微机械陀螺参量放大及低温漂技术研究
发布时间：2021-02-19 14:05
微机械陀螺是一种重要的惯性传感器,具有集成度高、体积小、功耗低等优点。然而,硅材料和电子器件的温度敏感性使得微机械陀螺的零偏和标度因数存在温度漂移,制约了微机械陀螺的工程应用范围;微机械加工相对较大的工艺误差使得微机械陀螺的驱动模态和检测模态存在频率失配,不仅造成陀螺的机械灵敏度恶化,也导致陀螺检测模态存在驱动耦合过来的正交误差。本论文以降低微机械陀螺的温度敏感性和提高微机械陀螺的机械灵敏度为研究目标。本论文通过一种基于三角形电极（Triangular-Electrode Based,TEB）自校准电容检测方案,有效降低陀螺零偏和标度因数的温度敏感性;针对没有设计三角形电极的陀螺也提出了基于初始电容差的温度补偿方案,能够实现对陀螺零偏的实时温度补偿;此外,本论文提出一种基于三角形电极的线性参量放大技术,可同时实现调谐和参量放大,将该参量放大技术应用在微机械陀螺的驱动模态,提出了一种基于参量放大的新型驱动闭环方案,能够降低陀螺的温度敏感性和噪声,将该参量放大技术应用在微机械陀螺的检测模态,同时实现模态预匹配和参量放大,极大提高了陀螺的机械灵敏度,并在参量放大的同时减小了陀螺的正交误差。论...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：176 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 微机械陀螺概述
1.2 微机械陀螺原理和性能指标
1.2.1 微机械陀螺工作原理
1.2.2 微机械陀螺性能指标
1.2.3 Allan方差
1.3 微机械陀螺国内外研究现状
1.3.1 参量放大国内外研究现状
1.3.2 驱动闭环技术国内外研究现状
1.3.3 微机械陀螺温漂来源
1.3.4 低温漂技术国内外研究现状
1.4 论文研究内容和章节安排
1.4.1 研究内容
1.4.2 论文章节安排
2 栅结构微机械陀螺结构和处理电路
2.1 微机械陀螺系统框图
2.2 变面积式栅结构微机械陀螺
2.2.1 静电驱动
2.2.2 电容检测
2.2.3 静电调谐
2.2.4 加工工艺
2.3 陀螺处理电路
2.4 数字信号处理
2.4.1 压控振荡器
2.4.2 解调、滤波、求幅度相位
2.4.3 PI控制器
2.5 陀螺电容检测方案
2.6 陀螺器件特性测量方法
2.6.1 基于模态扫频技术的器件特性测量方法
2.6.2 基于振动衰减曲线的器件特性测量方法
2.6.3 基于PLL-AGC控制方案的器件特性测量方法
2.7 实验平台
2.7.1 本文所用陀螺
2.7.2 本文所用仪器设备
2.8 小结
3 微机械陀螺的温度特性研究
3.1 标度因数和零偏的温漂分析与测试
3.1.1 弹性系数和阻尼系数的温度模型
3.1.2 电容检测增益和静电驱动增益的温度模型
3.1.3 电容检测方案对标度因数和零偏的影响分析
3.1.4 标度因数和零偏的温度特性测试
3.2 TEB电容检测方案的温度特性测试
3.2.1 标度因数和零偏的稳定性测试
3.2.2 两种电容检测方案下的扫频曲线
3.2.3 两种电容检测方案下的陀螺温度特性测试
3.3 基于初始电容差的温度补偿方案
3.3.1 工作原理
3.3.2 幅度和相位提取测试
3.3.3 实时温度补偿测试
3.4 小结
4 线性参量放大的理论研究
4.1 参量共振的理论分析
4.1.1 受迫振动分类和参量共振定义
4.1.2 参量共振的频率条件和临界条件
4.1.3 参量共振下振动位移的频率响应
4.1.4 参量放大的等效品质因子
4.1.5 非理想频率条件的理论分析
4.2 参量放大的仿真与实验结果
4.2.1 直流调谐能力的仿真与实验结果
4.2.2 非理想频率条件的仿真
4.2.3 参量放大/参量缩小倍数的影响参数
4.2.4 参量放大/参量缩小下的频率响应
4.2.5 参量放大等效品质因子的研究
4.3 调谐电压形式对参量共振的影响分析
4.4 小结
5 线性参量放大的微机械陀螺
5.1 参量放大对陀螺性能影响的理论分析和仿真
5.1.1 参量放大的典型应用
5.1.2 参量放大对机械灵敏度和标度因数的影响
5.1.3 参量放大对正交误差的影响
5.2 基于参量放大的新型驱动CRF-PE闭环方案
5.2.1 工作原理
5.2.2 闭环平衡点分析
5.2.3 仿真结果
5.2.4 实验结果
5.3 基于CRF-PE闭环方案的陀螺器件特性测量方法
5.4 参量放大应用在陀螺检测模态的性能测试
5.4.1 直流调谐能力的仿真与实验结果
5.4.2 大气环境陀螺的参量放大测试
5.4.3 真空环境陀螺的参量放大测试和正交误差测试
5.5 小结
6 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
作者简历及在学期间所取得的科研成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]硅微陀螺正交误差校正方案优化[J]. 曹慧亮,王玉良,石云波,申冲,李宏生,刘俊,杨志才. 光学精密工程. 2016(01)
[2]基于谐振频率的微机械加速度计温度补偿方法[J]. 刘义冬,刘杰,朱辉杰,李丹,金仲和. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2015(07)
[3]具有增益补偿功能的微机械陀螺数字化驱动闭环[J]. 杨亮,苏岩,裘安萍,夏国明. 光学精密工程. 2014(01)
[4]硅微机械陀螺仪测控电路的温度补偿[J]. 曹慧亮,李宏生,王寿荣,杨波,黄丽斌. 光学精密工程. 2013(12)
[5]高品质因数微机械陀螺的温度自补偿[J]. 杨亮,苏岩,裘安萍,夏国明. 光学精密工程. 2013(11)
[6]一种新型的硅微陀螺仪驱动幅值检测和控制方案(英文)[J]. 王晓雷,杨成,李宏生. 中国惯性技术学报. 2013(05)
[7]硅微陀螺仪闭环正交校正研究[J]. 王攀,黄丽斌,李宏生,倪云舫. 传感技术学报. 2013(03)
[8]微机械陀螺同步解调灵敏度分析[J]. 罗兵,张辉,吴美平. 中国惯性技术学报. 2010(02)
[9]一种静电驱动电容检测的微机械陀螺及其工艺改进[J]. 郑旭东,胡世昌,张霞,金仲和,王跃林. 中国机械工程. 2009(18)
[10]基于模糊神经网络的MEMS陀螺温度漂移建模[J]. 李冠中,王雷. 厦门大学学报(自然科学版). 2008(04)
博士论文
[1]栅结构微机械陀螺的高精度高稳定性研究[D]. 马威.浙江大学 2017
[2]线性调谐微机械陀螺驱动和检测技术的研究[D]. 朱辉杰.浙江大学 2014
[3]基于滑膜阻尼效应的音叉式微机械陀螺研究[D]. 陈永.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2004
硕士论文
[1]小型化高精度数字式微机械加速度计的设计与实现[D]. 朱忠益.浙江大学 2013
[2]硅微机械陀螺驱动控制技术研究[D]. 于化鹏.国防科学技术大学 2009
本文编号：3041222
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：176 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 微机械陀螺概述
1.2 微机械陀螺原理和性能指标
1.2.1 微机械陀螺工作原理
1.2.2 微机械陀螺性能指标
1.2.3 Allan方差
1.3 微机械陀螺国内外研究现状
1.3.1 参量放大国内外研究现状
1.3.2 驱动闭环技术国内外研究现状
1.3.3 微机械陀螺温漂来源
1.3.4 低温漂技术国内外研究现状
1.4 论文研究内容和章节安排
1.4.1 研究内容
1.4.2 论文章节安排
2 栅结构微机械陀螺结构和处理电路
2.1 微机械陀螺系统框图
2.2 变面积式栅结构微机械陀螺
2.2.1 静电驱动
2.2.2 电容检测
2.2.3 静电调谐
2.2.4 加工工艺
2.3 陀螺处理电路
2.4 数字信号处理
2.4.1 压控振荡器
2.4.2 解调、滤波、求幅度相位
2.4.3 PI控制器
2.5 陀螺电容检测方案
2.6 陀螺器件特性测量方法
2.6.1 基于模态扫频技术的器件特性测量方法
2.6.2 基于振动衰减曲线的器件特性测量方法
2.6.3 基于PLL-AGC控制方案的器件特性测量方法
2.7 实验平台
2.7.1 本文所用陀螺
2.7.2 本文所用仪器设备
2.8 小结
3 微机械陀螺的温度特性研究
3.1 标度因数和零偏的温漂分析与测试
3.1.1 弹性系数和阻尼系数的温度模型
3.1.2 电容检测增益和静电驱动增益的温度模型
3.1.3 电容检测方案对标度因数和零偏的影响分析
3.1.4 标度因数和零偏的温度特性测试
3.2 TEB电容检测方案的温度特性测试
3.2.1 标度因数和零偏的稳定性测试
3.2.2 两种电容检测方案下的扫频曲线
3.2.3 两种电容检测方案下的陀螺温度特性测试
3.3 基于初始电容差的温度补偿方案
3.3.1 工作原理
3.3.2 幅度和相位提取测试
3.3.3 实时温度补偿测试
3.4 小结
4 线性参量放大的理论研究
4.1 参量共振的理论分析
4.1.1 受迫振动分类和参量共振定义
4.1.2 参量共振的频率条件和临界条件
4.1.3 参量共振下振动位移的频率响应
4.1.4 参量放大的等效品质因子
4.1.5 非理想频率条件的理论分析
4.2 参量放大的仿真与实验结果
4.2.1 直流调谐能力的仿真与实验结果
4.2.2 非理想频率条件的仿真
4.2.3 参量放大/参量缩小倍数的影响参数
4.2.4 参量放大/参量缩小下的频率响应
4.2.5 参量放大等效品质因子的研究
4.3 调谐电压形式对参量共振的影响分析
4.4 小结
5 线性参量放大的微机械陀螺
5.1 参量放大对陀螺性能影响的理论分析和仿真
5.1.1 参量放大的典型应用
5.1.2 参量放大对机械灵敏度和标度因数的影响
5.1.3 参量放大对正交误差的影响
5.2 基于参量放大的新型驱动CRF-PE闭环方案
5.2.1 工作原理
5.2.2 闭环平衡点分析
5.2.3 仿真结果
5.2.4 实验结果
5.3 基于CRF-PE闭环方案的陀螺器件特性测量方法
5.4 参量放大应用在陀螺检测模态的性能测试
5.4.1 直流调谐能力的仿真与实验结果
5.4.2 大气环境陀螺的参量放大测试
5.4.3 真空环境陀螺的参量放大测试和正交误差测试
5.5 小结
6 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
作者简历及在学期间所取得的科研成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]硅微陀螺正交误差校正方案优化[J]. 曹慧亮,王玉良,石云波,申冲,李宏生,刘俊,杨志才. 光学精密工程. 2016(01)
[2]基于谐振频率的微机械加速度计温度补偿方法[J]. 刘义冬,刘杰,朱辉杰,李丹,金仲和. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2015(07)
[3]具有增益补偿功能的微机械陀螺数字化驱动闭环[J]. 杨亮,苏岩,裘安萍,夏国明. 光学精密工程. 2014(01)
[4]硅微机械陀螺仪测控电路的温度补偿[J]. 曹慧亮,李宏生,王寿荣,杨波,黄丽斌. 光学精密工程. 2013(12)
[5]高品质因数微机械陀螺的温度自补偿[J]. 杨亮,苏岩,裘安萍,夏国明. 光学精密工程. 2013(11)
[6]一种新型的硅微陀螺仪驱动幅值检测和控制方案(英文)[J]. 王晓雷,杨成,李宏生. 中国惯性技术学报. 2013(05)
[7]硅微陀螺仪闭环正交校正研究[J]. 王攀,黄丽斌,李宏生,倪云舫. 传感技术学报. 2013(03)
[8]微机械陀螺同步解调灵敏度分析[J]. 罗兵,张辉,吴美平. 中国惯性技术学报. 2010(02)
[9]一种静电驱动电容检测的微机械陀螺及其工艺改进[J]. 郑旭东,胡世昌,张霞,金仲和,王跃林. 中国机械工程. 2009(18)
[10]基于模糊神经网络的MEMS陀螺温度漂移建模[J]. 李冠中,王雷. 厦门大学学报(自然科学版). 2008(04)
博士论文
[1]栅结构微机械陀螺的高精度高稳定性研究[D]. 马威.浙江大学 2017
[2]线性调谐微机械陀螺驱动和检测技术的研究[D]. 朱辉杰.浙江大学 2014
[3]基于滑膜阻尼效应的音叉式微机械陀螺研究[D]. 陈永.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2004
硕士论文
[1]小型化高精度数字式微机械加速度计的设计与实现[D]. 朱忠益.浙江大学 2013
[2]硅微机械陀螺驱动控制技术研究[D]. 于化鹏.国防科学技术大学 2009
本文编号：3041222
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