谐振式MEMS陀螺模态频率快速检测系统研究

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谐振式MEMS陀螺基于科里奥利效应实现惯性测量工作,但限于目前的生产加工水平,陀螺结构的精度较低,从而影响陀螺的测量精度,通过激光修调系统可改善陀螺的机械结构,其中模态频率作为激光修调系统中陀螺最重要的性能参数,需要更快的速度来实现检测,从而提高整个激光修调系统的工作效率。本文以提高谐振式MEMS陀螺的模态频率检测速度为目的,重点对模态频率快速检测系统进行研究,分别对陀螺的驱动控制、梳齿位移信号检测和模态频率检测技术进行详细的理论分析、软件仿真和实验验证。论文首先对谐振式MEMS陀螺进行简要概述,并对国内外谐振式MEMS陀螺驱动控制和模态频率检测的研究现状进行了分析。其次,从惯性测量原理出发,详细分析谐振式MEMS陀螺的基本工作原理并推导了陀螺驱动模态和检测模态的动力学方程,之后分析了陀螺梳齿结构静电力驱动原理、位移检测原理和电容/电压转换电路原理。接着,根据谐振式MEMS陀螺的基本工作原理,给出谐振式MEMS陀螺模态频率检测系统的总体框架设计,之后对扫频检测技术和振动检测技术原理进行了分析和推导,并指出了两种技术现存在的局限性,最后结合两者的优点提出了更加适应于激光修调系统中检测谐振式MEMS陀螺模态频率的扫振检测方法,将检测时间控制在5秒以内。然后,在模态频率检测系统总体设计方案和扫振检测方法的基础上,设计了一套谐振式MEMS陀螺模态频率快速检测系统,在CORDIC算法和LMS自适应滤波算法的基础上通过驱动硬件电路和检测硬件电路实现正弦驱动信号控制和陀螺位移信号检测,整个过程通过Lab VIEW可视化界面进行控制和显示。最后通过驱动信号仿真和陀螺起振测试,证实了系统设计的可行性。最后,对六组模态频率在5500 Hz~6500 Hz之间且原规格一致的谐振式MEMS陀螺进行扫频检测实验、振动检测实验和扫振检测实验。扫频检测实验中,低步数、大范围的扫频实验结果远大于或小于陀螺的模态频率,存在非常大的误差,验证了扫频检测技术的局限性;振动检测实验中,驱动频率过于远离陀螺模态频率时的振动实验结果与陀螺的模态频率相比同样存在较大的误差,验证了振动检测技术的局限性;扫振检测实验中,对六组实验对象分别进行20次检测实验,结构完整的实验对象在修调前后的扫振检测实验结果与对应的模态频率最大误差在3 Hz以内,结构轻微受损的实验对象扫振检测实验结果与对应的模态频率最大误差在5 Hz以内,实现了在保证精度的条件下5秒内快速检测谐振式MEMS陀螺的模态频率。
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