硅MEMS陀螺教学实验平台搭建_郭占社

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真空封装硅微陀螺品质因数的标定

第２２卷第１０期２０１４年１０月
Ｏｐｔｉｃｓａ光ｎｄ学Ｐｒｅｃｉ精ｓｉｏ密ｎＥ工ｎｇｉ程ｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．１０
Ｏｃｔ．２０１４
文章编号１００４－９２４Ｘ（２０１４）１０－２７０８－０７
真空封装硅微陀螺品质因数的标定
王玉朝，等：真空封装硅微陀螺品质因数的标定
２７０９
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｇｙｒｏｓｃｏｐｅ；ｖａｃｕｕｍｐａｃｋａｇｉｎｇ；ｑｕａｌｉｔｙｆａｃｔｏｒ；ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ；ｄｅｃａｙｃｏｎｓｔａｎｔｍｅｔｈｏｄ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｗｅｅｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄ
收稿日期：２０１４－０１－２３；修订日期：２０１４－０３－１２．基金项目：国家８６３高技术研究发展计划资助项目（Ｎｏ．２０１１ＡＡ１１０１０２）；国家国际科技合作专项资助项目（Ｎｏ．
２０１１ＤＦＡ７２３７０）
第１０期
＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｉｎｇｈｘ＠１６３．ｃｏｍ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｕｎｄｅｒ－ｄａｍｐｉｎｇｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌｗｉｔｈｏｕｔｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｆａｃｔｏｒ（Ｑｆａｃｔｏｒ）ｆｏｒａｖａｃｕｕｍｐａｃｋａｇｅｄｍｉｃｒｏｇｙｒｏｓｃｏｐｅ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉ－ｃａｌｌｙａｎｄａｔｉｍｅｄｅｃａｙｃｏｎｓｔａｎｔｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｎｉｎｉｔｉａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｍａｓｓｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｅｘｃｉｔｉｎｇｔｈｅｍｉｃｒｏｇｙｒｏｓｃｏｐｅｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｃｌｏｓｅｄｌｏｏｐｒｅｓｏｎａｎｃｅｗｉｔｈａＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ（ＰＬＬ）．Ｂｙｒｅｌｅａｓｉｎｇｔｈｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌ，ｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎａｍｐｌｉｔｕｄｅｄｅｃａｙｃｕｒｖｅｗａｓｔｈｅｎａｃｑｕｉｒｅｄｔｈｒｏｕｇｈｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｎｇｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓｉｇｎａｌａｎｄｗａｓｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄｔｏａｃｏｍｐｕｔｅｒｂｙａＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇＧａｔｅＡｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）ｈａｒｄｗａｒｅａｎｄＭａｔｌａｂＧＵＩｓｏｆｔｗａｒｅｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｆｉｎａｌ－ｌｙ，ｔｈｅＱｆａｃｔｏｒｏｆｔｈｅｖａｃｕｕｍｐａｃｋａｇｅｄｍｉｃｒｏｇｙｒｏｓｃｏｐｅｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｌｙｆｉｔｔｉｎｇｔｈｅｅｎｖｅｌｏｐｅｏｆｄｅｃａｙｃｕｒｖｅ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＲ－ｓｑｕａｒｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｆｉｔｔｅｄｃｕｒｖｅｒｅａｃｈｅｓｕｐｔｏ９９．９９９％ａｓｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｄａｔａａｎｄｔｈｅｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｅｓｔｅｄＱｆａｃｔｏｒｉｓ４．０３％，ｍｕｃｈｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｗｅｅｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａｏｆｄｅｃａｙｃｏｎｓｔａｎｔｍｅｔｈｏｄａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｗｅｅｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｆｏｒｍｅｒｓｈｏｗｓｂｅｔｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｈｉｇｈｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅｍｅｔｈ－ｏｄｉｓａｌｓｏｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒｓｗｉｔｈｈｉｇｈＱｆａｃｔｏｒｓ．

硅MEMS加速度传感器教学实验平台构建

器用于对ＭＥＭＳ加速度传感器的测试结果进行比对。测试结果表明，该实验平台性能良好，能够满足实验要
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验ｍｅ
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求。该实验平台不但强化了对学生动手能力的培养，体现了实验教学与课堂教学的结合，也为传感器技术及应用、误差理论与数据处理等课程提供了重要支持。
ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｓｉｎｇｌｅ — ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｕｎｉｔａｎｄｔｈｅＬＥＤｄｉｓｐｌａｙｕｎｉｔ．Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｕｓｅｄｔｏｇｅｎｅｒａｔｅａｓｅｒｉｅｓｏｆａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｓ．ＨｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｑｕａｒｔｚｂｅａｍａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒａｃｔｓａｓｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｅｖａｌｕａｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅｔｏｔｈｅＭＥＭＳａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｃｈｉｐ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｈａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｆｉｔｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｐｅｒｓｏｎａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ ｐｒａｃｔｉｃａｌａｂｉｌｉｔｉｅｓａｒｅｇｒｅａｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇａｎｄｃｌａｓｓｔｅａｃｈｉｎｇｉｓｇｒｅａｔｌｙｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ．Ｔｈｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｏｆｆｅｒｇｒｅａｔｈｅｌｐｔｏｔｈｅｃｏｕｒｓｅｓｏｆｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄｅｒｒｏｒｔｈｅｏｒｙａｎｄｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ１ｐｌａｔｆｏｒｍ；ＭＥＭＳａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ；ｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ

一种高性能的硅微谐振陀螺

系统、驶稳定系统、行摄像机稳定系统、机稳定系统、算机飞计
受到外加角速度时，外质量块会产生科氏力，该科氏力通过折
叠梁传入内质量块，然后被杠杆机构放大作用于ＤＴＥＦ一端，
从而改变ＤＴＥＦ的固有频率。因此，通过解调正弦输出频率，可以得到外界输入的角速度。
收稿日期：０８０ —４修订日期：０８０ —０２０ —７１；２０ —８３
ｄ・Ｖｓ（ｏ０ｉ ∞ ＋）ｎ
（）１
其中， Ⅳ为驱动梳齿的对数，ｈ和ｇ分别为梳齿的厚度和间
基金项目：国家８３资助项目（０６Ａ４３４６２０Ａ０Ｚ６）
作者简介：王路达（９５，，１８一）男硕士，究方向为ＭＥ研ＭＳ传感器及系统；尚春（９２一）男，樊１６，教授，导，博研究方向为
ＭＥＭＳ传感器及系统。
３８隙，
微细加工技术
２０钜０８
和。是驱动电压的直流和交流分量的有效值，０ｏ是９
外质量块的驱动力可以描述为：
Ｆ＝Ⅳ ・￡・
６
陀螺结构如图１所示，主要组成部分为：其内外质量块、支撑梁、折叠梁、杠杆放大机构、ＤＴ、量块驱动梳齿、双ＥＦ质ＤＴＥＦ驱动和检测梳齿。该陀螺的工作原理是：外质量块通
支撑
的惯性鼠标以及军事等领域… 目前，１。世界上许多研究单位、

MEMS陀螺正交误差分析与仿真

MEMS陀螺正交误差分析与仿真MEMS陀螺是一种基于微机电系统(MEMS)技术制造的陀螺仪，广泛应用于导航、飞行控制、惯导系统等领域。

然而，由于制造过程和外部环境的影响，MEMS陀螺存在一定的正交误差，对其性能和精度造成了一定的影响。

因此，对MEMS陀螺的正交误差进行分析与仿真，有助于进一步优化设计和提高性能。

首先，我们来介绍下MEMS陀螺的正交误差。

MEMS陀螺的正交误差主要包括三个方面：比例误差、零偏误差和比例零偏耦合误差。

比例误差是指完成一个旋转周期，陀螺输出的角度与实际旋转角度之间的偏差。

零偏误差是指在无旋转情况下，陀螺输出的角度不为零。

比例零偏耦合误差是指比例误差和零偏误差之间的相互影响。

为了准确分析和仿真MEMS陀螺的正交误差，首先需要建立相应的数学模型。

MEMS陀螺的运动方程可以由角速度和角位移之间的关系来描述。

常用的数学模型有马宏陀螺运动方程和欧拉利用方程。

马宏陀螺运动方程是通过陀螺输出信号和陀螺器件的几何参数来建立陀螺的数学模型。

它将陀螺的转动运动分解为三个轴向的旋转运动，即偏航、俯仰和横滚。

通过求解这些方程可以得到陀螺的输出角速度和角位移。

欧拉利用方程则是通过陀螺的角速度和初始条件来描述陀螺的转动运动。

根据欧拉利用方程，可以得到陀螺的转动角速度与初始条件之间的关系。

通过比较模型输出值与实际测量值，可以进一步分析陀螺的正交误差。

在实际的分析和仿真过程中，可以使用软件工具例如MATLAB或者Simulink来建立数学模型，并进行正交误差的仿真分析。

通过调整模型参数和输入条件，可以模拟不同工作状态下的MEMS陀螺性能和误差变化情况。

此外，为了更准确地分析MEMS陀螺的正交误差，还可以进行实验验证。

通过与实际测量数据进行比较，可以验证仿真模型的准确性，并优化模型参数，提高其精度和可靠性。

总结起来，MEMS陀螺的正交误差分析与仿真是对其性能和精度进行优化的重要步骤。

通过建立数学模型，利用仿真工具进行仿真分析，并结合实际实验验证，可以全面了解MEMS陀螺的正交误差特性，并为进一步的设计和优化提供参考依据。

mems陀螺的工作原理

mems陀螺的工作原理你知道MEMS陀螺吗？这可是个超级有趣的小玩意儿呢！MEMS陀螺呀，简单来说，就像是一个超级敏感的小侦探，专门探测物体的转动情况。

它的工作原理就像是一场微观世界里的奇妙舞蹈。

咱先从它的基本结构说起。

MEMS陀螺通常是在一个小小的芯片上构建起来的。

这个芯片里有一些特别的部件，比如说有振动的结构。

你可以把它想象成一个超级小的振子，这个振子就像一个爱跳舞的小精灵。

当这个陀螺所在的物体开始转动的时候，就像是这个小精灵所在的舞台开始旋转起来了。

这个振子呢，它本来是按照自己的节奏在那里欢快地振动着。

可是一旦有了转动，就像有人突然把它的舞台转了个方向，它就不乐意啦。

它会感受到一种特殊的力，这种力会让它的振动发生变化。

就好比你正在走路，突然有人拉着你往旁边走，你肯定得调整自己的步伐呀。

这个振子也是这样，它的振动会因为这个转动产生的力而发生扭曲。

然后呢，这个陀螺里还有一些特别聪明的小部件，它们就像是眼睛一样，能够精准地发现这个振子振动的变化。

这些小部件就会把这种变化转化成电信号。

这就像是这个小侦探发现了线索，然后赶紧把这个线索用一种特殊的语言，也就是电信号，报告给外面的世界。

你可能会想，这么小的东西，怎么就能这么精准地探测到转动呢？这就不得不佩服那些制造MEMS陀螺的科学家们啦。

他们把这个微观的世界打造得如此精妙。

每一个小部件的尺寸、材料的选择，都是经过精心考量的。

就像厨师做菜，每一种调料的用量都得恰到好处，才能做出美味的菜肴一样。

而且呀，MEMS陀螺在我们的生活里可有不少的用处呢。

在手机里，它就像一个小管家。

当你把手机横过来看视频的时候，它就会告诉手机屏幕，该换个方向显示啦。

要是没有它，你每次看视频都得自己手动调整屏幕方向，多麻烦呀。

在汽车里，它也很重要呢。

它可以帮助汽车的电子系统知道汽车是不是在转弯，转弯的速度有多快。

这就像是汽车的一个小助手，时刻告诉汽车自己的动态情况。

如果汽车没有这个小助手，那在一些自动驾驶或者安全辅助功能方面，可就会变得很傻啦。

三框架硅微机械陀螺的结构设计及加工工艺研究的开题报告

三框架硅微机械陀螺的结构设计及加工工艺研究的
开题报告
1. 研究背景与意义
陀螺作为一种引力与惯性相互作用的模型，广泛应用于导航、航空航天和军事等领域。

传统的陀螺仪通常采用机电一体化的设计，但在微机械制造技术日益成熟的背景下，硅微机械陀螺的研究逐渐受到关注。

2. 研究内容及目标
本项目旨在研究硅微机械陀螺的结构设计及加工工艺，具体内容包括：
（1）基于三框架的陀螺结构设计方案研究；
（2）陀螺结构的建模与仿真分析；
（3）陀螺结构的微紧密加工工艺研究；
（4）陀螺结构的性能测试与优化。

3. 研究方法及技术路线
本项目采用实验室实测与仿真相结合的方法，技术路线包括：
（1）基于CAD和有限元软件的机械结构建模与仿真；
（2）采用微机械加工工艺，制备硅微陀螺结构；
（3）采用高速摄影技术对陀螺结构的旋转性能进行测试，以及采用光学干涉仪、原子力显微镜等测试手段，对陀螺结构进行形貌和表面粗糙度测试。

4. 预期成果及创新点
本项目预期成果包括：
（1）基于三框架的硅微机械陀螺结构设计方案；
（2）将微机械加工技术应用于硅微机械陀螺的制备；
（3）对陀螺结构的动态性能进行深入探究，优化设计，提高性能；
（4）研究硅微机械陀螺结构的微加工工艺，掌握相关技术。

本项目的创新点在于采用微机械加工技术制备硅微机械陀螺，提高了制备的精度和稳定性；同时，结合CAD和有限元仿真技术，能够精确预测和分析陀螺的运动性能。

硅MEMS加速度传感器教学实验平台构建

硅MEMS加速度传感器教学实验平台构建郭占社;李逸伦;安瑛;曹乐【摘要】基于硅MEMS （micro-electromechanical systems）加速度传感器体积小（微米量级）、工作原理较抽象、课堂教学接受较困难等问题，构建了硅M EM S加速度传感器教学实验平台。

该实验平台主要由加速度信号发生装置、高性能石英振梁加速度传感器、M EM S加速度传感器芯片、A/D转换电路、单片机数据采集及处理电路、液晶显示装置等组成。

加速度信号发生装置提供不同的加速度信号。

高性能石英振梁加速度传感器用于对M EM S加速度传感器的测试结果进行比对。

测试结果表明，该实验平台性能良好，能够满足实验要求。

该实验平台不但强化了对学生动手能力的培养，体现了实验教学与课堂教学的结合，也为传感器技术及应用、误差理论与数据处理等课程提供了重要支持。

%A kind of experimental platform for silicon MEMS (Micro-electromechanical Systems) acceleration sensor is constructed in order to solve the problem hard to be understood for MEMS acceleration sensor during teaching inclassroom .This phenomenon happens because this kind of sensor has the character of little bulk (in micro meter) ,which results in the hardness to understand its working principle .It is mainly composed of an acceleration generating system ,a quartz beam accelerometer ,an MEMS accelerometer chip ,A/D converter circuit ,a single-chip microcomputer data collection unit and the LED display unit .Acceleration generating system is used to generate a series of acceleration signals .High precision quartz beam accelerometer acts as the standard evaluating device to the MEMS accelerometer chip .Experimental result indicates this system has excellentperformance and fits the requirement of the experiment .Through the personal operation ,students’ practical abilities are greatlyincreased .Combination of experimental teaching and class teaching is greatly strengthened at the same time . This experimental system will offer great help to the courses of sensor technology and application ,and error theory and data processing .【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2013(000)010【总页数】3页(P76-78)【关键词】实验平台;MEMS加速度传感器;数据采集【作者】郭占社;李逸伦;安瑛;曹乐【作者单位】北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191;北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191;北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191;北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191【正文语种】中文【中图分类】G642.423;TP212.1硅 MEMS（micro-electromechanical systems）加速度传感器作为非常重要的一类惯性器件，主要用于对运动载体运动加速度的测量[1－3]。

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ISSN1672－4305 CN12－1352/N实验室科学LABORATORY SCIENCE第16卷第1期2013年2月Vol.16No.1Feb.2013硅MEMS陀螺教学实验平台搭建郭占社1，曹乐1，王显波2，韩景轩1(1．北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京100191;2．中国北方车辆研究所底盘部件技术部，北京100072)摘要：基于硅MEMS陀螺体积小，工作原理较抽象，课堂教学接受比较困难的问题，搭建了一种硅MEMS （Micro electro－mechanical System）陀螺教学实验平台。

该实验平台主要由高精度转台、MEMS陀螺芯片、A/D 转换电路、单片机数据采集及处理电路、液晶显示装置等组成。

通过高精度转台等标准标定装置，对实验平台的性能进行了评价。

结果表明：系统性能良好，能够满足实验要求。

关键词：MEMS陀螺；教学实验平台；高精度转台；单片机中图分类号：TP273．2文献标识码：A doi：10．3969/j．issn．1672－4305．2013．01．055Construction of the teaching experimental platform for silicon MEMS gyroscopeGUO Zhan－she1，CAO Le1，WANG Xian－bo2，HAN Jing－xuan1（1．School of Instrument Science＆Opto－electronics Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2．Department of Chassis Components Technology，China North Vehicle Research Institute，Beijing100072，China）Abstract：Based on the problem solution of little bulk and hard to be understood during the course of the class teaching for the MEMS（Micro Electro－Mechanical System）gyroscope，this paper intro-duces the design and fabrication of a teaching experimental platform．It is mainly composed of a high precision turntable，MEMS gyroscope chip，A/D converter circuit，a single－chip microcomputer data collection unit and the LED display unit．Performance of the system is calibrated using the high preci-sion turntable．This experimental system will offer great help to the undergraduate students and gradu-ate students on the understanding of this kind of sensor．Key words：MEMS gyroscope；teaching experimental platform；high precision turntable；single－chip microcomputer硅MEMS陀螺作为非常重要的一类惯性器件，主要用于对运动载体运动角速率的测量［1－4］。

相对于传统的机械式陀螺［5－8］，该类传感器具有体积小、功耗低、集成度高以及成本低的优势［9－10］，而成为目前惯性技术发展的主要方向。

目前，国内外许多著名研究机构包括美国加州大学伯克利分校、斯坦福大学、Draper国家重点实验室、ADI公司、Litton 公司、Sandia国家重点实验室等。

许多高性能MEMS陀螺已实现产品化。

国内在微惯性系统方面的研究起始于上世纪90年代，主要研究机构包括清华大学、北京大学、北京航空航天大学等。

而作为具有航空航天特色大学的本科生及研究生，了解该类传感器的工作原理、制作工艺、数据处理并了解国内外最新研究现状，是非常必要的。

目前，国内许多大学例如浙江大学机械工程学系、清华大学精密仪器系、中国电子科技大学机械设计制造及其自动化专业等都在开设了微机电系统课程，并把MEMS陀螺作为非常重要的一部分进行讲解，但都没有相关实验教学内容。

北京航空航天大学国家级精品课“传感器技术及应用”已把MEMS惯性传感器作为重要的传感器进行详细讲解，但到目前为止，同样没有相关实验教学内容。

而由于MEMS器件的功能尺寸在微米量级且其加工工艺是基于光刻、腐蚀及键合技术的MEMS加工工艺，与传统的精密加工工艺差别较大，学生对其理解较困难。

因此，有必要建立基于MEMS技术的微惯郭占社，等:硅MEMS陀螺教学实验平台搭建性实验平台，使学生不但能够了解该类传感器的工作原理，还能够对其制作工艺、数据处理方法及国内外研究现状具有较深刻的了解，也正是本项目重要研究内容。

1实验平台搭建方案硅MEMS陀螺教学实验平台工作原理如图1所示，实物图见图2。

该测试平台主要由高精度转台、MEMS陀螺芯片、A/D数模转换电路、单片机数据采集系统以及LED显示装置等组成。

实验过程中MEMS陀螺芯片及其测试系统（包括A/D转换电路、单片机数据采集系统以及LED显示装置）都安装在高精度转台上。

高精度转台向测试系统提供高精度的角速率信号，MEMS陀螺在受到角速率载荷后输出一定幅值的模拟输出电压，经过A/D数模转换电路把模拟信号转换为数字信号输入到单片机，然后通过相关计算软件把电压信号换算成角速率信号并通过LED显示装置显示。

最后，输出的速率信号可以和转台的标准信号进行对比，进而实现对传感器性能的评估。

实验过程中学生可通过亲自动手操作的方式，加深对该类传感器工作原理、过程及性能指标的评价。

达到较好的实验教学效果。

图1实验平台工作原理图图2CRS03陀螺仪实物图2传感器的选取基于本实验教学系统的要求，不但要求传感器能够具有良好的输出特性，还具有良好的温度特性及抗震特性。

因此，选用了性能较好的CRS03系列硅MEMS陀螺。

该类传感器是基于电容检测方式，利用Corioli效应实现对角速率的测试的。

因此，温度特性对其性能影响较好，性能也比较稳定。

其供电电压为4．75V 5．25V，量程可达到ʃ100o/s。

该传感器输出电压与待测角速率之间具有良好的线性关系：V=12Vdd+ωˑSFˑVdd()5（1）其中V0为输出电压，V dd为输入电压，ω为转动角速率，SF为比例因子。

因此，更加保证了传感器的测试精度。

3实验平台中硬件系统搭建本实验平台中硬件系统的搭建采用A/D转换电路，单片机以及液晶显示系统。

其中A/D转换电路用于实现模拟信号向数字信号的转变，单片机系统用于实现对数字信号的采集、处理，液晶显示装置用于实现对角速率参数的现实。

其中单片机核心处理芯片采用了AT89S52，A/D转换芯片选用了ADS7816，而系统的供电芯片采用了78M05，以实现向单片机以及A/D转换芯片的供电。

液晶显示系统采用了LCD12864。

制作完毕的数据采集电路如图3所示。

图3数据采集系统硬件电路4系统性能评价4．1测试原理装配完毕的测试系统如图4所示，整个实验平台（包括MEMS陀螺）在测试过程中安装在高精度转台上，以实现对其性能的标定。

测试过程中高精度转台输出一系列标准角速率信号，传感器就会输出一系列对应的电压信号，通过两者比较，就可以得出对应的线性关系。

同时，还对测试装置的稳定性581进行了测试。

图4硅MEMS陀螺性能测试装置4．2电压—角速度线性关系确定在0 100o/s范围内，以20o/s为间隔，由高性能转台发出一系列角速率信号，同时，记录此时传感器的输出电压，测试结果如图5所示。

图5测试结果图采用最小二乘法，得到两者之间的线性关系方程为：Y=2．497－0．02X（2）4．3系统稳定性确定为验证传感器性能，在标定基础上，对其稳定性进行了测试。

本实验中稳定性连续测试时间为15.5h，记录时间间隔为0．5h，各时间段测试得到的数据如表1所示。

由表中数据可以看出，在测试时间内，电压变化基本上在2．495V和2．540V之间变化，漂移很小，说明系统具有较好的稳定性。

5结论本文介绍了一种硅MEMS陀螺的实验教学系统，并对其性能进行了测试。

标定结果表明，传感器输出电压与输入角速率信号之间具有良好的线性关系。

同时，稳定性实验说明，在15．5h的实验时间内，传感器的输出电压在2．495V和2．540V间变化，说明系统具有良好的稳定性。

参考文献（References）：［1］李新刚，袁建平．微机械陀螺的发展现状［J］．力学研究，2003，33（3）：289－301．［2］张杨林．MEMS技术的发展现状及应用［J］．机械工人，2005（4）：66－68．［3］高钟毓．硅微机械陀螺的现状与发展趋势［C］．中国惯性技术学会第四届学术年会，1999：131．［4］谷庆红．微机械陀螺仪的研制现状［J］．中国惯性技术学报，2003，11（5）：67－72．［5］张帅，贾育秦．MEMS技术的研究现状和新进展［J］．现代制造工程，2005（9）：109－112．［6］李荣冰，刘建业，曾庆化，等．基于MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状［J］．中国惯性技术学报，2004，12（6）：88－94．［7］董煜茜，高钟毓，陈志勇，等．微机械振动轮式陀螺样机的实验研究［J］．宇航学报，2000（1）：65－70．［8］M．S．Weinberg and A．Kourepenis．Error Sources in In－Plane Silicon Tuning－Fork MEMS Gyroscopes［J］．Journal of Micro-electromechanical Systems，2006，15（3）：479－491．［9］姜璐，于远治．陀螺仪在导航中的应用及其比较［J］．船舶工程，2004，26（2）：10－14．［10］高钟毓．微机械陀螺原理与关键技术［J］．仪器仪表学报，1995，16（4）：40－44．收稿日期：2012－09－03修改日期：2012－10－11作者简介：郭占社（1973－），男，河北邯郸人，博士，副教授，主要研究方向为先进传感技术。