息科技大学,北京100101;高动态导航技术北京市重点实验室北京信息科技大学,北京100101【正文语种】中文【中图分类】TQ028.1金属壳谐振陀螺因其采用合金材料作为谐振子，具有结构强度高、抗过载能力强的优点，在兼顾抗过载、量程和精度上表现出了巨大的潜力[1～8]。

微玻璃半球谐振陀螺的结构设计及工艺研究

微玻璃半球谐振陀螺的结构设计及工艺研究摘要半球谐振陀螺是利用Coriolis效应工作的振动惯性器件，由于这种陀螺具有较高的精度和可靠性，而且拥有较长的工作寿命，所以其极具发展潜力。

MEMS是将微电子技术与机械工程融合在一起的一种工业技术，其具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产的特点。

本论文提出了基于MEMS技术的微型玻璃半球谐振陀螺的设计构想，设计并制备出不同结构的微型玻璃半球谐振陀螺，具有高性能、小体积和低成本的优点。

本文首先介绍了微型半球谐振陀螺的研究背景和国内外现状，分析了半球谐振陀螺的工作原理。

在此基础上，本文提出了基于吹塑成型的微玻璃半球谐振子结构，并通过有限元仿真对微玻璃半球谐振子进行了模态分析和谐响应分析，得到其谐振频率；提出了环形电极和硅电极两种结构，对两种电极结构与谐振子的有效平均距离进行了计算。

然后针对上述微玻璃半球谐振子结构及电极结构特点，分别设计了基于同步吹塑成型和基于硅-玻璃-硅三层阳极键合的微玻璃半球谐振陀螺的工艺制备流程，并完成了芯片的加工制备。

最后，利用扫描电子显微镜和原子力显微镜对微玻璃半球谐振陀螺进行形貌表征，分析表明基于同步吹塑成型的微玻璃半球谐振子与环形电极的距离为73微米，基于硅-玻璃-硅三层阳极键合的微玻璃半球谐振子与硅电极的距离为8±2微米，谐振子的平均表面粗糙度R a为0.217纳米，环形电极与谐振子形成的电容值C c为0.07226pF，硅电极与半球谐振子间的电容为C s为0.927pF，均在合理的参数范围内。

关键词：MEMS，微玻璃半球谐振子，电极结构，吹塑成型Design and Fabrication of Micro-glass Hemispherical ResonantGyroscopeAbstractHemispherical resonant gyroscope (HRG) is a vibration inertial device which is used to the Coriolis effect. HRG has an extremely development potential because it has many advantages, include high precision, high reliability and long-life cycle. Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) is an industrial technology which is merged by microelectronics technology and mechanical engineering. MEMS have many advantages include miniaturization, intelligent, multifunction, high integration and applied batch production. This thesis is presented a design concept of micro glass HRG that is based on MEMS technology. The micro glass HRGs have different electrodes structure that are designed and fabricated and have many advantages include high performance, small size and low cost.First, the research background and the research status in China and in foreign countries are introduced and the working principle of the HRG is analyzed in this thesis. Then, the micro glass HRG structure based on the blow molding is presented and the modal analysis and harmonic response analysis of the structure are simulated by finite element analysis software. Circular glass electrodes structure and silicon electrodes structure are presented, and the effective average distance between hemispheric shell resonator and two new electrode structures are calculated respectively. Next, the fabrication processes of the two electrode structures based on the blow molding and based on the silicon-glass-silicon anodic bonding are designed and fabricated. Finally, the micro glass HRG is characterized by scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM). The distance between hemispheric shell resonator and circular electrode is 73μm, and the distance between hemispheric shell resonator and silicon electrode is 8±2μm. The average roughness of hemispheric shell resonator is 0.217nm. These parameters measured by SEM and AFM are reasonable for the micro glass HRG. The capacitance between the hemispheric shell resonator and circular glasselectrodes(C c) is 0.07226pF, and the capacitance between the hemispheric shell resonator and silicon electrodes(C s) is 0.927pF.Keywords: MEMS, micro glass HRG, electrode structure, blow molding.目录1. 绪论 (1)1.1课题研究的意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.2.1 国外研究现状 (2)1.2.2 国内研究现状 (9)1.3本课题主要研究内容 (10)2.微玻璃半球谐振陀螺的工作原理 (13)2.1微玻璃半球谐振陀螺的工作原理 (13)2.2微玻璃半球谐振陀螺的工作模式 (14)2.3微玻璃半球谐振陀螺的激励与检测 (16)2.3.1微玻璃半球谐振陀螺的激励 (16)2.3.2微玻璃半球谐振陀螺的检测 (17)2.4本章小结 (18)3. 微玻璃半球谐振陀螺结构设计与分析 (19)3.1微玻璃半球谐振陀螺的结构设想 (19)3.1.1环形玻璃电极的微玻璃半球谐振陀螺 (19)3.1.2硅电极的微玻璃半球谐振陀螺 (19)3.2微玻璃半球谐振陀螺的结构 (20)3.3微玻璃半球谐振子的结构 (22)3.3.1微玻璃半球谐振子的模态分析 (22)3.3.2微玻璃半球谐振子的谐响应分析 (25)3.4微玻璃半球谐振陀螺电极的结构 (26)3.4.1环形玻璃电极结构 (27)3.4.2硅电极结构 (30)3.4.3两种电极结构的比较 (31)3.5本章小结 (32)4. 微玻璃半球谐振陀螺工艺加工及表征 (34)4.1微玻璃半球谐振子吹塑成型的原理 (34)4.2基于环形电极的微玻璃半球谐振陀螺工艺加工流程 (35)4.2.1 基于环形电极的微玻璃半球谐振陀螺的版图设计 (36)4.2.2 基于环形电极的微玻璃半球谐振陀螺工艺流程 (37)4.3基于硅电极的微玻璃半球谐振陀螺工艺加工流程 (41)4.3.1 基于硅电极的微玻璃半球谐振陀螺的版图设计 (41)4.3.2.基于硅电极的微玻璃半球谐振陀螺的工艺流程 (43)4.4微玻璃半球谐振陀螺的表征 (46)4.4.1 普通光学显微镜的整体形貌观测 (47)4.4.2 扫描电子显微镜的观测 (49)4.4.3 原子力显微镜的观测 (52)4.4.4 电容测试 (52)4.5 本章小结 (53)5.总结与展望 (54)5.1工作总结 (54)5.2论文创新点 (55)5.3工作展望 (55)参考文献 (57)攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果 (62)致谢 (63)1. 绪论1.1课题研究的意义随着社会的进步和科技的发展，人类发现一些旋转的物体具有独特的物理现象，并通过这些物理现象可以感测旋转运动体的旋转特性，比如角速度、角加速度等。

动力调谐陀螺仪再平衡回路的数字控制器的设计与分析的开题报告

动力调谐陀螺仪再平衡回路的数字控制器的设计与分析的
开题报告
一、选题背景
随着科技的不断发展，陀螺仪在导航、定位、无人机、航模等领域中得到广泛的应用。

其中，动力调谐陀螺仪能够通过电机的转速调节实现陀螺仪在运动中的稳定性，但其控制系统需要精细设计与分析，以达到复杂运动状态下的稳定控制。

本研究旨在
设计并分析数字控制器，以调节陀螺仪的运动状态，从而使其适用于更为复杂的情况。

二、研究目的
本研究旨在设计一种数字控制器，通过数学建模与仿真验证，探究动力调谐陀螺仪在复杂运动状态下的稳定性与控制策略，以期提高陀螺仪的稳定性和运动控制性能。

三、研究内容
本研究的具体内容包括以下方面：
1. 动力调谐陀螺仪的工作原理与数学模型建立。

2. 数字控制器的设计：PID控制器与模糊控制器。

3. 控制器的仿真验证：利用MATLAB/Simulink等仿真工具，搭建动力调谐陀螺
仪的数学模型，以及设计的数字控制器，进行短时稳定性、长时间稳定性等方面的仿
真验证。

4. 分析设计的控制策略：通过仿真实验数据的分析，提出改进控制策略的思路并进行实现。

5. 结果与分析：对仿真实验数据进行统计与分析，得出数字控制器的优化方案与控制策略的改进方向。

四、预期成果与意义
本研究旨在提出一种数字控制器，通过仿真实验数据的分析，得出数字控制器的优化方案与控制策略的改进方向，从而提升动力调谐陀螺仪在复杂运动状态下的稳定
性和运动控制性能。

这将有助于陀螺仪在导航、定位、无人机、航模等领域的应用，
并对控制领域的研究与发展有所促进。

基于环形腔的谐振光纤陀螺仪仿真及设计研究

第 27 卷 第 5 期
2 0 0 8 年 10 月
V 0 1 2 7 No
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基 于 环 形腔 的谐振 光纤陀螺仪仿 真及设 计研 究
率 的 关 系进 行 了 仿 真
光 器线宽
一
工
艺 器件 的 最佳 选 择
、
同 时 对谐 振 腔 输 出光 强 与 输
，
一
光频
。
结 果表 明 输 出光 强 与谐 振 频 率偏 差 在
，
一
靠近 谐 振 点
附近 存在
个 良好 的 线 性
，
工
作 区 ；在 激
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谐振 腔 光 纤 陀 螺是 利用 光 学 效应 实 现 转 速 检 测 的
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工作原理
外质量块通过梳齿驱动, 在驱动方 向作往复运动。由于科式效应, 当陀 螺受到外加角速度时, 外质量块会产 生科氏力, 该科氏力通过折叠梁传入 内质量块, 然后被杠杆机构放大作用 于DETF 一端, 从而改变DETF 的固 有频率。因此, 通过解调正弦输出频 率, 可以得到外界输入的角速度。
MEMS陀螺仪的特点及分类
• 目前, 世界上许多研究单位、公司都在结合自己国内的加 工手段及信号检测措施对微机械陀螺展开研究。微机械陀 螺的种类很多, 按驱动方式可分为静电驱动陀螺、电磁驱 动陀螺和压电驱动陀螺等;按检测方式可分成电容式陀螺、 谐振式陀螺、压阻式陀螺、压电式陀螺、光学陀螺和隧道 陀螺等。相比于其他类型的微机械陀螺, 谐振式微机械陀 螺具有高灵敏度、大动态范围等特点, 其准数字输出也使 其更易于与数字信号处理系统集成。
总结
• 3)DETF的分析与设计 对用DETF进行微机械陀螺输出科氏力的测量进行详细 的研究。提出对DETF来说，因为采用的是单边驱动，所以 仅当DETF工作在驱动谐振模态时，其直流项及二次谐波项 部分驱动力对位移的影响才很小，才可以忽略不计。在采 用基频率激励时，直流电压取大些，交流电压取小些，也 可以减小谐波项的影响。
谐振式陀螺仪研究报告
MEMS陀螺仪工作原理
• MEMS陀螺仪利用科里奥利力—— 旋转物体在有径向运动时所受到 的切向力。在空间设立动态坐标 系,如右图。用以下方程计算加 速度可以得到三项，分别来自径 向加速、科里奥利加速度和向心 加速度。
MEMS陀螺仪工作原理
• 如果物体在圆盘上没有径向运动， 科里奥利力就不会产生。因此， 在MEMS陀螺仪的设计上，这个物 体被驱动，不停地来回做径向运 动或者震荡，与此对应的科里奥 利力就是不停地在横向来回变化， 并有可能使物体在横向作微小震 荡，相位正好与驱动力差90度。M EMS陀螺仪通常有两个方向的可移 动电容板,如图。径向的电容板加 震荡电压迫使物体作径向运动 （有点象加速度计中的自测试模 式），横向的电容板测量由于横 向科里奥利运动带来的电容变化 （就象加速度计测量加速度）。 因为科里奥利力正比于角速度， 所以由电容的变化可以计算出角 速度。
谐振式陀螺仪工作原理
• 微机械谐振式陀螺仪的结构主要 分成 3大块: 陀螺质量块、杠杆 传递部分和谐振器。其中,陀螺质 量块用于敏感输入角速度,杠杆传 递部分是用来放大哥氏(Coriolis )力,谐振器主要是把陀螺质量块 输出给它的轴向哥氏力转化成相 应的频率输出。
国外研究状况
• 美国研究现状 • 日本研究现状 • 欧洲研究现状
理论公式
• 1.驱动力的计算
• 2.科氏力的计算
• 3.DETF谐振频率计算
设计与仿真
• 陀螺设计的目标是实现结构自解耦和高灵敏度。设计 通过多次循环, 最终找出较优的设计方案。每次循环的逻 辑顺序为：用理论公式、工艺限制给出结构各部分尺寸； 工作模态分析,确定工作模态为一阶模态,且得到工作模态 谐振频率；利用软件仿真辅助理论公式计算出陀螺灵敏度； 用软件分析在纯驱动情况下，通过结构各部分驱动方向位 移来得出解耦效果。
欧洲研究现状
• 法国IxseaSAS公司发布了当今最小的、基于光纤陀螺的惯 导系统 ,该系统为全球定位系统、多普勒测速器、声纳定 位系统预留接口。它生产的IMU120使用的光纤陀螺偏置稳 定性达到0.003°/h,精度最高的光纤陀螺随机游走精度达 到0.00015°/ h。 • 德国LITEF公司产品应用领域涵盖太空、空中、陆地和水中 和军用、民用范围。 • Fizop tika公司是俄罗斯的一家生产光纤陀螺的公司,发明 了用于微型光纤陀螺的技术,它将所有的光学元件并列放置, 元件之间没有光学的连接,用这种技术生产的光纤陀螺尺寸 小、功耗低,能够降低成本,提高可靠性,在俄罗斯国内外颇 有市场。
DETF模态分析
目的 • 主要关心的是驱动模态，要让它成为主要模态，同时要防 止有其它模态的固有频率为驱动模态固有频率的2倍，避免 和检测信号混淆，或引起不必要的其它模态运动。
DETF谐响应分析
结论： • 最大位移响应出现在外加驱动频率等于DETF驱动模态固有 频率处，中心点最大位移幅度值为：5.63um。
总结
主要工作 • 1)硅微机械谐振式陀螺仪的动力学分析 根据微机械结构所遵循的力学规律及陀螺仪的基本理论 分别分析了陀螺质量块和DETF的结构和工作机理，在保留 陀螺响应的全部特征基础上提出了必要的假设并在此基础 上建立了各自的力学模型 针对所建立的力学模型建立动力学方程并求解，讨论了 可能出现的各种振动模态
未来展望
• 最近几年，陀螺仪已经在汽车的稳定控制系统、GPS获得越 来越多的应用。在消费析家预计，仅MEMS 陀螺仪的市场就将从2006年的4亿美元增长到2012年的12亿 美元。随着工业和消费类机器人的发展，陀螺仪将有望在 这两个市场大显身手。在自动化流水线上，陀螺仪有助于 提高自动化程度。
国内研究状况
• 日前,北京长城计量测试技术研究所惯性技术研究室对电子 十三所和中科院上海微系统所研制的国产硅微机械陀螺仪 开展了比对测试工作,依据《国产硅微机械陀螺仪测试大纲 》,对两家比测单位提供的几只陀螺仪进行了全部的参数测 试和环境试验 (主要是振动和冲击),并负责编制了《国产 硅陀螺仪测方法及计划》。这标志着我国硅微机械陀螺仪 越来越标准化，有利于我国陀螺仪行业的发展和进步。
陀螺质量块的谐响应分析
目的 • 了解外加驱动力与陀螺质量块在驱动模态位移响应幅度与 外加驱动力频率的关系 • 分析外加驱动力与陀螺质量块沿Y轴方向振动幅度的关系
DETF设计与仿真
谐振器设计时要注意： • 1)通过结构设计，使谐振器的驱动模态成为谐振器的主要 模态，且避免有驱动模态的倍频的模态出现。 • 2)粱及质量块的设计符合加工工艺的要求，当粱受到轴向 力的作用时，其形变应在线性范围内。 • 3)在一定的轴向力(科氏力)作用下获得符合近似条件的最 大的频率偏移
质量块双边驱动
• 双边差动驱动如图所示，在两个驱动端口分别加相同 的直流偏置电压，并加上频率幅度相同但相位相反的交流 驱动电压。采用双边驱动差动可以消除倍频信号，使静电 驱动力成为输入驱动电压的频率的正弦函数，且其幅值为 单边驱动的两倍。
DETF单边驱动
• 单边驱动单边检测得到的信号与输入驱动电压周频率， 其幅度和相位反映了动齿的振动情况。为了减小二次谐波 项的影响，最好有较高的Q值，否则有用信号可能被淹没。
报告结束
谢谢！
陀螺质量块的谐响应分析
陀螺质量块的分析，就是在模态分析的基础上，采用 振型叠加法来仿真在驱动模态时陀螺质量块上各点的实际 响应值，从而对结构的设计进行验证和优化。步骤如下： • 1)首先建立有限元等效模型。 • 2)进行模态分析，求出所需驱动模态的固有频率． • 3)在陀螺内框驱动齿上施加驱动载荷。
谐振式陀螺仪
•
基于谐振敏感原理, 设计了硅微谐振陀螺, 它具有直接 的准数字式频率输出、高灵敏度、参数设计灵活等优点, 其 结构包括质量块、悬臂梁、杠杆放大机构、双端固支音叉(DE TF)、激励和检测梳齿。 • 内外质量块结构和杠杆机构特殊设计可以实现结构解耦； 质量块外置、杠杆放大结构及双DETF 结构可以改善结构灵敏 度。 • 模态分析和谐响应通过ANSYS进行，公式和参数优化通过M ATLAB实现。
驱动信号的检测
硅微机械谐振式陀螺是一个微机电系统，微机械的振 动系统与驱动、检测振动系统输出信号的电路构成一个整 体。 梳齿驱动器的振动情况可以通过检测静齿电容的变化， 得到为测试陀螺的性能，设计开环驱动测试方案，目的是 分别测量陀螺质量块和各个DETF的驱动特性曲线，测量施 加的直流偏置电压以及交流驱动电压对陀螺输出响应的影 响。
陀螺仪质量块有限元模型
三项措施： 1.将敏感质量做成回字型, 在 有限的制版面积内实现了较大敏感 质量； 2.用杠杆放大机构, 把科氏力 放大后作用于DETF一端； 3.用了双DETF实现了差动测 量,总频率差为单DETF测量的两倍。
陀螺质量块模态分析
主要目标： 陀螺的驱动模态的固有振动频 率必须在我们期望的范围内，这个 期望的频率范围是根据目前可能采 用检测的手段、用DETF可以测量 的要求来确定的 通过结构设计，使驱动模态成 为陀螺的第一模态，且避免有驱动 模态与检测模态的倍频的模态出现
美国研究现状
• Northrop, Honey well等公司和斯坦福大学等都是赫赫有 名的研究机构。比较具有代表性的是 Northrop公司。如今, 其生产的光纤陀螺产品有 FOG200, 600, 1000, 2500等系 列 ,分为导航类、 战术类、 民用航空类和太空类 ,应用 在陆地、 海洋、 太空等领域 ,精度为 1 ° /h～0 . 001 ° /h,既有单轴结构 ,也有双轴、三轴结构。
MEMS陀螺仪的结构
• 绝大多数MEMS陀螺仪依赖于由相 互正交的振动和转动引起的交变 科里奥利力。振动物体被柔软的 弹性结构悬挂在基底之上。整体 动力学系统是二维弹性阻尼系统， 在这个系统中振动和转动诱导的 科里奥利力把正比于角速度的能 量转移到传感模式，如图。
MEMS陀螺仪的结构
• 一般的微机械陀螺仪由梳子结构 的驱动部分和电容板形状的传感 部分组成。有的设计还带有去驱 动和传感耦合的结构。
日本研究现状
• 其主要的研究机构有东京大学尖端技术室和日立、住友电 工、三菱、日本航空电子工业 (JAE)等公司。其最重要的 贡献在于简化了干涉型光纤陀螺的系统配置 ,大大地降低 了系统成本 ,使光纤陀螺的民用范围得到很大的扩展 ,例 如:用于汽车导航系统、 清洁机器人、光罗盘、农用直升 机姿态控制系统等。
总结
• 2)谐振式陀螺的驱动和检测原理分析 对谐振式陀螺的陀螺质量块的驱动机理及对驱动信号 的要求，科氏力的产生、影响它的因素及科氏力的输出进 行了研究，有： （1）推导了梳齿电容驱动时的静电驱动力公式，并分 别对单边驱动和双边驱动的情形进行了详细的分析 （2）提出对谐振式陀螺而言，总体设计时不必考虑使 得陀螺质量块的驱动模态的固有频率与检测模态的固有频 率十分接近，因为谐振式陀螺要求输出的是力而不是陀螺 质量块在检测方向的位移