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力平衡式諧振微機械陀螺.pdf

關 鍵 詞:
平衡 諧振 微機 陀螺
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摘要
申請專利號:

CN201510775483.7

申請日:

2015.11.15

公開號:

CN106705949A

公開日:

2017.05.24

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的撤回IPC(主分類):G01C 19/5621申請公布日:20170524|||公開
IPC分類號: G01C19/5621(2012.01)I 主分類號: G01C19/5621
申請人: 重慶藍陽船舶修造有限公司
發明人: 夏燊艷; 何剛
地址: 408000 重慶市涪陵區黎明南路13號金色陽光15-11
優先權:
專利代理機構: 代理人:
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510775483.7

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2017.05.31|||2017.05.24

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的撤回|||公開

摘要

力平衡式諧振微機械陀螺,包括靜電梳齒驅動器、質量塊、雙端音叉諧振器和靜電梳齒力平衡器。在靜電梳齒驅動器上加驅動電壓時,質量塊作沿x軸方向的振蕩運動,并在外部繞z軸的旋轉角速度作用下產生沿y方向的科氏力。靜電梳齒力平衡器用于平衡質量塊在y方向上的科氏力,使質量塊在y方向上處于平衡位置。本發明的結構形式提高了微機械陀螺的靈敏度、分辨率和動態范圍,實現了將陀螺敏感角速度產生的科氏力的變化轉換成諧振器諧振頻率的變化,進而通過反饋回路調節達到新的平衡的力平衡式反饋系統,并有效地抑制了非線性的影響。

權利要求書

1.力平衡式諧振微機械陀螺,其特征在于:包括雙端音叉諧振器(1)、靜電梳齒驅動器(2)、質量塊(3)、和靜電梳齒力平衡器(4),結構為軸對稱圖形,中間為質量塊(3),具有x和y兩個方向的自由度,其x方向上放置兩個固定于基底上的靜電梳齒驅動器(2),其y方向上設置兩個固定于基底上的靜電梳齒力平衡器(4)和兩個雙端音叉諧振器(1),質量塊(3)受靜電梳齒驅動器(2)的靜電力驅動,沿x方向作振蕩運動,若存在沿z軸方向的外界輸入角速度信號,質量塊將受到沿y方向的科氏力作用,靜電梳齒力平衡器(4)用于平衡此科氏力,使質量塊在y方向上處于平衡位置,當輸入角速度變化時,質量塊(3)在y方向上出現周期變化的科氏力,并傳遞到相連的兩個雙端音叉諧振器(1)上,且大小相等方向相反,使其固有諧振頻率發生變化,測量其差動輸出可反饋調節靜電梳齒力平衡器(4)的驅動電壓,從而使質量塊(3)在y方向上回到平衡位置,實現對輸入角速度的動態閉環檢測。2.根據權利要求1所述的力平衡式諧振微機械陀螺,其特征在于:所述的雙端音叉諧振器(1)能夠實現諧振式檢測方式,它采用工作在簡諧振動狀態的兩根對稱的音叉梁,通過敏感音叉梁在軸向力作用下諧振頻率的變化實現對軸向力的測量,兩根音叉梁外側對稱放置驅動和拾振裝置使其工作在諧振狀態。3.根據權利要求1所述的力平衡式諧振微機械陀螺,其特征在于所述的靜電梳齒力平衡器(4)與靜電梳齒驅動器(2)具有相同的均布靜齒,與質量塊(3)上分布的動齒構成動、靜梳齒對結構,在驅動電壓下產生靜電力,用于平衡陀螺敏感角速度產生的科氏力作用,使陀螺在此方向上處于平衡位置,有效地抑制了非線性的影響。

說明書

力平衡式諧振微機械陀螺

技術領域

本發明屬于微機電系統(MEMS)中的微機械傳感器領域,它作為微慣性器件廣泛應用于汽車電子、航空航天、武器裝備等領域。

背景技術

基于角動量原理的經典的框架式機械轉子陀螺儀,由數百個(約300多個)零件組裝而成,結構復雜,體積大,使用壽命短,不能滿足技術發展和許多新應用的要求。因而相繼發展了沒有機械轉子的固態陀螺,代表性的有激光陀螺、半球諧振陀螺以及光纖陀螺。前兩種陀螺的性能可達到慣性導航級的漂移精度(0.01°/h);但價格高,體積較大,仍不能適用于正在發展的微型慣性測量單元和低價格商用市場的需求。而MEMS正處于發展時期,它的技術和市場都尚未成熟,但其孕育的廣闊發展前景和巨大的社會、經濟效益是世人共知的。于是,研制新一代微機械陀螺(MMG)受到世界范圍的普遍重視,并在汽車工業需求的推動下,已經成為20世紀80年代中期至今廣泛研究和發展的主題。

從測試原理上講,目前硅微機械陀螺普遍采用電容檢測方式。電容檢測具有溫漂小,靈敏度高,可靠性號和穩定性好等優點。但隨著微慣性器件結構尺寸的不斷縮小,其靈敏度和分辨率大大降低,達到了檢測的極限狀態。檢測輸出信號的信噪比非常低,信號檢測電路和處理電路非常復雜,不利小型化和集成化。2002年,美國Berkeley的A.A.Seshia等人提出了硅諧振式微機械陀螺的一種實現結構,該結構將以往的硅微機械陀螺與微機械諧振器有效地結合在一起,從而有效地避免電容檢測中噪聲干擾的影響。但其微機械諧振器的振動動態方程很復雜,在僅考慮穩態情況下的輸出位移信號既是調幅信號同時也是調頻信號,解調過程受非線性因素影響。目前的微機械陀螺產品大多是中低精度地,嚴重地制約其應用范圍,較多地應用在精度要求不高的商用領域,提高現有微機械陀螺的性能就是要實現高靈敏度、高分辨率、低噪聲、低漂移和大的動態范圍。

發明內容

本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足,提供一種力平衡式諧振微機械陀螺,以解決現有微機械陀螺靈敏度、分辨率不夠高,以及電容檢測中存在的問題,抑制非線性的影響。

本發明的技術解決方案:力平衡式諧振微機械陀螺包括雙端音叉諧振器、靜電梳齒驅動器、質量塊和靜電梳齒力平衡器四個部分,整個結構為軸對稱圖形,質量塊處于中間位置,具有x和y兩個方向的自由度,其x方向上對稱放置兩個固定于基底上的靜電梳齒驅動器,其y方向上對稱設置兩個固定于基底上的靜電梳齒力平衡器和兩個雙端音叉諧振器DETF,質量塊受靜電梳齒驅動器的靜電力驅動,沿x方向作振蕩運動,若存在沿z軸方向的外界輸入角速度信號,質量塊將受到沿y方向的科氏力作用。靜電梳齒力平衡器用于平衡此科氏力,使質量塊在y方向上處于平衡位置,當輸入角速度變化時,質量塊在y方向上出現周期變化的科氏力,并傳遞到相連的兩個雙端音叉諧振器上,且大小相等方向相反,使其固有諧振頻率發生變化,測量其差動輸出可反饋調節靜電梳齒力平衡器的驅動電壓,從而使質量塊在y方向上回到平衡位置,實現對輸入角速度的動態閉環檢測。

本發明工作原理:力平衡式諧振微機械陀螺屬于振動陀螺(VG),是基于受激振動在有科氏加速度時存在模態耦合效應的原理來工作的,實質上是由于科式加速度的存在引起了兩種模態間的能量傳遞。其基本原理如圖2所示,其中質量塊3P固連在旋轉坐標系的xoy平面,質量塊P在受到靜電梳齒驅動器的靜電力驅動作用后將沿x軸方向以相對旋轉坐標系的速度υ運動,旋轉坐標系繞負z軸以角速度ω旋轉。因科氏效應產生科氏力的公式為Fcor=-2mP[ω×υ],即質量塊P在旋轉坐標系中受到沿正y軸的科氏力Fcor,其中mP為平板質量塊P的質量。可見科氏力Fcor直接與作用在質量塊P上的輸入角速度ω成正比,獲得該科氏力Fcor的信息也即獲得輸入角速度ω的信息。

該科氏力Fcor通過靜電梳齒力平衡器來平衡,使質量塊在科氏力Fcor方向上處于平衡位置。其梳齒的結構圖如圖3所示,在靜電梳齒力平衡器上施加驅動電壓V(t)=Vd+Visinωpt,x軸方向上產生的靜電力為:Fe=1∂C2∂xV(t)2]]>

=1∂C2∂x(Vd2+12Vi2+2VdVisinωpt-12Vi2cos2ωPt).]]>其中,∂C∂x=2nϵrϵ0hd,]]>即只與梳齒的厚度h和梳齒間隙d有關,與梳齒寬度b無關。在Vi<Vd的情況下,則施加在質量塊上的靜電力為Fx=2∂C∂xVdVisinωpt.]]>通過改變驅動電壓V(t)=Vd+Visinωpt大小來使靜電力Fx平衡科氏力Fcor,即有Fx=Fcor。

在輸入角速度變化瞬間,科氏力Fcor′≠Fx,由于設計的結構為軸對稱圖形,該科氏力Fcor′以等幅反向的形式作用在兩端對稱的兩個雙端音叉諧振器上,使其彈性系數kl受到調制發生周期性的變化。其彈性系數kl與科氏力成正比,可表示為kl=CmodeFcor′2Lr,]]>其中Cmode為雙端音叉諧振器的振型常數。如圖4所示,雙端音叉諧振器在軸向時變科氏力Fcor′作用下的動力學方程為:

mrx··r+brx·r+(kr+klsin(ωpt))xr=Fd,]]>其中,Fd為加在諧振器上的驅動電壓產生的驅動力,kr為諧振器在未受科氏力作用時系統的彈性系數,klsin(ωpt)為諧振器在驅動頻率為fp=ωp/2π的科氏力Fcor′的調制作用下附加的彈性系數,在零點附近,此附加項可線性化為klωpt。單個雙端音叉諧振器的諧振頻率變化為ωr=kr+klωptmr≈ωr0+ωr02klωptkr,]]>對稱的兩個雙端音叉諧振器的諧振頻率變化量的差動輸出為Δf=12π(Δω1-Δω2)=12π2Δω=ωr02πklωptkr.]]>以之為控制信號,通過力平衡控制回路調節靜電梳齒力平衡器的驅動電壓使質量塊在科氏力Fcor′作用下達到新的平衡狀態,從而實現對輸入角速度ω的檢測。

本發明與現有技術相比的優點:

(1)本發明所采用的雙端音叉諧振器能夠實現將微機械陀螺敏感角速度產生的科氏力的變化轉換成諧振器諧振頻率的變化,從而反饋調節靜電梳齒力平衡器的驅動電壓,有效避免了電容檢測中噪聲干擾的影響,且易于數字信號處理。

(2)本發明所采用的靜電梳齒力平衡器能夠平衡微機械陀螺敏感角速度產生的科氏力作用,使微機械陀螺在此方向上處于靜止平衡狀態,有效地抑制了非線性的影響,也解決了在單獨使用微機械諧振器檢測過程中存在的振動動態方程復雜,僅考慮穩態情況,且輸出位移信號既是調幅信號同時也是調頻信號等因素的影響。

附圖說明

圖1為本發明的力平衡式諧振微機械陀螺的原理圖;

圖2為本發明的科氏效應基本原理示意圖;

圖3為本發明的梳齒結構圖;

圖4為本發明的雙端音叉諧振器的結構圖;

圖5為本發明的力平衡式諧振微機械陀螺的實施例1結構圖;

圖6為力平衡式諧振微機械陀螺的實施例2結構圖。

具體實施方式

如圖1所示,本發明由雙端音叉諧振器1、靜電梳齒驅動器2、質量塊3、和靜電梳齒力平衡器4四個部分組成,整個結構為軸對稱圖形。質量塊3處于中間位置,具有x和y兩個方向的自由度,其x方向上對稱放置兩個固定于基底上的靜電梳齒驅動器2,其y方向上對稱設置兩個固定于基底上的靜電梳齒力平衡器4和兩個雙端音叉諧振器DETF 1。

如圖4所示,雙端音叉諧振器1包括驅動靜齒6、測量靜齒7、梁11和動齒5,其中,兩根對稱的音叉梁作簡諧振動,其外側對稱放置驅動靜齒6和動齒5構成動、靜梳齒對,通過靜電力使雙端音叉諧振器1工作在諧振狀態,并通過測量靜齒7和動齒5構成的動、靜梳齒對來敏感音叉梁在軸向力作用下諧振頻率的變化實現對軸向力的測量。在驅動靜齒6上加頻率為雙端音叉諧振器1諧振頻率的驅動信號后,質量塊3做y方向的諧振運動,測量靜齒7輸出諧振頻率信號。

靜電梳齒驅動器2和靜電梳齒力平衡器4具有相同的均布靜齒,與質量塊上分布的動齒構成動、靜梳齒對結構,在驅動電壓下產生靜電力。前者用于產生質量塊作簡諧振動的靜電力,后者用于平衡陀螺敏感角速度產生的科氏力作用,使陀螺在科氏力方向上處于平衡位置。

圖1所示力平衡式諧振微機械陀螺的原理圖,可以有多種結構圖實現,舉例說明,可以有如圖5和圖6所示的力平衡式諧振微機械陀螺的實現結構。如圖5所示,結構為軸對稱圖形,質量塊3包括內部動齒框架及外部框架,通過四個支撐梁9和錨點8與基底固定。在內部動齒框架內部x方向上放置四個固定于基底上的靜電梳齒驅動器2,在外部框架外部y方向上對稱放置兩個固定于基底上的靜電梳齒力平衡器4,和兩個雙端音叉諧振器1。如圖6所示,結構為軸對稱圖形,質量塊3為平板狀,處于中間位置,通過四個支撐梁9和錨點8與基底固定。其x方向上對稱放置兩個固定于基底上的靜電梳齒驅動器2,其y方向上對稱放置兩個固定于基底上的靜電梳齒力平衡器4,并通過兩個固定于基底上的杠桿放大機構10與外側兩個雙端音叉諧振器1相連。其中,杠桿放大機構10利用典型的杠桿原理,利用錨電8為支點,通過減小力臂達到放大科氏力的作用。

本發明的結構中,基片材料為玻璃,敏感結構材料為單晶硅,采用標準的體硅工藝制作,較以往的多晶硅微機械陀螺具有更加良好的機械特性。

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