参数激励法提高MEMS环式陀螺性能的研究

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MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)谐振陀螺是一种测量角速度的传感器,具有成本低、功耗低、体积小、可大规模批量生产的特点。无论是消费电子、汽车电子等民用领域,还是无人作战系统、制导弹药等国防军事领域,具有广泛应用。然而,一方面,由于陀螺制造工艺和材料工艺的问题,振动陀螺的驱动模态和检测模态间往往存在模态不匹配,从而影响到两种模态间的能量传递,使得检测模态的输出响应过小,这就限制了陀螺的敏感性;另一方面,由于寄生电容的存在,陀螺的驱动端的信号会串扰到检测端,这样一种电馈通效应造成的误差信号,会严重影响到陀螺检测模态的输出信号,造成陀螺零偏稳定性和精确的下降。此外,陀螺结构和质量块的不对称性,也会导致误差信号的产生,从而影响陀螺测量角速度的精确度。针对上述问题,首先,构建质量-弹簧-阻尼系统的分析模型,分析了静电力中的静电负弹簧效应,即软化效应。其次,以理论推导和系统建模方式,分析上述误差造成的影响并提出解决方案。针对陀螺不对称性造成的不等弹性,可以使用相干解调法;针对阻尼不对称性,可以使用结构解耦和纠偏法;针对电馈通效应和模态间能量传递问题,以MEMS环式陀螺为研究载体,推导出包含参数激励法的运动方程,并将参数激励法应用到陀螺的驱动模态中,通过对陀螺系统中的刚度进行静电调制和参数放大的方式,实现对电馈通效应的抑制和放大驱动模态的响应幅度,从而抑制误差信号。通过MATLAB数值仿真和Simulink数字化系统建模的方式,发现改变参数激励信号的参数(频率、幅度和相位),可以改善陀螺系统的品质因子和调整系统谐振频率,从而在谐和力信号幅值减小的同时,实现以一种可控的方式放大陀螺系统的驱动模态的响应。最终,陀螺系统的精确度得到改善。
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