静电驱动压电检测微机械陀螺仪的力学分析

论文摘要

微机械陀螺仪具有体积小、重量轻、成本低,可靠性高、可批量生产、便于与电子线路集成等优点,因此在军用和民用领域具有广阔的应用前景。在微机械陀螺研究中,研制出价格低廉、体积小巧而性能适中的微机械陀螺仪将成为人们追求的一个重要目标。本文分析了一种静电驱动、压电薄膜检测新型微机械陀螺仪的力学模型,从而为工程应用提供一种可选的结构形式。本论文的主要工作包括:(1)对微机械振动陀螺仪的研究历史和发展现状作了简单的综述。(2)用有限元软件ANSYS对结构进行模态分析,用以检验结构主振型是否能够测量被测角速度,得到了结构前六阶振型和固有频率。(3)给出梳状静电驱动器的驱动力大小计算公式,并分析了影响驱动力大小的因素。(4)建立微机械陀螺的振动方程,利用卡氏第二定理,分析了振动方程中的刚度系数。(5)结合压电效应、弹性力学、复合材料力学、振动理论对结构、两种薄膜形式进行了静力学分析。(6)用一个具体结构尺寸的陀螺仪进行了数值计算。论文通过对静电驱动压电检测微机械陀螺仪的力学分析,最后得到压电薄膜输出的总电荷与输入角速度的解析式,从而对陀螺仪的设计提供重要的理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 研究的意义及国内外研究状况
• 1.2.1 研究意义
• 1.2.2 国内外相关技术的发展和研究状况
• 1.3 本文内容的安排
• 第二章 静电驱动压电检测微机械陀螺仪的模态分析
• 2.1 引言
• 2.2 静电驱动压电检测微机械陀螺的结构和工作原理
• 2.2.1 压电效应的基本原理
• 2.2.2 压电薄膜的布置形式
• 2.3 静电驱动压电检测微机械陀螺的模态分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 静电驱动压电检测微机械陀螺动力学方程的建立
• 3.1 引言
• 3.2 静电驱动的分析
• 3.3 静电驱动压电检测微机械陀螺振动方程的建立
• 3.4 弹性梁的分析
• 3.4.1 卡氏第二定理
• 3.4.2 弹性梁的受力分析
• 3.4.3 弹性梁的刚度
• 3.5 数值计算
• 3.6 本章小结
• 第四章 静电驱动压电检测微机械陀螺仪静力分析
• 4.1 假设条件
• 4.2 微机械陀螺方程的推导
• 4.2.1 具有单层压电薄膜的陀螺方程推导
• 4.2.2 具有双层压电薄膜的陀螺仪方程推导
• 4.3 电荷与输入角速度的关系
• 4.4 数值计算
• 4.4.1 单层压电薄膜
• 4.4.2 双层压电薄膜
• 4.5 本章小结
• 第五章 结束语
• 参考文献
• 致谢