静电悬浮转子微陀螺信号处理及虚拟建模仿真

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1、上海交通大学硕士学位论文第一章绪论⎧=Ω−2AQy(t)xsin(ωtψ)⎪+yω1χQ22⎪⎪nyωω⎪⎨=−χnyxωω⎪xny⎪1⎪ψ=tan−1ψQ⎪⎩(1-4)为增大检测质量块在y方向的位移量以便于检测角速度，由上式知，当两个方向的模态匹配时，即ω=ω时，y(t)的幅值有最大值，此时陀螺的灵敏度最高，但带nxny宽较小。一般应该使ω和ω适当分离（<100Hz），可以得到优化的灵敏度和带宽；nxny或采用闭环控制。另外，通过提高品质因数Q如真空封装也可以增大y(t)的幅值。传统振动式微陀螺，按激振原理可分为压电式、静电式和电磁式；按振动方式可分为角振动、线振和驻波振动微机械

2、陀螺；按振动元件结构形式可分为框架式、音叉式、振梁式、振动轮式、振动棒式、混合式等型式；按敏感信号方式可分为半导体压阻式、电容式、压电式、谐振式和隧道电流型等，按检测轴数可分为单输入轴、双输入轴和三输入轴陀螺仪[30]。1.1.2悬浮转子式微机械陀螺仪由于振动式微机械陀螺仪是基于科氏加速度引起的结构激振模态和检测模态之间能量的转移来检测角速度的，要求激振模态和检测模态进行精密的频率调谐，因而振动式微机械陀螺仪产生了一些问题，如加工困难、存在耦合正交误差、灵敏度低等问题。但是由于振动式微陀螺本身的局限性及微加工精度的限制，性能精度尚未取得根本突破。若通过静电力或电磁力悬浮使检测质量与

3、衬底分开，研制自由悬浮转子的微陀螺，可具有传统刚体转子陀螺高精度的潜在特点。静电、电磁微马达的研制成功为悬浮转子微陀螺的实现提供了技术支持。受目前微加工技术的制约，悬浮转子微陀螺的转子多数为薄厚膜扁平转子。其基本工作原理是：利用静电力或电磁力悬浮支撑并旋转驱动微小扁平转子。工作时，陀螺转子维持悬浮在壳体的零位平衡位置，根据悬浮微转子高速旋转产生的陀螺效应，借助力矩再平衡回路来测量双输入轴角速度；同时，利用悬浮转子借助力平衡原理还可测量线加第3页上海交通大学硕士学位论文第一章绪论速度。悬浮转子微陀螺通过静电力或电磁力悬浮使检测质量与衬底分开。悬浮自由转子的微陀螺，相比于振动式微陀螺，

4、悬浮转子微陀螺具有潜在的优点。首先，悬浮转子陀螺排除了振动式微陀螺所固有的正交耦合误差。其次，悬浮转子微陀螺无约束的悬浮质量块受制造应力、制造误差的影响小，灵敏度要高于振动式微陀螺。第三，悬浮转子微陀螺的陀螺精度、标度因子主要取决于转子转速，而转速仅受转子材料强度的限制，因而转子转速可以很高，从而可获得较高精度的陀螺仪；第四，悬浮微转子可以同时检测两轴角速度和三轴线加速度，而目前报道的振动式微陀螺却不能；第五，弹簧常数是纯电量的且可预设置的，因而陀螺／加速度计的带宽和灵敏度特性是可调的。目前在研究的悬浮转子式微陀螺有磁悬浮转子微陀螺和静电悬浮转子微陀螺两种。电磁悬浮转子陀螺利用平面

5、线圈内施加高频电流产生的电磁场对薄盘铝转子中的感应涡流进行作用，产生的电磁斥力将铝转子悬浮并高速旋转。静电悬浮转子微陀螺通过在电极上施加直流电压产生静电力支撑悬浮扁平转子，并利用静电微马达的工作原理来驱动旋转悬浮转子。悬浮转子微陀螺具有刚体转子两自由度陀螺仪的进动性和定轴性的特性。不仅适用于平台式系统，而且特别适用与捷联式系统。用于平台式系统时，主要利用陀螺转子稳定性来控制平台跟踪陀螺所确定的基准位置。用于捷联式系统时，主要基于转子的进动性来测量载体的角速度。1.1.2微陀螺信号检测控制技术1.2.1微陀螺测控技术分析在微机电系统系统构成的微小器件中，检测及控制电路最终实现器件的信

6、号输出。微机电系统结构具有尺度小，便于大批量加工的特点。作为与其配套的检测及控制电路，必然面临在微小尺度下检测微弱信号的挑战。在微机电系统中微惯性器件，对检测及控制电路的要求十分苛刻。在电容式微加速度计中，检测电容的绝对大小只有皮法即1×10−12F量级，而电容的相对变化量ΔC更小到只有aF,即1×10−18F，第4页上海交通大学硕士学位论文第一章绪论这在一般的宏观电容传感器中是不多见的。针对这种特殊的检测对象及检测环境，必须采用微弱信号检测方法，才能满足系统需要的指标。•陀螺转子悬浮在壳体电极的零位平衡位置，当外部输入线加速度a或角速率ϕ时，将产生转子相对电极壳体的位移，即引起电

7、极与转子间的间隔变化。该间隙变化将由微位移电容检测电路检测，输出的检测信号送入控制器。然后，控制器将产生相应线位移或角位移的控制电压作用在相应的控制电极上，从而产生静电控制力驱动转子重新回到平衡位置。同时，由上述再平衡回路的控制电压就可解算出外部输入的线•加速度a或ϕ。实际在转子正常前，还有复杂的起支（转子从壳腔底部浮起至平衡位置）控制过程和加速旋转过程；在不工作时还要有可靠的停转控制过程。可见，测控技术是实现静电微陀螺功能的关键，它包括微小转子的微位移检测技术、稳定