压电微固体模态陀螺参考振动的优化及振子支撑技术的分析

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1、上海交通大学硕士学位论文压电微固体模态陀螺参考振动的优化及振子支撑技术的研究摘要压电微固体模态陀螺仪是一种新型全固态角速度传感器，它利用压电质量块的某高阶共振模态作为参考振动，以压电材料的逆压电效应作为驱动机理，正压电效应和哥氏加速度效应作为检测机理。压电微固体模态陀螺的振子为一方形固体，与传统机械振动陀螺相比，该陀螺抗冲击、抗震动能力强，具有广泛的应用前景。该压电微陀螺结构、工作机制比较新颖，性能受到很多因素的影响，对陀螺仪参考振动模态的验证优化以及支撑技术方面的研究不仅有利于性能的提升，还为后续结构、封装的优化提供了理论和实验基础。本文采用有限元分析、激光测振仪测试与阻抗分析

2、仪测试相结合的方法从理论和实验上分析并验证了陀螺的参考振动模态。通过模态分析、谐振分析得到参考模态的阶数及振型特征，扫描激光测振仪不仅使振型可视化，同时，也测得了陀螺实际的参考振动模态参数(谐振频率、振动速度)；阻抗分析仪通过对陀螺的导纳圆和等效电路进行分析得到相关的参数。3种方法得到的谐振频率分别是343.500kHz、346.094kHz，347.316kHz，实验结果与理论分析的相对误差仅为0.76%和1.11%，结果基本一致；仿真得到的模态振型与扫描测试观察到的振型符合得很好，从实验角度证实了理论仿真的正确性与可靠性。本文采用有限元方法分析了压电振子安装时支撑方式、支撑点

3、位置以及支撑点接触面积对参考振动的影响。分析结果表明，单点支撑下上下相邻检测电极输出电压幅值不对称，两点支撑可以很好的避免这个问题。两点支撑下，相对于接触面积的变化，支撑点位置的变化对陀螺参考模态的影响更大。随着支撑点接触面积的增大，参考电极、检测电极上的输出电压略有减小，对应的谐振频率会增大；支撑点偏I万方数据上海交通大学硕士学位论文离面心，会使得电极输出电压及对应的谐振频率不对称，而z向位移带来的影响更显著，不利于后续闭环驱动和哥氏力检测。根据该研究结果，设计了两点支撑框架，将陀螺封装在密闭的腔体内，有效地提高了机械品质因数，保证陀螺长期稳定的工作。最后对电路系统中的滤波电路

4、和移相电路进行了改进，使得其能更好的跟踪陀螺频率，提供幅值稳定的正弦驱动信号。利用测试系统对支撑的影响做了实验上的补充，结果表明支撑点对输出电压幅值的影响基本上与仿真结果一致，但谐振频率的变化趋势不明显。关键词：有限元；微陀螺；压电；参考振动；支撑II万方数据上海交通大学硕士学位论文REFERENCEVIBRATIONANALYSISANDMOUNTINGTECHNOLOGYOFPIEZOELETRICMICROMACHINEDMODALGYROSCOPEABSTRACTPiezoelectricMicromachinedModalGyroscope(PMMG)researche

5、dinthepaperisanovelkindofsolid-stateangularratesensor,whichisbasedonhighorderresonantmodeofapiezoelectricbodyasitsreferencevibration.Itutilizesthepiezoelectriceffectasdetectionprincipleandtheinverseoneasdrivingprinciple.Comparedwiththegeneralvibratorymicrogyroscope,PMMGhaslargerstiffnessandro

6、bustresistancetoshakeandshock,andcanbewidelyusedinmanyfields.Becauseofitsnewstructureandworkingmechanism,theperformanceofPMMGisaffectedbymanyfactors.Theworkofreferencemodeverificationandmountingtechnologyanalysis,twocrucialfactorsthataffecttheperformanceofgyroscope,providesthetheoreticalandex

7、perimentalfoundationforoptimizingthestructure,packageofPMMG.Inthepaper,threemethodsincludingfiniteelementmethod(FEM),scanningvibrometerandimpedanceanalyzer,areappliedtoanalyzeandverifyreferencemodeofPMMGtheoreticallyandexperimentally.UsingFEM