转子式陀螺电极结构建模分析与检测技术研究

发布时间：2017-04-19 23:16

  本文关键词：转子式陀螺电极结构建模分析与检测技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着惯性器件的发展,世界范围内展开了对于陀螺仪的研究。目前的转子式微陀螺都存在着一定的问题,为了解决这些问题并获得更高的精度,哈工大MEMS中心提出了新型球碟-转子式陀螺结构。在陀螺系统中,电容检测部分直接决定了器件的性能。本文针对球碟-转子式陀螺的检测电极电容展开了研究,目的为了提升陀螺系统的性能,改善差分电容检测结果的线性度和灵敏度。本论文中讨论了用电容变化表征转子位置变化的适用条件及存在误差。对存在输入角速度转子偏转时的检测电容进行了数学建模。然后通过Maxwell软件对陀螺电极电容结构建模仿真,对影响差分电容检测结果的因素进行了探讨。针对电容的边缘效应进行了分析,设计了增加保护极板的解决方案。接着设计分析了电容检测方案,检测电路主要包括电荷放大、差分放大、相敏解调和低通滤波几部分。推导各部分电路的传递函数,结合有限元仿真得到的电容值,通过Multisim软件对电路进行仿真,模拟了存在输入角速度时输出电压随转子偏转而改变的电容检测过程。最后对陀螺电容检测进行实验测试,验证之前分析的结果,并对结果进行处理。在研究中发现,用电容表征位置变化在位移较小时误差才较小。影响差分电容检测结果的因素中,较大的极板间距可以获得良好的线性度,但会以损失灵敏度为代价;电极中心角度和内外半径直接影响了极板面积,综合比较增大极板面积的参数选择对于检测结果更为有利;电极分配上,四电极方案相比于三、八电极方案更具优势,在完成信号检测同时不会为信号处理增加额外的负担。设计的保护电极结构有效的减少了边缘效应的影响,改善了检测结果。通过对检测结构和检测电路数学模型的推导,为陀螺解算和其他后续信号处理建立了理论基础。电路仿真得得到了包含电容变化信息的直流电压信号,相对于差分电容变化线性度良好,相关系数达到0.99994。实验结果与仿真得到的结论一致,得到结果依然存在的非线性,通过误差补偿的方法对检测结果进行线性化处理,补偿前后非线性误差由5.2322%降低到0.25377%,得到了较为准确的电压-角速度对应关系。
【关键词】：球碟-转子式陀螺 差分电容 电极结构 电容检测 线性化处理
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN96
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 国内外研究现状10-17
• 1.2.1 静电悬浮转子式微陀螺10-13
• 1.2.2 磁悬浮转子式微陀螺13-15
• 1.2.3 电容检测技术研究现状15-17
• 1.3 研究目的和意义17-18
• 1.4 本课题研究内容18-19
• 第2章 检测电容数学模型建立与分析19-30
• 2.1 球碟-转子式陀螺的工作原理19-20
• 2.2 电容检测的误差分析20-23
• 2.3 实际电容数学模型的建立23-28
• 2.4 本章小结28-30
• 第3章 电极结构的有限元仿真与分析30-46
• 3.1 有限元仿真概述30
• 3.2 电极结构参数的分析30-41
• 3.2.1 球碟-转子陀螺有限元模型建立31
• 3.2.2 线性回归分析原理31-33
• 3.2.3 电极与转子间距对电容检测的影响33-34
• 3.2.4 电极中心角度对电容检测的影响34-36
• 3.2.5 电极半径对电容检测的影响36-38
• 3.2.6 电极分配对电容检测的影响38-41
• 3.3 边缘效应的消除41-45
• 3.3.1 边缘效应概念41-42
• 3.3.2 边缘效应的消除方法42-43
• 3.3.3 电极结构改进43-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 检测电路设计及其在陀螺中的应用46-56
• 4.1 电荷放大电路46-48
• 4.2 相敏解调电路48-50
• 4.2.1 相敏解调的原理48-49
• 4.2.2 解调电路应用49-50
• 4.3 低通滤波电路50-51
• 4.4 电容检测电路在陀螺中应用的仿真分析51-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第5章 实验及数据的线性化处理56-66
• 5.1 实验环境56-57
• 5.2 变电容面积实验57-58
• 5.3 变电容间距实验58-59
• 5.4 实验结果的线性化处理59-65
• 5.4.1 常用的线性化矫正方法59
• 5.4.2 实验数据59-60
• 5.4.3 线性化处理60-65
• 5.5 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-73
• 致谢73

【参考文献】

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本文编号：317385