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振动与冲击 2018年第24期37卷 46-52,71页

作者：郝淑英李会杰张辰卿张琪昌冯晶晶李磊天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心天津300384 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300072

为揭示刚度非线性对双检测微陀螺灵敏度稳定性及精度的影响规律,利用复指数法求解双检测方程线性稳态响应,采用多尺度法对非线性动力学方程进行摄动分析,并考虑科氏力对检测输出的影响,提出了一种有效的处理高维非线性方程耦合项的方法... 详细信息

为揭示刚度非线性对双检测微陀螺灵敏度稳定性及精度的影响规律,利用复指数法求解双检测方程线性稳态响应,采用多尺度法对非线性动力学方程进行摄动分析,并考虑科氏力对检测输出的影响,提出了一种有效的处理高维非线性方程耦合项的方法,在此基础上探讨检测刚度非线性对双检测微陀螺的幅频曲线、共振频率偏移的影响规律。研究发现:检测的刚度非线性造成检测一和检测二的幅频曲线出现硬化、振幅跳跃、多解及共振频率偏移等复杂非线性行为,导致微陀螺灵敏度失稳;微陀螺灵敏度的稳定性及失稳的带宽范围对刚度非线性十分敏感,当刚度非线性达到某一值时其微小的增长都会严重影响微陀螺的灵敏度的稳定性并使失稳的带宽范围显著增加,如此会导致线性系统设计的失效。

关键词：双检测微陀螺复指数法刚度非线性振幅跳跃灵敏度

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驱动刚度非线性对双检测微陀螺性能的影响

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振动与冲击 2019年第14期38卷 131-137页

作者：郝淑英李伟雄李会杰张琪昌冯晶晶天津市先进机电系统设计与控制重点实验室天津300384 机电工程国家级实验教学示范中心天津300384 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300072

驱动刚度非线性的存在会导致幅频曲线出现典型的非线性硬化特性,从而影响双检测微陀螺检测输出信号和灵敏度的稳定性。为对比线性刚度和非线性刚度对微陀螺检测输出的影响规律,首先求解线性刚度下系统的稳态响应,其次采用多尺度法求解... 详细信息

驱动刚度非线性的存在会导致幅频曲线出现典型的非线性硬化特性,从而影响双检测微陀螺检测输出信号和灵敏度的稳定性。为对比线性刚度和非线性刚度对微陀螺检测输出的影响规律,首先求解线性刚度下系统的稳态响应,其次采用多尺度法求解非线性动力学方程的近似周期解,并考虑科氏力对检测输出的影响,在此基础上探讨驱动刚度立方非线性对双检测微陀螺系统主共振的幅频曲线、共振频率、灵敏度的影响规律。研究发现:驱动模态共振频率与刚度非线性及振动峰值密切相关;刚度非线性越强,固有频率的漂移量对振幅的变化就越敏感。较弱的驱动刚度非线性就会导致检测一和检测二在驱动模态频率处的幅值大幅下降,由此对微陀螺的输出信号产生极大影响,降低了微陀螺检测信号的稳定性,并与基于线性设计的灵敏度值产生极大的偏差。

关键词：双检测微陀螺多尺度法科氏力驱动刚度立方非线性灵敏度

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静电力非线性对双检测微陀螺谐振频率及灵敏度稳定性的影响

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振动与冲击 2020年第8期39卷 136-142页

作者：郝淑英李伟雄李会杰张琪昌冯晶晶张昆鹏天津市先进机电系统设计与控制重点实验室天津300384 机电工程国家级实验教学示范中心天津300384 天津理工大学天津300384 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300072 天津大学天津300072

为探究如何避免静电力非线性的影响或利用高电压下的静电力非线性和微梁几何非线性对冲以实现高稳定性和高灵敏度微陀螺的设计。考虑边缘效应下的静电力非线性和刚度立方非线性同时存在时,结构参数对双检测微陀螺动力学性能的影响规律;... 详细信息

为探究如何避免静电力非线性的影响或利用高电压下的静电力非线性和微梁几何非线性对冲以实现高稳定性和高灵敏度微陀螺的设计。考虑边缘效应下的静电力非线性和刚度立方非线性同时存在时,结构参数对双检测微陀螺动力学性能的影响规律;研究表明,梳齿未交叠长度越小,直流偏置电压越大,则共振频率偏移量越大,静电力的软化效果也越显著;梳齿未交叠长度存在一阀值,大于此值时静电力非线性弱化为零且对幅值的影响存在饱和现象,利用此特性可保持灵敏度的稳定性。通过微梁几何非线性的设计和控制调节驱动刚度非线性导致的硬化特性来平衡静电力带来的软化特征,使幅频曲线呈现理想的线性状态,避免了因硬化、软化特性造成的频率失稳和振幅跳跃现象的发生,同时也获得了较高的灵敏度和稳定性。

关键词：边缘效应静电力非线性刚度立方非线性双检测微陀螺灵敏度

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刚度非线性对双检测微陀螺动力学特性影响

刚度非线性对双检测微陀螺动力学特性影响

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作者：李会杰天津理工大学

学位级别：硕士

微陀螺仪是测量运载体角速度的一类微型传感器,和传统陀螺对比看,它有着体积小、成本低、性能高和可靠性大等众多优势,具有十分重要的应用价值,对军事和民用领域都做出很大贡献。最近几年,海内外专家对更高性能的MEMS微陀螺陆续展开深... 详细信息

微陀螺仪是测量运载体角速度的一类微型传感器,和传统陀螺对比看,它有着体积小、成本低、性能高和可靠性大等众多优势,具有十分重要的应用价值,对军事和民用领域都做出很大贡献。最近几年,海内外专家对更高性能的MEMS微陀螺陆续展开深入的探索和研究,现阶段,关于单自由度和多自由度微陀螺线性系统理论的研究已经比较成熟,采用的微陀螺分析模型大多都是基于理想的线性动力学而展开的一系列动力学分析,而忽略了微陀螺中普遍存在的非线性因素会导致基于线性动力学设计失效这一问题的严重性,因此,本文在对单驱动双检测三自由度的微陀螺的研究中,考虑了边缘效应下的静电力非线性和刚度非线性因素,采用理论分析和数值计算相结合的方法研究非线性成分对双检测微陀螺性能的影响机制,研究结果为进一步开展双检测微陀螺复杂非线性动力学的分析提供了理论依据。为对比线性刚度和立方非线性刚度对双检测微陀螺输出信号的影响规律,首先,在考虑科氏力因素对检测输出影响的基础上,采用复指数法求解双检测方程的线性稳态响应,其次,采用多尺度法对驱动非线性动力学方程进行摄动分析,探讨驱动刚度非线性对双检测微陀螺系统主共振幅频曲线、共振频率、灵敏度及带宽的影响规律。研究发现:无论是否考虑微陀螺的非线性因素,单驱动微陀螺窄的驱动带宽都会对微陀螺检测带宽及微陀螺灵敏度的稳定性产生影响;驱动刚度非线性导致驱动共振频率发生偏移,偏移量与刚度非线性系数呈正相关,但主共振的峰值大小与刚度非线性强弱无关;检测一、二幅频曲线均在驱动方向模态频率处出现典型的非线性硬化特征,且较弱的刚度非线性就会导致驱动方向、检测一和二在驱动模态频率处的幅值大幅下降;驱动方向刚度非线性引发的幅频曲线的跳跃、共振频率的偏移、多解及解的不稳定现象都对微陀螺的输出信号产生了重大影响,降低了微陀螺检测信号的稳定性,并与基于线性系统的灵敏度计算结果产生较大的偏差。分析结果为提高微陀螺的灵敏度的稳定性具有指导价值。分析了边缘效应下的静电力非线性和刚度立方非线性对双检测微陀螺动力学特征的影响,得出结论有:非线性瞬时固有频率与驱动振动峰值有关,与刚度立方非线性呈正相关,且随着振动峰值的增加增长率变大;梳齿未交叠长度愈小,直流偏置电压愈大,则频率偏移量愈大,静电力的软化特性也更强;通过调节驱动刚度非线性导致的硬化特性可以平衡静电力带来的软化特征,不仅使幅频曲线呈现理想的线性状态,还避免了硬化、软化特性造成的频率失稳和振幅跳跃现象的发生,同时也获得了较高的灵敏度,并去除了非线性对微陀螺带宽造成的影响。研究结果为消除或减小微陀螺的静电力非线性提供理论依据。检测方向刚度非线性直接影响着微陀螺的检测输出,采用多尺度法对双检测微陀螺检测方向的刚度非线性动力学方程进行求解,并给出了一种有效处理高维非线性方程耦合项的方法,探讨检测刚度非线性对双检测微陀螺的幅频曲线、共振频率的影响规律。研究发现:检测一刚度非线性导致检测一、二幅频曲线均在检测一模态频率处出现严重的振幅跳跃现象,造成检测一和驱动模态频率范围之间的灵敏度失稳,即微陀螺性能的稳定性遭到破坏;微陀螺灵敏度的稳定性及失稳的带宽范围对支撑梁刚度立方非线性十分敏感,当刚度非线性达到某一值时其微小的增长都会严重影响微陀螺的灵敏度的稳定性并使失稳的带宽范围显著增加,如此会导致线性系统设计的失效。研究结果为提高多自由度微陀螺的性能及其他复杂非线性动力学的研究提供指导价值。

关键词：双检测微陀螺多尺度法静电力非线性刚度非线性灵敏度

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