谐振式陀螺仪研究报告

工作原理
外质量块通过梳齿驱动, 在驱动方 向作往复运动。由于科式效应, 当陀 螺受到外加角速度时, 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DETF 一端, 从而改变DETF 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。
MEMS陀螺仪的特点及分类
• 目前, 世界上许多研究单位、公司都在结合自己国内的加 工手段及信号检测措施对微机械陀螺展开研究。微机械陀 螺的种类很多, 按驱动方式可分为静电驱动陀螺、电磁驱 动陀螺和压电驱动陀螺等;按检测方式可分成电容式陀螺、 谐振式陀螺、压阻式陀螺、压电式陀螺、光学陀螺和隧道 陀螺等。相比于其他类型的微机械陀螺, 谐振式微机械陀 螺具有高灵敏度、大动态范围等特点, 其准数字输出也使 其更易于与数字信号处理系统集成。
总结
• 3)DETF的分析与设计 对用DETF进行微机械陀螺输出科氏力的测量进行详细 的研究。提出对DETF来说，因为采用的是单边驱动，所以 仅当DETF工作在驱动谐振模态时，其直流项及二次谐波项 部分驱动力对位移的影响才很小，才可以忽略不计。在采 用基频率激励时，直流电压取大些，交流电压取小些，也 可以减小谐波项的影响。
谐振式陀螺仪研究报告
MEMS陀螺仪工作原理
• MEMS陀螺仪利用科里奥利力—— 旋转物体在有径向运动时所受到 的切向力。在空间设立动态坐标 系,如右图。用以下方程计算加 速度可以得到三项，分别来自径 向加速、科里奥利加速度和向心 加速度。
MEMS陀螺仪工作原理
• 如果物体在圆盘上没有径向运动， 科里奥利力就不会产生。因此， 在MEMS陀螺仪的设计上，这个物 体被驱动，不停地来回做径向运 动或者震荡，与此对应的科里奥 利力就是不停地在横向来回变化， 并有可能使物体在横向作微小震 荡，相位正好与驱动力差90度。M EMS陀螺仪通常有两个方向的可移 动电容板,如图。径向的电容板加 震荡电压迫使物体作径向运动 （有点象加速度计中的自测试模 式），横向的电容板测量由于横 向科里奥利运动带来的电容变化 （就象加速度计测量加速度）。 因为科里奥利力正比于角速度， 所以由电容的变化可以计算出角 速度。
谐振式陀螺仪工作原理
• 微机械谐振式陀螺仪的结构主要 分成 3大块: 陀螺质量块、杠杆 传递部分和谐振器。其中,陀螺质 量块用于敏感输入角速度,杠杆传 递部分是用来放大哥氏(Coriolis )力,谐振器主要是把陀螺质量块 输出给它的轴向哥氏力转化成相 应的频率输出。
国外研究状况
• 美国研究现状 • 日本研究现状 • 欧洲研究现状
理论公式
• 1.驱动力的计算
• 2.科氏力的计算
• 3.DETF谐振频率计算
设计与仿真
• 陀螺设计的目标是实现结构自解耦和高灵敏度。设计 通过多次循环, 最终找出较优的设计方案。每次循环的逻 辑顺序为：用理论公式、工艺限制给出结构各部分尺寸； 工作模态分析,确定工作模态为一阶模态,且得到工作模态 谐振频率；利用软件仿真辅助理论公式计算出陀螺灵敏度； 用软件分析在纯驱动情况下，通过结构各部分驱动方向位 移来得出解耦效果。
欧洲研究现状
• 法国IxseaSAS公司发布了当今最小的、基于光纤陀螺的惯 导系统 ,该系统为全球定位系统、多普勒测速器、声纳定 位系统预留接口。它生产的IMU120使用的光纤陀螺偏置稳 定性达到0.003°/h,精度最高的光纤陀螺随机游走精度达 到0.00015°/ h。 • 德国LITEF公司产品应用领域涵盖太空、空中、陆地和水中 和军用、民用范围。 • Fizop tika公司是俄罗斯的一家生产光纤陀螺的公司,发明 了用于微型光纤陀螺的技术,它将所有的光学元件并列放置, 元件之间没有光学的连接,用这种技术生产的光纤陀螺尺寸 小、功耗低,能够降低成本,提高可靠性,在俄罗斯国内外颇 有市场。
DETF模态分析
目的 • 主要关心的是驱动模态，要让它成为主要模态，同时要防 止有其它模态的固有频率为驱动模态固有频率的2倍，避免 和检测信号混淆，或引起不必要的其它模态运动。
DETF谐响应分析
结论： • 最大位移响应出现在外加驱动频率等于DETF驱动模态固有 频率处，中心点最大位移幅度值为：5.63um。
总结
主要工作 • 1)硅微机械谐振式陀螺仪的动力学分析 根据微机械结构所遵循的力学规律及陀螺仪的基本理论 分别分析了陀螺质量块和DETF的结构和工作机理，在保留 陀螺响应的全部特征基础上提出了必要的假设并在此基础 上建立了各自的力学模型 针对所建立的力学模型建立动力学方程并求解，讨论了 可能出现的各种振动模态
未来展望
• 最近几年，陀螺仪已经在汽车的稳定控制系统、GPS获得越 来越多的应用。在消费析家预计，仅MEMS 陀螺仪的市场就将从2006年的4亿美元增长到2012年的12亿 美元。随着工业和消费类机器人的发展，陀螺仪将有望在 这两个市场大显身手。在自动化流水线上，陀螺仪有助于 提高自动化程度。
国内研究状况
• 日前,北京长城计量测试技术研究所惯性技术研究室对电子 十三所和中科院上海微系统所研制的国产硅微机械陀螺仪 开展了比对测试工作,依据《国产硅微机械陀螺仪测试大纲 》,对两家比测单位提供的几只陀螺仪进行了全部的参数测 试和环境试验 (主要是振动和冲击),并负责编制了《国产 硅陀螺仪测方法及计划》。这标志着我国硅微机械陀螺仪 越来越标准化，有利于我国陀螺仪行业的发展和进步。
陀螺质量块的谐响应分析
目的 • 了解外加驱动力与陀螺质量块在驱动模态位移响应幅度与 外加驱动力频率的关系 • 分析外加驱动力与陀螺质量块沿Y轴方向振动幅度的关系
DETF设计与仿真
谐振器设计时要注意： • 1)通过结构设计，使谐振器的驱动模态成为谐振器的主要 模态，且避免有驱动模态的倍频的模态出现。 • 2)粱及质量块的设计符合加工工艺的要求，当粱受到轴向 力的作用时，其形变应在线性范围内。 • 3)在一定的轴向力(科氏力)作用下获得符合近似条件的最 大的频率偏移
质量块双边驱动
• 双边差动驱动如图所示，在两个驱动端口分别加相同 的直流偏置电压，并加上频率幅度相同但相位相反的交流 驱动电压。采用双边驱动差动可以消除倍频信号，使静电 驱动力成为输入驱动电压的频率的正弦函数，且其幅值为 单边驱动的两倍。
DETF单边驱动
• 单边驱动单边检测得到的信号与输入驱动电压周频率， 其幅度和相位反映了动齿的振动情况。为了减小二次谐波 项的影响，最好有较高的Q值，否则有用信号可能被淹没。
报告结束
谢谢！
陀螺质量块的谐响应分析
陀螺质量块的分析，就是在模态分析的基础上，采用 振型叠加法来仿真在驱动模态时陀螺质量块上各点的实际 响应值，从而对结构的设计进行验证和优化。步骤如下： • 1)首先建立有限元等效模型。 • 2)进行模态分析，求出所需驱动模态的固有频率． • 3)在陀螺内框驱动齿上施加驱动载荷。
谐振式陀螺仪
•
基于谐振敏感原理, 设计了硅微谐振陀螺, 它具有直接 的准数字式频率输出、高灵敏度、参数设计灵活等优点, 其 结构包括质量块、悬臂梁、杠杆放大机构、双端固支音叉(DE TF)、激励和检测梳齿。 • 内外质量块结构和杠杆机构特殊设计可以实现结构解耦； 质量块外置、杠杆放大结构及双DETF 结构可以改善结构灵敏 度。 • 模态分析和谐响应通过ANSYS进行，公式和参数优化通过M ATLAB实现。
驱动信号的检测
硅微机械谐振式陀螺是一个微机电系统，微机械的振 动系统与驱动、检测振动系统输出信号的电路构成一个整 体。 梳齿驱动器的振动情况可以通过检测静齿电容的变化， 得到为测试陀螺的性能，设计开环驱动测试方案，目的是 分别测量陀螺质量块和各个DETF的驱动特性曲线，测量施 加的直流偏置电压以及交流驱动电压对陀螺输出响应的影 响。
陀螺仪质量块有限元模型
三项措施： 1.将敏感质量做成回字型, 在 有限的制版面积内实现了较大敏感 质量； 2.用杠杆放大机构, 把科氏力 放大后作用于DETF一端； 3.用了双DETF实现了差动测 量,总频率差为单DETF测量的两倍。
陀螺质量块模态分析
主要目标： 陀螺的驱动模态的固有振动频 率必须在我们期望的范围内，这个 期望的频率范围是根据目前可能采 用检测的手段、用DETF可以测量 的要求来确定的 通过结构设计，使驱动模态成 为陀螺的第一模态，且避免有驱动 模态与检测模态的倍频的模态出现
美国研究现状
• Northrop, Honey well等公司和斯坦福大学等都是赫赫有 名的研究机构。比较具有代表性的是 Northrop公司。如今, 其生产的光纤陀螺产品有 FOG200, 600, 1000, 2500等系 列 ,分为导航类、 战术类、 民用航空类和太空类 ,应用 在陆地、 海洋、 太空等领域 ,精度为 1 ° /h～0 . 001 ° /h,既有单轴结构 ,也有双轴、三轴结构。
MEMS陀螺仪的结构
• 绝大多数MEMS陀螺仪依赖于由相 互正交的振动和转动引起的交变 科里奥利力。振动物体被柔软的 弹性结构悬挂在基底之上。整体 动力学系统是二维弹性阻尼系统， 在这个系统中振动和转动诱导的 科里奥利力把正比于角速度的能 量转移到传感模式，如图。
MEMS陀螺仪的结构
• 一般的微机械陀螺仪由梳子结构 的驱动部分和电容板形状的传感 部分组成。有的设计还带有去驱 动和传感耦合的结构。
日本研究现状
• 其主要的研究机构有东京大学尖端技术室和日立、住友电 工、三菱、日本航空电子工业 (JAE)等公司。其最重要的 贡献在于简化了干涉型光纤陀螺的系统配置 ,大大地降低 了系统成本 ,使光纤陀螺的民用范围得到很大的扩展 ,例 如:用于汽车导航系统、 清洁机器人、光罗盘、农用直升 机姿态控制系统等。
总结
• 2)谐振式陀螺的驱动和检测原理分析 对谐振式陀螺的陀螺质量块的驱动机理及对驱动信号 的要求，科氏力的产生、影响它的因素及科氏力的输出进 行了研究，有： （1）推导了梳齿电容驱动时的静电驱动力公式，并分 别对单边驱动和双边驱动的情形进行了详细的分析 （2）提出对谐振式陀螺而言，总体设计时不必考虑使 得陀螺质量块的驱动模态的固有频率与检测模态的固有频 率十分接近，因为谐振式陀螺要求输出的是力而不是陀螺 质量块在检测方向的位移