硅微陀螺仪误差机理及试验研究

论文摘要

硅微陀螺仪是近十几年发展起来的一种新型陀螺仪,它具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、数字化等一系列优点。因此,硅微陀螺仪在航空航天、地质勘探、医学、汽车工业以及机器人等领域具有广阔的应用价值和前景。与其它陀螺仪相比硅微陀螺仪精度不高,因此,目前主要应用于对精度要求不高的领域,如汽车工业、消费电子等领域。目前,国内对硅微陀螺仪的研究主要集中在提高精度和稳定性。由于制造工艺等条件短期内很难有大的突破,因而研究陀螺仪误差源和误差机理,从而进一步提高陀螺仪的精度和稳定性有着极为重要的意义。同时,硅微机械陀螺仪由于其材料特性,在输出的精度和稳定性上都会受到温度的影响。温度对硅微陀螺仪性能的影响也一直是惯性导航研究的重点课题。论文首先研究了微机械陀螺仪的动力学方程。分别在驱动模态和检测模态方向研究了动力学方程,并分析了影响陀螺仪灵敏度的主要因素;然后,研究了振动环形微机械陀螺仪的结构、工作原理及其检测机制;分析了振动环形陀螺仪的检测电路,推导出了陀螺仪灵敏度的公式。以此为基础,研究了降低噪声提高陀螺仪灵敏度的方法。其次,分析了硅微陀螺仪的主要误差源。运用Hamilton原理和Lagrange乘子法推导了振动环形微机械陀螺仪的运动方程。在此基础上,分析了振动环形微机械陀螺仪的误差源和误差机理。最后,通过试验研究了温度对陀螺仪参数的影响。在试验结果的基础上,研究了温度对标度因数和零偏的影响,并建立了温度—零偏模型。基于建立的模型,对由于温度使陀螺仪零偏产生的漂移进行了补偿。通过补偿,有效提高了陀螺仪的稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 陀螺仪的性能指标
• 1.3 微机械陀螺仪研究现状
• 1.3.1 国外微机械陀螺仪研究现状
• 1.3.2 国内微机械陀螺仪研究现状
• 1.4 课题来源及研究的目的和意义
• 1.5 课题主要研究内容及安排
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 内容安排
• 第2章 振动环形硅微陀螺仪及其工作原理
• 2.1 微机械振动式陀螺仪的工作原理
• 2.1.1 Coriolis效应
• 2.1.2 微机械振动式陀螺仪的动力学模型
• 2.2 振动环形陀螺仪的结构及工作原理
• 2.2.1 振动环形陀螺仪的结构和原理
• 2.2.2 振动环形陀螺仪的检测机制及灵敏度分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 硅微机械陀螺仪误差源及机理分析
• 3.1 硅微机械陀螺仪误差源分析
• 3.2 振动环形硅微机械陀螺仪的运动方程
• 3.2.1 振子单元研究
• 3.2.2 关于曲率半径
• 3.2.3 环形振子运动方程的推导
• 3.3 基于振动环形硅微机械陀螺仪的误差机理分析
• 3.3.1 原理性误差
• 3.3.2 工艺离散性误差
• 3.3.3 外界环境变化引致的误差
• 3.4 本章小结
• 第4章 硅微陀螺仪温度试验研究
• 4.1 陀螺仪的测试系统设计
• 4.1.1 测试系统组成
• 4.1.2 测试系统建立
• 4.2 硅微陀螺仪标度因数的标定
• 4.3 硅微陀螺仪零点漂移测试
• 4.3.1 陀螺仪测试
• 4.3.2 数据处理
• 4.4 硅微陀螺仪标度因数温度试验研究
• 4.4.1 测试过程
• 4.4.2 试验数据的处理及结果分析
• 4.5 硅微陀螺仪零偏及其补偿研究
• 4.5.1 信号预处理
• 4.5.2 数据建模
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢