【摘 要】
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MEMS陀螺仪是一种检测角速度信号的高灵敏度传感器,目前大部分MEMS陀螺仪采用传统调幅工作模式,但是由于受微小位移电容检测敏感极限的限制、标度因子随物理或环境因素变化明显以及信号转换中高信噪比的依赖等诸多因素的影响,难以实现性能的进一步提升和突破。而调频工作模式陀螺仪由于基于输出数字频率信号进行角速度测量,有着检测量程大、输出标度因子稳定以及高信噪比等优势,成为目前高性能MEMS陀螺仪的研究热点
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MEMS陀螺仪是一种检测角速度信号的高灵敏度传感器,目前大部分MEMS陀螺仪采用传统调幅工作模式,但是由于受微小位移电容检测敏感极限的限制、标度因子随物理或环境因素变化明显以及信号转换中高信噪比的依赖等诸多因素的影响,难以实现性能的进一步提升和突破。而调频工作模式陀螺仪由于基于输出数字频率信号进行角速度测量,有着检测量程大、输出标度因子稳定以及高信噪比等优势,成为目前高性能MEMS陀螺仪的研究热点之一。但由于调频陀螺仪在原理上需满足模式匹配的前提要求,现有基于串联拓扑结构的调频陀螺仪其模态频率易受外界温度及工艺误差等因素影响,导致陀螺工作时较难满足这一先决条件,很容易引起陀螺仪零位或低角速度范围输入时非线性误差较大的现象,这在一定程度上限制了调频陀螺仪的性能提升。对此,本文提出了并联四质量块拓扑结构的调频陀螺设计方案,并根据结构特性设计了模式反转控制环路更进一步维持陀螺仪模式匹配,以此提升调频陀螺仪的鲁棒特性,为此,本文展开了如下几方面的研究:首先基于陀螺仪科氏力效应以及傅科摆原理,理论推导并论证了调频陀螺仪在圆形轨道运动时,受到角速度信号而改变轨道运动频率的现象,阐明了调频陀螺仪的频率分裂机制。结合二阶弹簧质量系统模型,建立调频陀螺仪的动力学方程,获得了 X与Y模态频率差与角速度关系的表达式。通过对调频陀螺工作模式分析得到在保证X与Y方向等幅正交驱动时,输入角速度与输出频率差呈固定比例关系。此外对实际工作中可能出现的正交耦合误差和初始频率失配对比例因子影响进行分析,并提出频率修调电极和模式反转等优化方案。针对模式匹配和高鲁棒性结构设计,本文首先建立了调频陀螺仪的设计准则,并进行结构拓扑方案分析,采用并联共耦方式连接全对称四质量块,可消除误差累积以及实现结构自调节特性。由于结构振动频率取决于质量和刚度的尺寸结构设计,对并联四质量块调频陀螺仪分别进行刚度和质量参数化设计和优化。在各部分组成结构初步设计后根据结构所需振动模态和目标频率范围选择设计了最优参数。为了验证并联四质量块调频结构在鲁棒性上所表现出的性能特征,进行了串并联调频陀螺仪调频效应的仿真对比,结果表明并联结构调频陀螺仪线性检测量程高达3000rad/s,在仅有耦合连接方式不同其他结构都相等的情况下,串联结构角速度输入范围仅为1000rad/s。通过对工艺误差通常导致的解耦梁刚度不对称以及不同位置质量不对称等误差现象的模拟和对比,进一步验证了并联共耦结构在调频陀螺仪中的高鲁棒性。此外通过仿真串并联结构在不等温情况下的调频效应的对比,得到串联结构频率随温度变化率为0.17%Hz/℃,而并联结构频率随温度变化量仅为0.02%Hz/℃。基于等效弹簧质量模型,建立了并联四质调频陀螺仪结构动力学模型,并利用Matlab与Simulink计算工具对该模型进行了系统级仿真,并在此基础上基于闭环驱动控制子环路与模式反转信号处理子环路构建了调频陀螺仪的系统控制模型,通过对输出频率响应的系统仿真,进一步验证了陀螺仪调频特性。
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