角速度陀螺信号测量及标定方法研究 毕业论文

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1、1绪论1.1引言1.1.1硅微机械陀螺仪的背景微机械陀螺仪是基于微机械加工制造技术产生的高技术产品，是当代微机械电子系统（MEMS）领域和惯性领域新兴的重要的分支，而MEMS及其制造技术是在微电子工艺的基础上发展起来的的前沿研究领域，它涉及到电子工程、机械工程、材料科学、物理学、化学以及生物医学等多种工程技术和学科。它是未来低成本、高精度、微尺寸、低功耗、抗高过载、高可靠性惯性测量原件的发展方向。它不仅用于武器装备的惯性导航系统和姿态测量系统等军事领域，同时还可以用于、飞机、汽车、工业机器人、摄影、玩具、医疗器械的方向定位和姿态测量等民用商业领域。开展这一领域的研究工作，

2、可以加速和促进我国对新型惯性测量原件的应用，这在高技术日益发展的今天有十分重要的研究意义。用微机电系统惯性制导和控制代替常规系统，特别是与GPS集合使用时，可提供精确度。针对这一背景，对硅微机械陀螺的研究具有深远的战略意义[1]。1.1.2硅微机械陀螺仪的现状微机械陀螺是21世纪微纳米高科技领域中为电子系统（MEMS）最具有代表性的惯性期间，世界许多国家都在开展积极研发。硅材料结构完整、弹性好、比较容易得到高Q值（Q值是衡量电感器件的主要参数，是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比，电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高，电感器品质因数的

3、高低与线圈导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗及铁心、屏蔽罩等引起的损耗等有关）的微机械结构，随着深反应离子刻蚀技术的出现，体硅微机械加工技术的加工精度明显提高，在硅衬底上用多品硅制作期间适宜批量生产、驱动和检测较为方便，成为当前低成本研发的主流[2]。1988年，美国Draperlab实验室研制出第一台框架式角振动微机电陀螺仪，1933第30页共30页年又研制出性能更佳的音叉式线振动陀螺仪，其引起世界各国的高度重视，纷纷投入财力物力开发研究。俄国莫斯科VectorLtd正在研制精密的微机械陀螺，已经论证和仿真实验。英国Newscast大学和Durham大学合作，研究出了振

4、动模式硅微机械陀螺。经过十多年的努力，目前在技术上已经取得巨大进展，正在向中、高精度发展。硅微机械陀螺的结构常用的有振梁结构、双框架结构、平面对称结构、横向音叉结构、梳妆音叉结构、梁岛结构等，驱动方式有静电驱动，压电驱动和电磁驱动等，检测方式有电容检测、压电检测、压阻检测。静电驱动、检测的陀螺设计较为常见，美国ADI公司已研制出了单片集成的梳妆静电驱动、叉指式电容检测的硅微机械陀螺ADXRS系列，该脱落可用于集成GPS系统的惯性测量组合[3]。微机电陀螺是近年来出现的新技术，它是随着陀螺技术的发展趋势。随着微机械加工技术的发展，惯性仪表的各方面性能将迅速大幅度提高，并将在

5、更广泛的领域内代替传统的惯性仪表。我国起步比较晚，目前在清华大学、北京大学、复旦大学、东南大学、中国科技大学、中北大学等高校，以及中科院、航天部、信息产业部等研究单位均开展通用硅微机械陀螺的研制，已在理论和加工工艺上取得巨大成果。10多年来研究队伍逐渐扩大，本世纪初已形成40多个单位的50多个研究小组，在硅微机械方面开展了大量的研究工作，取得了长足的发展。目前世界各国研制的硅微机械陀螺主要是有驱动结构的通用硅微机械，无驱动结构的旋转弹用硅微机械陀螺国外只有俄国在研究，目前有一维硅陀螺原型机，我国有两维硅陀螺原型机[4]。1.1.3本课题研究的方法与步骤（1）学习并分析角速

6、度陀螺信号采集原理；（2）学习并设计角速度陀螺调理电路，研究角速度陀螺信号的测量及标定方法；（3）利用PROTEL软件，研究角速度陀螺信号的测量及标定方法；（4）综上给出测量及标定方法；（5）完成电路设计，实现硬件功能；第30页共30页2角速度陀螺仪信号采集原理及标定方法2.1引言2.1.1陀螺仪的结构陀螺仪的装置，一直是航空和航海上航行姿态及速率等最方便实用的参考仪表。从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动。更确切地说，一个绕对称铀高速旋转的

7、飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪[5]，陀螺仪的基本部件有：(1)陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值);(2)内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构);(3)附件(是指力矩马达、信号传感器等)。陀螺仪的两个基本特性：一为定轴性，另一个是进动性，它们都建立在角动量守恒的原则下[6]。定轴性:当陀螺转子以高速旋转时，若没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在