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硅微振梁式加速度传感器中微杠杆结构的设计 被引量:9
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作者 裘安萍 苏岩 +1 位作者 施芹 黄丽斌 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2006年第05B期2204-2207,共4页
提出了一种采用微杠杆结构进行惯性力放大的硅微振梁式加速度传感器结构,阐述了其工作机理.在此基础上,讨论了两种不同的支点形式,分别推导了这两种结构形式的放大倍数计算公式,发现I型支点形式的放大倍数略高于II型支点,并采用有限元... 提出了一种采用微杠杆结构进行惯性力放大的硅微振梁式加速度传感器结构,阐述了其工作机理.在此基础上,讨论了两种不同的支点形式,分别推导了这两种结构形式的放大倍数计算公式,发现I型支点形式的放大倍数略高于II型支点,并采用有限元方法进行了仿真;分析了支点刚度以及输出轴刚度对放大倍数的影响;提出了微杠杆结构设计的原则. 展开更多
关键词 硅微振梁式加速度传感器 微杠杆 放大倍数
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硅微谐振式加速度计结构设计与仿真 被引量:9
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作者 裘安萍 庄瑞芬 施芹 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 北大核心 2009年第1期93-97,共5页
硅微谐振式加速度计以易于检测的准数字信号作为输出,是微传感器的一个研究热点。提出一种基于一级微杠杆放大机构和DETF谐振器的硅微谐振式加速度计的结构设计,在分析工作机理以及误差来源的基础上阐述硅微谐振式加速度计的设计要点;... 硅微谐振式加速度计以易于检测的准数字信号作为输出,是微传感器的一个研究热点。提出一种基于一级微杠杆放大机构和DETF谐振器的硅微谐振式加速度计的结构设计,在分析工作机理以及误差来源的基础上阐述硅微谐振式加速度计的设计要点;结合现有加工工艺水平完成整体结构设计;运用MATLAB分析结构参数对性能的影响并对参数进行优化设计;运用ANSYS对加速度计整体结构进行仿真验证。所设计加速度计的谐振频率约29kHz,标度因数为95Hz/g,量程为±50g,其差分输出频率的线性度为0.099%。经研究表明,在加速度计的结构设计中,量程范围要与谐振器原理性误差协调考虑;谐振器振幅不宜过大;在现有加工工艺条件下,谐振器振梁的宽度产生的加工误差最大,对谐振器的性能影响最大。 展开更多
关键词 加速度计 DETF 非线性 有限元分析
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残余应力对z轴硅微机械振动陀螺仪性能的影响 被引量:4
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作者 裘安萍 苏岩 +1 位作者 王寿荣 周百令 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2005年第6期228-232,共5页
z轴硅微机械陀螺仪采用体硅薄片溶解法制作,在加工过程中引入了残余应力。从理论上分析了残余应力对z轴陀螺仪工作模态的影响,并采用有限元软件进行了仿真。仿真结果和试验表明,第一回合设计的z轴陀螺仪驱动轴受到张应力作用,应力值约... z轴硅微机械陀螺仪采用体硅薄片溶解法制作,在加工过程中引入了残余应力。从理论上分析了残余应力对z轴陀螺仪工作模态的影响,并采用有限元软件进行了仿真。仿真结果和试验表明,第一回合设计的z轴陀螺仪驱动轴受到张应力作用,应力值约为20~30MPa;检测轴受到压应力的作用。在此基础上提出了两种应力释放结构的设计方案,折叠梁结构的设计和应力释放槽的开设。由第二回合设计的z轴陀螺仪试验结果表明,陀螺仪结构内残余应力得到了较好地释放,大大提高了陀螺仪结构的机械灵敏度。 展开更多
关键词 残余应力 机械灵敏度 折叠梁 应力释放槽
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硅微谐振式加速度计的温度效应及补偿 被引量:12
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作者 裘安萍 董金虎 《纳米技术与精密工程》 EI CAS CSCD 2012年第3期215-219,共5页
零偏和标度因数稳定性是衡量加速度计性能的两个重要参数.为了降低硅微谐振式加速度计的温度敏感性,对其温度影响机理进行了深入研究.通过温度实验发现,硅微谐振式加速度计的零偏和标度因数与设计理论参数有较大区别,且都具有较大的温... 零偏和标度因数稳定性是衡量加速度计性能的两个重要参数.为了降低硅微谐振式加速度计的温度敏感性,对其温度影响机理进行了深入研究.通过温度实验发现,硅微谐振式加速度计的零偏和标度因数与设计理论参数有较大区别,且都具有较大的温度灵敏度,分别为0.72 g/℃和1.5℃-1.对弹性模量和谐振器应力与谐振器频率的关系进行了理论计算和FEA仿真验证,其中弹性模量引起的谐振频率-温度灵敏度为-0.7 Hz/℃,谐振器应力引起的谐振频率-温度灵敏度为180 Hz/℃.阐述了加工过程中键合应力产生的原因以及键合应力与谐振器残余应力的关系,发现谐振器应力是造成加速度计输出随温度漂移的主要因素.提出了一种隔离残余应力的隔离梁的设计方案,可使零偏温度灵敏度降至-35 Hz/℃,为温度补偿指明了方向. 展开更多
关键词 硅微谐振式加速度计 温度灵敏度 残余应力 温度补偿
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振动轮式微机械陀螺仪中滑膜阻尼机理的研究 被引量:4
5
作者 裘安萍 苏岩 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第16期1679-1682,共4页
对空气阻尼进行定性和定量分析是MEMS器件设计中非常重要的一个步骤,直接影响MEMS器件的动态性能。研究了第三个区域中振动轮式微机械陀螺仪的滑膜阻尼,提出了滑膜阻尼模型,分析了滑膜阻尼的动态性能,包括速度分布、阻尼机制以及由此产... 对空气阻尼进行定性和定量分析是MEMS器件设计中非常重要的一个步骤,直接影响MEMS器件的动态性能。研究了第三个区域中振动轮式微机械陀螺仪的滑膜阻尼,提出了滑膜阻尼模型,分析了滑膜阻尼的动态性能,包括速度分布、阻尼机制以及由此产生的能量损耗。根据滑膜阻尼分析结果,给出了品质因数的计算公式。试验表明,空气条件下振动轮式微机械陀螺仪品质因数的测试结果与理论值的误差约为16%。研究结果为振动轮式微机械陀螺仪结构设计中定量分析空气阻尼提供了理论依据。 展开更多
关键词 微机械 振动轮 陀螺仪 滑膜阻尼 阻尼比 品质因数
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基于隧道效应的微机械角速率传感器 被引量:3
6
作者 裘安萍 苏岩 周百令 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 2000年第4期75-79,共5页
提出了一种基于隧道效应的微机械角速率传感器的设计方案 ,还针对隧穿检测和电容检测进行了比较。
关键词 隧道效应 微机械 角速率传感器
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音叉式硅微机械振动陀螺仪的粘滞阻尼研究
7
作者 裘安萍 蔡体菁 +1 位作者 周百令 王寿荣 《东南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 2000年第1期131-135,共5页
粘滞阻尼的研究对硅微机械振动陀螺仪的设计至关重要 .而品质因数的大小反映了阻尼特性 .本文首先理论分析了硅微型机械振动陀螺仪粘滞阻尼的耗能 ,然后根据耗能分析给出了驱动结构和敏感结构的品质因数 .
关键词 硅微机械振动陀螺仪 粘滞阻尼 品质因数 音叉式
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硅微机械振动轮陀螺仪非线性动力分析
8
作者 裘安萍 蔡体菁 +1 位作者 周百令 苏岩 《传感技术学报》 CAS CSCD 2000年第1期18-22,共5页
本文简单介绍了硅微机械振动轮陀螺仪的工作原理,并给出了该陀螺仪的非线性运动方程和线性化运动方程.针对该陀螺仪的运动方程,进行了数值仿真研究.根据数值仿真结果,还提出为了提高测量的线性度必须采用闭环控制.同时,还给出了... 本文简单介绍了硅微机械振动轮陀螺仪的工作原理,并给出了该陀螺仪的非线性运动方程和线性化运动方程.针对该陀螺仪的运动方程,进行了数值仿真研究.根据数值仿真结果,还提出为了提高测量的线性度必须采用闭环控制.同时,还给出了闭环控制的方案. 展开更多
关键词 硅微机械振动轮陀螺仪 非线性动力分析 闭环控制
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扭摆式硅微加速度计的优化设计
9
作者 裘安萍 王寿荣 陈玮 《仪表技术与传感器》 CSCD 北大核心 1999年第11期8-10,共3页
文中介绍了扭摆式硅微加速度计的结构原理和对其进行最大灵敏度优化设计的方法。计算结果表明,对硅微加速度计的结构参数进行优化,可以最大限度地提高传感器的性能。
关键词 微机械加速度计 优化设计 硅微加速计 加速度计
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小型化硅微谐振式加速度计的实现与性能测试 被引量:12
10
作者 赵健 施芹 +3 位作者 夏国明 裘安萍 吴志强 苏岩 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第8期1927-1933,共7页
设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构,采取真空封装技术降低结构噪声。首先,采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号,降低了闪... 设计了一款由微机电系统和专用集成电路构成的小型化硅微谐振式加速度计。该加速度计采用80μm厚SOI工艺加工微机电系统(MEMS)结构,采取真空封装技术降低结构噪声。首先,采用振荡信号作为自动增益控制电路中斩波器的控制信号,降低了闪变噪声且不会引入额外的功耗。其次,使用线性区工作的乘法器取代传统的吉尔伯特单元,通过大幅降低系统总体供电电压来降低功耗。最后,采用复位计数器进行频率数字转换,在所关心的带宽内抑制量化噪声。实验显示:该加速度计在达到±30 g线性量程的前提下,实现了2.5μg/√Hz的分辨率和1μg的零偏不稳定度。此外,为了减小电路自身发热引起的温度漂移,该样机的功耗被控制在3.5mW以内,系统集成后的尺寸约为45mm×30mm×20mm。基于所述技术,系统在体积、功耗和性能方面均有较大的提升。 展开更多
关键词 硅微谐振式加速度计 专用集成电路 SOI工艺 真空封装 小型化 低功耗
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MEMS陀螺仪器件级真空封装技术 被引量:24
11
作者 施芹 苏岩 +1 位作者 裘安萍 朱欣华 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第8期1987-1992,共6页
为进一步提高MEMS陀螺仪的品质因数及其稳定性,研究了MEMS陀螺仪器件级真空封装的高真空获取技术和真空保持技术。以Z轴MEMS陀螺仪动力学方程为基础,分析了MEMS陀螺仪的误差信号与品质因数之间的关系,并采用稀薄气体动力学分析具有高品... 为进一步提高MEMS陀螺仪的品质因数及其稳定性,研究了MEMS陀螺仪器件级真空封装的高真空获取技术和真空保持技术。以Z轴MEMS陀螺仪动力学方程为基础,分析了MEMS陀螺仪的误差信号与品质因数之间的关系,并采用稀薄气体动力学分析具有高品质因数陀螺仪的空气阻尼。对早期真空封装陀螺仪品质因数的变化曲线进行了分析,得出了腔体内残余气体是品质因数下降的主要原因。采用程序升温脱附质谱分析法(TPD-MS)分析陶瓷管壳和金属盖板的放气特性,并选用了合适的吸气剂。最后,改进了器件级真空封装流程。测试结果表明,采用改进的器件级真空封装的陀螺仪品质因数最高可达162660,约为早期真空封装陀螺仪品质因数的14倍,且在一年内的变化<0.05%。 展开更多
关键词 MEMS陀螺仪 真空封装 真空保持度 吸气剂
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微惯性仪表技术的研究与发展 被引量:12
12
作者 丁衡高 王寿荣 +4 位作者 黄庆安 裘安萍 万德钧 周百令 苏岩 《中国惯性技术学报》 EI CSCD 2001年第4期46-49,73,共5页
论述了当前国内外微惯性仪表设计和制造技术的研究与发展,强调了对相关基础理论研究的重要性,提出了计算机集成微制造单元的概念。
关键词 微惯性仪表 微机械陀螺 计算机集成微制造单元 微惯性测量组合 微机电系统
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硅微陀螺仪的机械耦合误差分析 被引量:23
13
作者 施芹 裘安萍 +1 位作者 苏岩 朱欣华 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第5期894-898,共5页
研究了硅微陀螺仪机械耦合误差的产生机理。以z轴硅微陀螺仪为研究对象,以动力学方程和矩阵理论为基础,分析了由于加工非理想性产生的不等弹性、阻尼不对称和质量不平衡产生误差的信号,建立了机械耦合误差信号的数学模型,并定量分析了z... 研究了硅微陀螺仪机械耦合误差的产生机理。以z轴硅微陀螺仪为研究对象,以动力学方程和矩阵理论为基础,分析了由于加工非理想性产生的不等弹性、阻尼不对称和质量不平衡产生误差的信号,建立了机械耦合误差信号的数学模型,并定量分析了z轴硅微陀螺仪样品的机械耦合误差信号。结果表明,机械耦合误差信号包含了正交耦合误差和与有用信号同相位的误差信号,其中正交耦合误差为主要误差信号,且主要由不等弹性产生。最后,测试了z轴硅微陀螺仪的正交耦合误差信号为342.59°/s,且与理论结果相吻合。因此,抑制和补偿正交耦合误差是减小机械耦合误差的关键技术之一。 展开更多
关键词 硅微陀螺仪 机械耦合误差 正交耦合误差
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硅微振动陀螺仪设计与性能测试 被引量:14
14
作者 贾方秀 裘安萍 +1 位作者 施芹 苏岩 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第5期1272-1281,共10页
介绍了基于DDSOG(Deep Dry Silicon On Glass)工艺自主研发的硅微振动陀螺仪的结构,封装,及信号与性能检测。利用结构解耦的方法和DDSOG工艺设计和制备了双质量线振动式陀螺结构。为了提高它的机械灵敏度、可靠性和长期稳定性,采取真空... 介绍了基于DDSOG(Deep Dry Silicon On Glass)工艺自主研发的硅微振动陀螺仪的结构,封装,及信号与性能检测。利用结构解耦的方法和DDSOG工艺设计和制备了双质量线振动式陀螺结构。为了提高它的机械灵敏度、可靠性和长期稳定性,采取真空封装技术实现了器件级真空封装,并消除了轴向加速度等共模干扰的影响。陀螺电路采用自激闭环驱动、开环检测的方式,简化了电路。为了降低环境温度对陀螺零偏的影响,研究了既定范围内陀螺的输出特性,建立了陀螺输出与温度之间的关系模型,设计了温度补偿电路,降低了陀螺整表的功耗和体积。对采用上述技术的硅微陀螺仪进行了性能测试,测试结果表明,陀螺Q值>100 000,量程为±500(°)/s,标度为21.453mV.(°)-1s-1,非线性和对称性分别为36.905×10-6和184.125×10-6。常温下陀螺零偏稳定性为7.714 3(°)/h,带宽为100Hz,整表体积为31mm×31mm×12mm,功耗为288mW。该陀螺仪性能好、体积小、功耗低,在中等精度的惯性导航系统中有较好的应用前景。 展开更多
关键词 硅微振动陀螺仪 真空封装 自激驱动 温度补偿
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高品质因数微机械陀螺的温度自补偿 被引量:11
15
作者 杨亮 苏岩 +1 位作者 裘安萍 夏国明 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第11期2870-2876,共7页
建立了以微机械陀螺驱动模态固有频率为虚拟温度传感器的温度补偿系统,以实现对微机械陀螺标度因数和零偏的高精度温度补偿。研究了自主设计的微机械陀螺的驱动模态固有频率的温度特性,通过实验手段获得了频率的温度系数为(-26.9±2... 建立了以微机械陀螺驱动模态固有频率为虚拟温度传感器的温度补偿系统,以实现对微机械陀螺标度因数和零偏的高精度温度补偿。研究了自主设计的微机械陀螺的驱动模态固有频率的温度特性,通过实验手段获得了频率的温度系数为(-26.9±2.03)×10-6℃,且温度测量精度1s平均时为0.075℃,20s平均时为0.004℃。在分析微机械陀螺标度因数和零偏温度特性的基础上,提出了一种二阶温度补偿方案,并给出了补偿原理和算法示意图。最后,利用驱动模态固有频率对标度因数和零偏进行了温度自补偿。实验结果表明,在-40℃到60℃,标度因数的最大相对变化量从补偿前的2.1%下降到了0.05%;零偏的最大相对变化量从补偿前的8.9%下降到了0.1%;室温下2h的零偏实验表明,温度补偿后微机械陀螺的零偏不稳定性由4.1(°)/h降到了0.42(°)/h,满足了微机械陀螺温度补偿的高精度要求。 展开更多
关键词 微机械陀螺 温度补偿 固有频率 标度因素 零偏
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硅微陀螺仪的误差分析 被引量:13
16
作者 施芹 裘安萍 +1 位作者 苏岩 朱欣华 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2006年第05B期2182-2185,共4页
以z轴硅微陀螺仪为研究对象,对加工误差产生的误差信号进行了分析.由于加工误差,使得陀螺仪结构不对称,主要表现为支承梁不对称、梳齿间距不等,产生了不等弹性、阻尼不对称以及力不平衡这三种现象.以动力学方程为基础,分析了不等弹性和... 以z轴硅微陀螺仪为研究对象,对加工误差产生的误差信号进行了分析.由于加工误差,使得陀螺仪结构不对称,主要表现为支承梁不对称、梳齿间距不等,产生了不等弹性、阻尼不对称以及力不平衡这三种现象.以动力学方程为基础,分析了不等弹性和阻尼不对称产生的误差信号;以静电理论为基础,分析了驱动梳齿和敏感梳齿间距不等时产生的误差信号.分析结果表明,这些误差信号包含了正交耦合误差和与有用信号同相位的误差信号.最后,介绍了一种减小正交误差的方法,并进行了仿真. 展开更多
关键词 硅微陀螺仪 加工误差 不等弹性 正交误差
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硅微谐振式加速度计的实现及性能测试 被引量:20
17
作者 石然 裘安萍 苏岩 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第12期2583-2589,共7页
为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分,采用差动结构... 为了提高硅微谐振式加速度计性能,从一种基于DDSOG(Deep Dry Silicon on Glass)工艺的硅微谐振式加速度计样机入手,介绍了加速度计的结构、加工方法和接口电路。该谐振式加速度计结构包括敏感质量块、谐振器和微杠杆3部分,采用差动结构来减小共模误差的影响。接口电路中采用了自动增益控制电路来稳定谐振器的振幅,成功实现了谐振器的闭环自激振荡和频率检测。分析了谐振式加速度计频率输出与加速度输入的关系,测试了硅微谐振式加速度计样机性能,结果为量程±50g,标度因数143 Hz/g,零偏稳定性1.2 mg,零偏重复性0.88 mg,阈值170μg。文章最后提出,DDSOG工艺中采用的玻璃材料和硅材料温度系数不同,影响了加速度计的温度特性,因此需要进步一改进加工工艺。 展开更多
关键词 硅微谐振式加速度计 谐振器 差动结构 DDSOG
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硅微陀螺仪正交耦合系数的计算及验证 被引量:9
18
作者 姜劭栋 裘安萍 +1 位作者 施芹 苏岩 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第1期87-93,共7页
硅微陀螺仪多采用微机械加工工艺制作,其加工的相对精度较低,从而易产生正交耦合误差,影响陀螺仪的输出。为了优化设计硅微陀螺仪结构,提高其性能,本文建立了陀螺仪正交耦合系数的理论分析模型。首先,利用能量方法推导陀螺仪驱动梁的面... 硅微陀螺仪多采用微机械加工工艺制作,其加工的相对精度较低,从而易产生正交耦合误差,影响陀螺仪的输出。为了优化设计硅微陀螺仪结构,提高其性能,本文建立了陀螺仪正交耦合系数的理论分析模型。首先,利用能量方法推导陀螺仪驱动梁的面内刚度;然后,建立陀螺仪的刚度矩阵;最后,推导了正交耦合系数的理论计算公式。针对本课题组研制的双质量振动式硅微陀螺仪,理论计算出其直接耦合系数为4.74×10-5,二次耦合系数为8.44×10-7。得到的陀螺仪的正交耦合系数为4.75×10-5,与仿真值相差8.7%。分析得到陀螺仪正交耦合系数的最大值为2.18×10-4,与仿真值相差7.9%。最后,实验验证了计算结果的正确性。得到的结果表明,建立的正交耦合系数理论分析模型可为硅微陀螺仪的结构优化设计提供理论依据和实际指导。 展开更多
关键词 硅微陀螺仪 正交耦合系数 直接耦合 二次耦合
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硅微陀螺仪零偏稳定性的优化 被引量:7
19
作者 赵阳 裘安萍 +2 位作者 施芹 夏国明 赵健 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第9期2381-2388,共8页
为了进一步提高硅微陀螺仪的零偏稳定性,使其满足更高精度应用场合的需求,研究了硅微陀螺仪零偏稳定性优化技术。以典型Z轴硅微陀螺仪为例,对影响其零偏稳定性的主要因素:机械耦合误差、电路耦合误差、机械热噪声、接口电路噪声进行了... 为了进一步提高硅微陀螺仪的零偏稳定性,使其满足更高精度应用场合的需求,研究了硅微陀螺仪零偏稳定性优化技术。以典型Z轴硅微陀螺仪为例,对影响其零偏稳定性的主要因素:机械耦合误差、电路耦合误差、机械热噪声、接口电路噪声进行了完整分析,并从抑制零偏温度漂移及输出噪声两个角度提出了改善硅微陀螺仪零偏稳定性的设计原则。基于上述原则,优化设计了硅微陀螺仪的机械结构及接口电路。最后对所设计的硅微陀螺仪进行了零偏稳定性测试,以验证所提出优化设计原则的有效性。实验结果表明,4个测试组的硅微陀螺仪零偏输出均无明显漂移,且零偏稳定性在6(°)/h左右,达到了中等战术级水平。 展开更多
关键词 硅微陀螺仪 零偏稳定性 机械耦合误差 前置接口放大器
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具有增益补偿功能的微机械陀螺数字化驱动闭环 被引量:8
20
作者 杨亮 苏岩 +1 位作者 裘安萍 夏国明 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第1期109-116,共8页
提出了具有增益补偿功能的数字化驱动闭环方法,以便提高微机械陀螺标度因数的稳定性。介绍了微机械陀螺的工作原理,对其运动方程的分析显示:为了提高标度因数的稳定性,需要提高陀螺驱动模态振动速度的稳定性;而振动速度的稳定性与驱动... 提出了具有增益补偿功能的数字化驱动闭环方法,以便提高微机械陀螺标度因数的稳定性。介绍了微机械陀螺的工作原理,对其运动方程的分析显示:为了提高标度因数的稳定性,需要提高陀螺驱动模态振动速度的稳定性;而振动速度的稳定性与驱动环路中C/V转换电路增益的稳定性相关。为此,设计了增益补偿算法,配合自动增益控制环节和锁相环环节构建了具有增益补偿功能的数字化驱动闭环。仿真结果表明,在C/V转换电路增益相对变化量为7.4%时,振动速度幅值的相对变化量由无增益补偿时的7.29%降到了有增益补偿时的0.12%。实验结果表明,增加增益补偿环节后,标度因数的温度系数在-40℃到60℃的降幅达到了90%。得到的结果验证了具有增益补偿功能的微机械陀螺数字化驱动闭环可以较大幅度地提高微机械陀螺标度因数的稳定性。 展开更多
关键词 微机械陀螺仪 驱动闭环 数字化驱动 增益补偿
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