本文選題：微機械陀螺　切入點：器件特性　出處：《浙江大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：微機械陀螺是一種基于硅微機械加工技術(shù)的測試角速度或者角位移的慣性傳感器,與傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)子式陀螺、光學(xué)陀螺相比,具有體積小、功耗低、可靠性高、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點,在民用與軍用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。經(jīng)過二十多年的發(fā)展,微機械陀螺的性能指標不斷提高,顯現(xiàn)出在高精度測量領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。本論文以實現(xiàn)高精度高穩(wěn)定性的柵結(jié)構(gòu)微機械陀螺為根本目標,從器件特性測量、電容檢測方法、系統(tǒng)噪聲分析和模態(tài)匹配算法等四個方面進行了深入地研究,論文的主要工作內(nèi)容及貢獻如下:1)對微機械陀螺的器件特性測量方法進行了系統(tǒng)地研究。比較分析了測量諧振頻率與品質(zhì)因子的三種常規(guī)方法,包括模態(tài)掃頻方案、振動衰減曲線方案和PLL-AGC控制環(huán)路方案。通過原理說明、數(shù)值仿真等手段來探討三種方法各自的優(yōu)缺點及其適用場景。進一步地,針對高Q陀螺的測試需求,提出了一種改進的振動衰減曲線方案,有效解決了常規(guī)方案中陀螺起振過慢與測量電路易飽和的問題:在陀螺起振階段,利用PLL閉環(huán)控制對諧振頻率進行快速測量,同時利用AGC閉環(huán)控制使陀螺能夠快速起振并且有效地限制了振動位移,再利用振動衰減曲線實現(xiàn)對品質(zhì)因子的高精度測量。對真空環(huán)境下陀螺的驅(qū)動模態(tài)進行測試,實驗結(jié)果表明驅(qū)動模態(tài)的諧振頻率為1515.9Hz,品質(zhì)因子為9177,且測試結(jié)果有較好的重復(fù)性,測量誤差僅為0.05%。2)首次提出了一種自校準的變面積電容檢測方法。該方法中的檢測電容為TEB(Triangular-electrode base)電容,由矩形電極與三角形電極交疊構(gòu)成,利用其與運動位移的非線性關(guān)系能夠精確地并且魯棒性地測量簡諧振動的幅度和相位信息。理論分析指出,TEB方法中的電容檢測信號同時包含了一次諧波分量與二次諧波分量,通過兩個諧波分量的幅度商來表征運動幅度,通過兩個諧波分量的相位差來表征運動相位,那么,測得的運動幅度和運動相位對包括載波幅度、初始檢測電容、處理電路的增益與相位等系統(tǒng)參數(shù)的波動具有魯棒性,即實現(xiàn)了自校準功能。實驗測試發(fā)現(xiàn),與常規(guī)方法相比,TEB方法的測量結(jié)果對系統(tǒng)參數(shù)波動的魯棒性提高了 95%,與理論相一致。該技術(shù)基于一種簡單的結(jié)構(gòu),能夠廣泛應(yīng)用于各類基于電容檢測的微機械諧振式器件,如諧振式加速度計和科氏振動陀螺。進一步地,提出了一種基于新型的TEB電容檢測方法的微機械陀螺驅(qū)動環(huán)路控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明,驅(qū)動模態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的簡諧振動,其幅度穩(wěn)定度與相位穩(wěn)定度分別為34ppm與30ppm,此外,陀螺系統(tǒng)的零偏穩(wěn)定性有了 1.6倍的性能改善,大氣下的Allan方差結(jié)果為1.6°/h。3)為了實現(xiàn)高性能的微機械陀螺,對系統(tǒng)噪聲進行了深入地研究:a)在驅(qū)動環(huán)路上,首次提出了一種基于改進的機電幅度調(diào)制(Modified electromechanical amplitude modulation,MEAM)技術(shù)的驅(qū)動環(huán)路控制方案。理論分析指出,驅(qū)動環(huán)路中處理電路的相位延遲會導(dǎo)致陀螺輸出端的正交誤差信號泄露到角速度檢測信號,即IQ耦合問題。在新型的MEAM方法中,通過將驅(qū)動模態(tài)的諧振頻率調(diào)制到載波信號頻率上,使得電容檢測電路輸出的檢測電壓信號包含了一個恒定頻率的有用分量。此時,即便驅(qū)動諧振頻率發(fā)生改變,由信號處理電路引入的相位延遲也是一個恒定量,改善了陀螺系統(tǒng)對器件結(jié)構(gòu)參數(shù)波動或者環(huán)境溫度波動的魯棒性。進一步地,通過搭建Simulink仿真模型證明了 MEAM方法的正確性與有效性。最后,對工作在大氣環(huán)境下的模態(tài)分離28 Hz的微機械陀螺進行了實驗驗證。測試結(jié)果表明,與常規(guī)方案比較,在新型的MEAM方案控制下陀螺系統(tǒng)的零偏穩(wěn)定性與噪聲性能分別改善了 2.4倍與1.4倍,大氣下Allan方差分析的零偏穩(wěn)定性為0.9°/h,角度隨機游走為0.068°/√h。b)在力平衡檢測環(huán)路上,通過解析推導(dǎo)得到了陀螺輸入到輸出的傳遞函數(shù),并將其分解為兩個單位負反饋系統(tǒng),有效地降低了環(huán)路分析與設(shè)計的復(fù)雜性。進一步地,結(jié)合理論分析與數(shù)值仿真工具,分別對模態(tài)匹配陀螺、近似模態(tài)匹配陀螺與模態(tài)分離陀螺三種情況進行了研究,能夠有效地指導(dǎo)環(huán)路參數(shù)的優(yōu)化過程,使系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性、暫態(tài)響應(yīng)特性和帶寬的要求。c)在力平衡檢測環(huán)路上,對限制微機械陀螺系統(tǒng)檢測精度的主要噪聲源進行了深入的研究。在模態(tài)分離/模態(tài)匹配、高Q/低Q等不同情況下,比較分析了機械熱噪聲、后端電路噪聲與前端電路噪聲等三類噪聲源對陀螺系統(tǒng)輸出總噪聲的影響。此外,通過對照實驗驗證了理論分析的正確性,指出:降低模態(tài)頻率差與增大驅(qū)動模態(tài)振動位移是改善陀螺系統(tǒng)檢測精度的最直接有效的方法。測試結(jié)果表明,模態(tài)頻率最接近(△f=10Hz)的陀螺#3性能最佳:驅(qū)動位移信號的幅度穩(wěn)定度為18ppm,相位穩(wěn)定度為0.00017°(1σ);在±500°/s范圍內(nèi)陀螺系統(tǒng)的非線性度為0.04%;真空環(huán)境下1小時零偏數(shù)據(jù)的標準差為5.5°/h,Allan方差分析得到的零偏穩(wěn)定性和角度隨機游走分別為0.3°/h和0.025°/√h。4)首次提出了一種新型的微機械陀螺模態(tài)匹配算法。與文獻中報道的模態(tài)匹配技術(shù)相比,該算法具有調(diào)諧速率快(s)、調(diào)諧精度高(0.01 Hz)、對環(huán)境角速度輸入不敏感的突出優(yōu)勢,并且與常規(guī)的力平衡檢測環(huán)路相兼容,幾乎不增加陀螺系統(tǒng)的復(fù)雜性�；趯δB(tài)匹配陀螺特性的分析,總結(jié)了新型模態(tài)匹配算法的調(diào)諧程序,并利用周期平均法對控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解進行了理論推導(dǎo),證明了該算法能夠最終消除兩個振動模態(tài)的諧振頻率差。然后,通過數(shù)值仿真工具對模態(tài)匹配算法進行了驗證,并提出了用Iref斜坡緩變替代Iref階躍跳變的改進方案,能夠降低調(diào)諧過程中由于角速度檢測信號的瞬態(tài)響應(yīng)誤差超出陀螺量程從而導(dǎo)致系統(tǒng)閉環(huán)失敗的風(fēng)險。最后,在基于FPGA的數(shù)字化陀螺系統(tǒng)上對新型模態(tài)匹配算法進行了驗證。實驗結(jié)果表明該算法有效地消除了初始模態(tài)頻率差,實現(xiàn)了模態(tài)匹配狀態(tài)。此外,在靜止、恒定轉(zhuǎn)速與正弦轉(zhuǎn)速等不同環(huán)境下的測試則驗證了新型模態(tài)匹配算法對環(huán)境角速度輸入不敏感的特征,與理論相一致。由Allan方差分析結(jié)果可知,模態(tài)匹配陀螺的零偏穩(wěn)定性為0.4°/h,角度隨機游走為0.015°/√h,對應(yīng)的單位帶寬噪聲等效角速度為0.9°/h/√Hz,為當前課題組測試陀螺表頭中的最佳精度結(jié)果。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP212

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