本文關(guān)鍵詞：新型對稱全解耦的雙質(zhì)量硅微陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

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【摘要】：得益于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的巨大成功,硅微陀螺儀在消費(fèi)類電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空／國防等領(lǐng)域中取得了廣泛應(yīng)用。硅微陀螺儀的主要優(yōu)點(diǎn)在于微型化、低成本、適于大批量生產(chǎn),并且在穩(wěn)定性和高性能上展現(xiàn)出美好前景。由于研究的不斷深入,硅微陀螺儀的性能在過去幾十年中獲得極大的提升。然而,由于容易受到加工工藝變化和外界環(huán)境波動的影響,硅微陀螺儀仍然不能滿足諸如導(dǎo)航之類的高性能應(yīng)用場合。本文以提高硅微陀螺儀的性能為目的,在深入研究硅微陀螺儀的工作機(jī)理和設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上,選擇雙質(zhì)量和全解耦的結(jié)構(gòu)形式,設(shè)計(jì)一種全新的硅微陀螺儀,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,同時(shí)分析加工工藝和環(huán)境干擾對硅微陀螺儀性能影響。本文主要研究以下幾方面的內(nèi)容：(1)硅微陀螺儀的工作機(jī)理和振動特性研究首先對硅微陀螺儀的工作原理進(jìn)行了深入研究,分析了硅微陀螺儀的基本結(jié)構(gòu)和哥氏效應(yīng),并建立了硅微陀螺儀的動力學(xué)模型,分析了傳統(tǒng)單質(zhì)量陀螺儀質(zhì)量-彈簧-阻尼的二階系統(tǒng)的振動特性、驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的振動特性,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析了雙質(zhì)量硅微陀螺儀的振動模態(tài)和振型。此外,本文還分析了硅微陀螺儀的靜電驅(qū)動和電容檢測機(jī)理,以及硅微陀螺儀的阻尼特性。(2)對稱全解耦的雙質(zhì)量硅微陀螺儀結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化在分析比較硅微陀螺儀主要結(jié)構(gòu)類型的基礎(chǔ)上,選擇合適的結(jié)構(gòu)形式完成對稱全解耦的雙質(zhì)量硅微陀螺儀的整體設(shè)計(jì),主要包括支承機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動與檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、全解耦設(shè)計(jì)、對稱雙質(zhì)量設(shè)計(jì)等,最終分析了所設(shè)計(jì)的硅微陀螺儀整體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。之后利用有限元仿真軟件分別進(jìn)行了模態(tài)仿真、軸向加速度敏感性仿真、熱應(yīng)力仿真、諧響應(yīng)仿真和瞬態(tài)沖擊仿真,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性,并不斷優(yōu)化硅微陀螺儀的機(jī)構(gòu)形式和具體尺寸,使得陀螺儀的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。(3)硅微陀螺儀的誤差分析分析了所設(shè)計(jì)的硅微陀螺儀的主要誤差來源和表現(xiàn)形式,并闡釋了這些誤差對硅微陀螺儀性能的影響,針對各誤差,給出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的注意細(xì)則和優(yōu)化方案。首先進(jìn)行了結(jié)構(gòu)誤差分析,主要包括加工誤差導(dǎo)致的剛度耦合誤差、阻尼耦合誤差、梁寬誤差和傾角誤差加工誤差導(dǎo)致的固有頻率變化、左右質(zhì)量和剛度不等對振動幅度的影響；然后分析了硅微陀螺儀驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的機(jī)電接口模型,并研究了雜散電容對輸出的影響。最后討論了溫度變化對硅微陀螺儀性能的影響,主要包括固有頻率、品質(zhì)因數(shù)、穩(wěn)定時(shí)間、驅(qū)動幅度、機(jī)械靈敏度、電容變化靈敏度等參數(shù)受溫度變化的影響。(4)硅微陀螺儀的制作和實(shí)驗(yàn)介紹了硅微陀螺儀的DDSOG加工工藝,并給出硅微陀螺儀的封裝步驟。然后對加工出來的對稱全解耦的雙質(zhì)量硅微陀螺儀進(jìn)行了性能測試,主要包括驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的振動特性測試、標(biāo)度因數(shù)測試、零偏測試和溫度特性測試。從初步測試結(jié)果來看,本文所設(shè)計(jì)的新型對稱全解耦的雙質(zhì)量硅微陀螺儀在性能上達(dá)到了較高水平。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN96

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本文編號：1161558