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微石英音叉陀螺激励与检测电极的研究

北京理工大学学报 2001年第4期21卷 503-507页

作者：王莹孙雨南秦秉坤印平北京理工大学光电工程系北京100081 北京联合大学专业基础部北京100101

根据弹性力学和静电场理论建立压电梁弯曲振动时晶体内电场分布的泊松方程 ,研究微石英音叉陀螺不同形式的激励与检测电极的性能 .对泊松方程求解 ,得出了几种典型电极形式下压电梁内电场的分布表达式 ,计算驱动电极的等效体力和检测电... 详细信息

根据弹性力学和静电场理论建立压电梁弯曲振动时晶体内电场分布的泊松方程 ,研究微石英音叉陀螺不同形式的激励与检测电极的性能 .对泊松方程求解 ,得出了几种典型电极形式下压电梁内电场的分布表达式 ,计算驱动电极的等效体力和检测电极的压电电流 .根据等效体力和压电电流的大小确定出了最佳驱动电极和检测电极的形式 ,给出了微石英音叉陀螺电极性能的研究方法 .

关键词：石英陀螺压电效应等效体力压电电流检测电极微机械角速度传感器

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微石英音叉陀螺角速度信号提取方法的研究

北京理工大学学报 2003年第2期23卷 241-244页

作者：王莹孙雨南秦秉坤崔芳大连海事大学信息工程学院辽宁大连116026 北京理工大学信息科学技术学院光电工程系北京100081

研究微石英音叉陀螺的工作原理和微弱角速度信号的提取方法 .从石英音叉陀螺敏感振动的近似动力学方程出发 ,推导了由哥氏惯性力引起的稳态和暂态振动信号以及陀螺检测输入角速度的灵敏度 ,并分析了材料各向异性与加工误差引起的正交误... 详细信息

研究微石英音叉陀螺的工作原理和微弱角速度信号的提取方法 .从石英音叉陀螺敏感振动的近似动力学方程出发 ,推导了由哥氏惯性力引起的稳态和暂态振动信号以及陀螺检测输入角速度的灵敏度 ,并分析了材料各向异性与加工误差引起的正交误差信号特点 ,在此基础上分析了包含角速度信息的稳态信号与暂态信号、正交误差信号的差异 ,指出利用相关检测技术可在强背景噪声条件下提取出角速度信号 ,并通过数字仿真验证了角速度提取方案的可行性 .

关键词：石英陀螺哥氏力信号处理相关检测

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微石英音叉陀螺正弦自激驱动电路设计

微石英音叉陀螺正弦自激驱动电路设计

作者：徐宏磊哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

石英音叉微机械陀螺是一种测量角速度的惯性器件,由石英音叉敏感结构和信号处理电路组成,电路采用集成电路工艺来实现,具有体积小,质量轻,成本低,可大批量生产,精度高等特点,在航空航天、军事制导以及海底探测等方面有着广阔的应用空间... 详细信息

石英音叉微机械陀螺是一种测量角速度的惯性器件,由石英音叉敏感结构和信号处理电路组成,电路采用集成电路工艺来实现,具有体积小,质量轻,成本低,可大批量生产,精度高等特点,在航空航天、军事制导以及海底探测等方面有着广阔的应用空间。本论文通过分析石英晶体的电学特性建立石英晶体的等效电学模型,对其驱动方式进行了探索,提出了一种带有自动增益控制结构的正弦自激驱动电路,并对其进行管级仿真、版图设计和后仿真。首先,利用石英音叉陀螺的动力学方程,建立石英音叉的等效电学模型,并对该模型进行交流小信号仿真,得到石英结构产生的敏感电流的幅频和相频特性。当驱动信号的频率与石英晶体的串联谐振频率相同时所产生的敏感电流信号幅值最大。然后,对外加交流电压驱动、自激驱动方式进行了比较,同时对驱动信号的选择进行了仿真分析,最终确定了采用带有自动增益控制模块的正弦自激驱动结构,包括I/V转换电路、峰值检测电路、可变增益放大器和后级放大电路。利用Matlab中的Simulink搭建了正弦自激驱动系统的理想模型,对该结构方案进行了可行性验证。最后,对正弦自激驱动电路的各个模块进行管级电路设计仿真,并将各个模块结合到一起,对驱动电路整体进行了前仿真;对所设计的电路系统进行版图设计,并进行后仿真。驱动信号峰峰值为5.7886V,驱动频率为11811.0Hz,驱动电路的振动稳定时间小于1秒,幅度稳定性和频率稳定性分别可以达到0.3%和0.8%。符合石英音叉结构对驱动信号的要求,能够为检测电路提供幅度和频率均稳定的正弦信号。

关键词：石英陀螺自动增益控制正弦驱动自激驱动

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石英音叉陀螺信号解调原理和角速度提取算法

中国惯性技术学报 2006年第5期14卷 74-77页

作者：罗兵郭理彬吴美平国防科技大学机电工程与自动化学院长沙410073

介绍了石英音叉陀螺输出信号的成分,通过将其误差信号分解为一组相互正交的信号,建立了输出信号的模型。提出了一种利用基于锁相环(PLL)的正交矢量型锁定放大器解调石英音又陀螺信号的方案。该方案利用锁相环作为锁定放大器的参考通道,... 详细信息

介绍了石英音叉陀螺输出信号的成分,通过将其误差信号分解为一组相互正交的信号,建立了输出信号的模型。提出了一种利用基于锁相环(PLL)的正交矢量型锁定放大器解调石英音又陀螺信号的方案。该方案利用锁相环作为锁定放大器的参考通道,它能消除驱动信号漂移的影响,并为正交矢量型锁定放大器提供一组互相正交的参考信号。正交矢量型锁定放大器提供被测信号的矢量信息,它输出的同相分量和正交分量通过旋转校正算法消除误差信号,从而提取出角速度信号。

关键词：信号解调锁定放大器锁相环石英陀螺

带温度补偿的低温漂石英微机械陀螺接口ASIC设计

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光学精密工程 2017年第7期25卷 1843-1849页

作者：付强尹亮陈伟平刘晓为哈尔滨工业大学MEMS中心黑龙江哈尔滨150001

本文通过分析石英陀螺的工作原理,设计了闭环自激驱动、低噪声相敏解调原理的接口电路,并研究了驱动力耦合对零位输出造成的影响,以提高石英陀螺的环境适应性。通过研究传感器敏感表头的空气阻尼和谐振频率等方面的温度特性,得出温度对... 详细信息

本文通过分析石英陀螺的工作原理,设计了闭环自激驱动、低噪声相敏解调原理的接口电路,并研究了驱动力耦合对零位输出造成的影响,以提高石英陀螺的环境适应性。通过研究传感器敏感表头的空气阻尼和谐振频率等方面的温度特性,得出温度对驱动力幅值的影响。进而提出通过驱动力幅值进行温度补偿的方法。对接口电路温度特性以及对陀螺零位输出的影响进行了分析,设计了全温区带宽恒定的运算放大器单元,抑制由于检测信号中高次谐波分量比例变化产生的温度漂移,并在高压N阱CMOS工艺下流片,实现低温漂接口ASIC。在-45℃~85℃的温度范围内对石英陀螺整机进行零位温度循环测试,利用驱动力幅值对零位输出进行三阶拟合补偿,补偿后全温零位温度漂移小于20°/hr(1σ),短期稳定性为5°/hr,输出噪声为0.001°/s/√Hz。

关键词：石英陀螺温度补偿接口ASIC 温度漂移

基于剪应力检测的石英微结构及其陀螺效应研究

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物理学报 2010年第10期59卷 6896-6901页

作者：谢立强吴学忠李圣怡王浩旭董培涛国防科学技术大学机电工程与自动化学院长沙410073

为了简化石英陀螺结构侧壁上的电极图形,设计了一种基于剪应力检测Coriolis力的新型石英微结构.通过对剪应力检测方案的分析,微结构侧壁电极的极性单一,采用锥度为15°的锥形梁结构作为敏感梁的设计可以增大敏感梁的检测灵敏度.通过各... 详细信息

为了简化石英陀螺结构侧壁上的电极图形,设计了一种基于剪应力检测Coriolis力的新型石英微结构.通过对剪应力检测方案的分析,微结构侧壁电极的极性单一,采用锥度为15°的锥形梁结构作为敏感梁的设计可以增大敏感梁的检测灵敏度.通过各项异性湿法腐蚀z切石英片的方法制造了微结构样件.测试表明样件的驱动频率约为5.6kHz,大气下的品质因子在5000以上.输出信号频谱的谱线存在Coriolis力信号,验证了设计思想的正确性。

关键词：石英陀螺剪应力检测 Coriolis力

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微石英音叉电学参数的有限元分析

北京理工大学学报 2003年第4期23卷 469-472页

作者：廖兴才孙雨南唐琼崔芳北京理工大学信息科学技术学院光电工程系北京100081

以U形石英音叉为例,用耦合电压自由度的方式模拟电极,提出了石英音叉的静态集总电容模型,用有限元分析中的静态分析方法计算了静态电容参数.通过对电极作短路和开路处理,分别用模态分析和谐波响应分析方法计算了石英音叉的本征频率,两... 详细信息

以U形石英音叉为例,用耦合电压自由度的方式模拟电极,提出了石英音叉的静态集总电容模型,用有限元分析中的静态分析方法计算了静态电容参数.通过对电极作短路和开路处理,分别用模态分析和谐波响应分析方法计算了石英音叉的本征频率,两种分析计算结果相同.根据本征频率计算了石英音叉的动态等效电路参数,计算值在实测值的离散范围内.最后综合运用模态分析、谐波响应分析方法计算了石英音叉传感器的电压和电荷灵敏度,可为设计传感器放大电路提供必要的参考.

关键词：石英陀螺静态集总电容动态等效电路有限元法

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MEMS惯组抗高g值冲击设计方法

中国惯性技术学报 2014年第3期12卷 404-408页

作者：汪守利刘海涛滕纲刘尔静张钰北京遥测技术研究所北京100076

MEMS惯组以其体积小、成本低、可靠性高在强冲击环境中得到越来越广泛的应用。为解决基于石英微陀螺和硅微加速度计的MEMS惯组抗高g值冲击问题,提出了一种内减振抗冲击设计方法。在该设计方法中,将陀螺与加速度计嵌入式安装在对称六面... 详细信息

MEMS惯组以其体积小、成本低、可靠性高在强冲击环境中得到越来越广泛的应用。为解决基于石英微陀螺和硅微加速度计的MEMS惯组抗高g值冲击问题,提出了一种内减振抗冲击设计方法。在该设计方法中,将陀螺与加速度计嵌入式安装在对称六面体框架结构上,并通过粘接在六面体框架八个顶点的24块粘弹性阻尼减震器与惯组基体隔离,实现内减振。同时基于弹簧阻尼系统理论建立了MEMS惯组抗冲击等效数学模型,对模型进行了仿真分析。利用有限元分析软件ANSYS对三维结构模型进行了模态分析和冲击仿真分析,并通过结构扫频实验与9次5000g冲击谱试验进行了验证。仿真分析与试验结果证明了该方法的有效性及可行性。

关键词：石英陀螺 MEMS惯组弹簧阻尼系统高g值冲击

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新型固态陀螺在火星探测器上的应用

导航与控制 2005年第2期12卷 59-64,14页

作者：魏丽萍许文白王巍中国航天时代电子公司研究院，北京100854

本文从简单回顾人类探索火星的历史进程入手，引出对火星探测任务中的关键技术之一——自主导航控制技术的论证和分析。本文重点介绍了石英微机械陀螺和光纤陀螺在火星探测中关键的进入、下降、着陆阶段及火星表面行走等任务阶段的成功... 详细信息

本文从简单回顾人类探索火星的历史进程入手，引出对火星探测任务中的关键技术之一——自主导航控制技术的论证和分析。本文重点介绍了石英微机械陀螺和光纤陀螺在火星探测中关键的进入、下降、着陆阶段及火星表面行走等任务阶段的成功应用，从而表明了早期的石英陀螺和先进的光纤陀螺有能力经受空间的恶劣环境，并能满足这类重大探索任务的挑战。

关键词：火星探测器固态陀螺应用光纤陀螺微机械陀螺历史进程控制技术自主导航关键技术探测任务火星表面着陆阶段恶劣环境石英陀螺