石英音叉微机械陀螺的微弱信号数字检测技术的仿真与系统误差研究

发布时间：2017-05-31 19:18

  本文关键词：石英音叉微机械陀螺的微弱信号数字检测技术的仿真与系统误差研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 石英音叉微机械陀螺是一种新型的微机械振动角速度传感器,由于其具有成本低、尺寸小、可靠性高、寿命长,又能在恶劣环境中工作的独特优点,逐渐在军事运用和商业应用方面显示了广阔的前景,以微陀螺为核心部件的微惯性测量组合(MIMU)的发展也日益蓬勃。但是陀螺的精度却越来越适应不了更高要求的应用场合。针对石英音叉微陀螺的微弱信号检测技术,本文通过仿真表明:利用数字相关解调方法提取陀螺信号可以很好地提高检测精度。本文主要在压缩信号带宽提高信噪比和分析误差源以减小系统误差两个方面展开分析研究,主要内容如下: 1.阐述陀螺的工作机理,说明压电效应的物理机制,根据电极优化配置的电场强度分布分析微观晶元的所受应力,说明了石英音叉各种振动模式的动力来源 2.仿真分析微弱信号数字检测技术在提高信号检测精度方面的优越之处,验证其利用压缩带宽提高信噪比的方法在陀螺信号解调上的可行性;对不同数字滤波器进行性能比较优化选择 3.详细分析了温度变化对谐振频率、机械品质因素等的影响,得到谐振频率随温度变化趋势曲线,指出补偿温度变化对稳定信号输出的重要性 4.利用声卡设计实用的数据采集系统,将声卡实际采集的数据结合仿真程序进行数字相关解调分析,零位偏值过大,线性度也不够理想,因此要合理选取前置放大系数,信号中的非线性误差也需要进一步消除 5.分析了导致陀螺系统产生零位偏值、零位漂移、相位偏移以及随机噪声的原因,具体分析了几种主要因素(如质心偏离、不正交等)产生的机械耦合对系统的影响 本文的仿真分析充分表明数字相关解调可以有效提高微弱信号检测精度,将之应用于石英音叉陀螺的信号检测是切实可行的;系统误差源的分析也为今后改进加工工艺,进行系统优化设计奠定了基础和提供了方向指导。
【关键词】：压电效应 微弱信号 数字检测 机械耦合 零位漂移 相位偏移 随机误差
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TH703
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 课题概述10-13
• 1.1.1 课题来源10
• 1.1.2 课题研究背景10-12
• 1.1.3 课题提出及其意义12-13
• 1.2 石英音叉微机械陀螺简介13-18
• 1.2.1 石英音叉微机械陀螺的基本原理13-14
• 1.2.2 石英音叉微机械陀螺的特点14-15
• 1.2.3 发展及其国内外研究现状15-18
• 1.3 本文主要研究工作及内容安排18-20
• 第二章 音叉式石英微机械陀螺的工作机理20-36
• 2.1 工作原理与哥氏效应20-21
• 2.1.1 哥氏效应与哥氏力20-21
• 2.1.2 悬梁耦合21
• 2.2 石英晶体相关的物理性质21-25
• 2.2.1 石英晶体的压电效应21-23
• 2.2.2 石英晶体的频温特性23-25
• 2.3 石英振子的等效电路25-27
• 2.4 陀螺的电极配置和弯曲振动方程27-35
• 2.4.1 陀螺的激励和检测电极配置27
• 2.4.2 石英梁的受力分析27-32
• 2.4.3 石英音叉弯曲振动方程32-35
• 本章小结35-36
• 第三章 陀螺信号数字解调的分析36-48
• 3.1 微弱信号检测原理与方法36-41
• 3.1.1 锁定放大器36-39
• 3.1.2 取样积分器39-40
• 3.1.3 滑动平均滤波器40-41
• 3.2 检测石英音叉微陀螺信号的原理与方法分析41-43
• 3.3 相关解调的特性分析43-47
• 3.3.1 最大似然估计的有效无偏估计43-45
• 3.3.2 最小可测信号45
• 3.3.3 动态储备45-46
• 3.3.4 等效噪声带宽46
• 3.3.5 信噪比的改善46-47
• 本章小结47-48
• 第四章 数字解调原理的仿真分析及对实测数据处理48-62
• 4.1 数字滤波器的设计48-50
• 4.1.1 IIR和FIR数字滤波器48-49
• 4.1.2 消除混叠的预滤波49
• 4.1.3 低通滤波器49-50
• 4.1.4 滤波器设计的一般原则50
• 4.2 理想信号的仿真分析50-57
• 4.2.1 微弱信号检测原理的仿真50-56
• 4.2.2 陀螺的幅度调制信号56-57
• 4.2.3 解调陀螺信号57
• 4.3 对声卡采集数据的分析处理57-61
• 4.3.1 数据采集系统原理57-58
• 4.3.2 数据的采集与相关解调58-59
• 4.3.3 陀螺输出信号分析59-61
• 本章小结61-62
• 第五章 石英音叉陀螺信号的系统误差62-78
• 5.1 陀螺信号的零位偏值62-66
• 5.1.1 加工偏差引起的机械耦合62-65
• 5.1.2 谐振频率间隔导致的机械耦合65-66
• 5.2 陀螺信号的零位漂移66-71
• 5.2.1 驱动电路和检测电路的稳定性67
• 5.2.2 驱动振动和感测振动谐振频率的变化67-71
• 5.3 陀螺信号的相位偏移71-73
• 5.3.1 系统相位延迟71-72
• 5.3.2 谐振频率和品质因素的影响72-73
• 5.4 陀螺信号的随机误差分析73-76
• 5.4.1 机械部分的误差73-75
• 5.4.2 电路部分的误差75-76
• 本章小结76-78
• 第六章 结束语78-80
• 6.1 全文研究总结78-79
• 6.2 未来工作展望79-80
• 致谢80-81
• 攻读硕士学位期间发表的论文81-82
• 参考文献82-85

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 周晓玲;沈恺煜;吴校生;王天洋;陈文元;张卫平;崔峰;刘武;;基于DSP高速外扩FLASH的高精度数据采集系统[J];电子器件;2012年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 张尔东;音叉式石英微陀螺CMOS集成检测电路设计[D];哈尔滨理工大学;2010年

2 孙明;电容式陀螺仪接口电路的测试与分析[D];哈尔滨工业大学;2010年

3 黄浩;石英陀螺闭环自激驱动ASIC芯片设计[D];哈尔滨工业大学;2010年

4 罗浩菱;基于光学干涉相位检测的MEMS陀螺信号读出技术研究[D];重庆大学;2011年

5 徐宏磊;微石英音叉陀螺正弦自激驱动电路设计[D];哈尔滨工业大学;2011年

6 周晓玲;微固体模态陀螺的数据采集存储及处理系统的研究[D];上海交通大学;2012年

7 郭理彬;石英音叉陀螺信号数字解调技术研究[D];国防科学技术大学;2006年

8 王仁宝;基于DSP的红外吸收型瓦斯检测系统的研究[D];安徽理工大学;2008年

9 王浩旭;石英微陀螺结构优化与制造工艺研究[D];国防科学技术大学;2009年

10 杜康;砷化镓基介观压阻型微机械陀螺仪的设计与测试[D];中北大学;2010年

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本文编号：410422