静电悬浮微机械加速度计检测电路设计

静电悬浮微机械加速度计通过静电力把质量块无接触的悬浮起来,具有极高的分辨率.一般采用差动电容式位移检测的方式来精确检测质量块在电极腔内的运动,然后在通过悬浮控制系统来实现六自由度的有源悬浮.针对该电容的检测,本文介绍了一种基于环形二极管解调的单频载波公共激励电极电容式多路位移检测方案,并进行了设计仿真与实验测试,实验测...     

硅微加速度计六自由度悬浮控制系统设计

六轴静电悬浮的硅微加速度计以其低量程、高分辨率和多轴集成等特点,在微小航天器的无拖曳控制、微重力测量等方面有着独特而重要的用途.本文针对外带梳齿式长方体检测质量的表头结构,依据带宽、量程、刚度等指标要求,经位移检测解耦变换与加力控制耦合变换后,分别设计出六轴稳定悬浮控制器.在地面大气环境下的仿真分析结果表明,阻尼最小的...     

地面静电加速度计的位移检测电路设计

高精度静电悬浮加速度计可作为海空重力测量仪器中的核心传感器,检验质量的位移检测电路是加速度计控制系统的核心,其精度直接影响了加速度计零偏和标度因数的稳定性,因此需要研究分辨率高、噪声小的位移检测系统。针对高精度静电悬浮加速度计的地面应用需求,以大表面积质量比的敏感探头结构为测量对象,设计了基于差动电容的位移检测电路,建立了电容检测电路的数学模型,对电路误差源进行了系统分析。实验结果表明,该电路能够有效地抑制悬浮高压引入的耦合误差,减小电路噪声。当电路工作在零点附近,20kHz内的噪声小于2×10-6V/Hz1/2,对应电容检测分辨率为2.93×10-5pF/Hz1/2,能够满足地面应用静电加速度计对位移测量精度的要求。     

静电悬浮微加速度计气膜阻尼分析

气膜阻尼对静电悬浮微加速度计系统的动态特性有着重要的影响。本文首先根据流体力学理论,构建了描述微加速度计内部气体压膜阻尼特性的线性Reynolds方程和描述微加速度计内部气体滑膜阻尼特性的线性Navier-Stokes方程,推导出悬浮质量块在轴向和径向运动时的气膜阻尼系数,并进行比较。然后采用ANSYS软件进行仿真分析,结果表明,解析误差在10%以内。     

微米光栅加速度计力反馈系统设计

针对高分辨率微米光栅加速度计中存在的输出非线性和动态范围小的问题,提出了一种基于静电驱动的静电力反馈方法.该方法一方面将质量块位移锁定在最佳工作点,提高加速度计的线性度;同时利用静电力反馈实现微米光栅加速度计的力反馈控制,提高它的动态范围.给出了微米光栅加速度计的力反馈检测原理,建立了静电力反馈控制模型和基于力反馈的微米光栅加速度计系统的数学模型,在此基础上优化了PI控制单元,搭建了微米光栅加速度计力反馈系统,实现了力反馈控制.实验结果显示:当质量块位移锁定在最佳工作点处时,微米光栅加速度计的量程比未加力反馈时增大了33.4倍,非线性度抑制了6.4倍.     

国外光力学加速度计研究现状及发展趋势

加速度计在消费电子、工业监测、惯性导航和资源勘探等领域有着广泛的应用,与传统的加速度计相比,近年来出现的光力学加速度计具有精度高和可微型化等优势,其涉及光力耦合效应、微腔光子学和微纳加工技术等多个领域,是下一代高精度加速度计发展方向之一.详细介绍了光阱悬浮式和光学微腔式两种原理的多种类型光力学加速度计,分析了各种光力学加速度计的工作原理、传感方式及其优缺点,总结了国外光力学加速度计的研究现状及未来发展趋势,为我国发展光力学加速度计相关研究提供参考.     

浅谈微加速度计的整流误差

为明确微机械加速度计在振荡输入过程中直流输出的情况,着重分析了静电力反馈电容式微加速度计振荡频率低于微加速度计带宽和在微加速度计带宽附近两种情况下的失衡机理。为说明微加速度计与传统加速度计的整流误差差异,对两种整流误差的情况进行了半定量计算。本文的结论说明了微加速度计与石英挠性加速度计等传统惯性仪表在整流误差方面的区别;在此基础上,引申出由于整流误差决定不同种类的微加速度计有着不同标定要求和适用范围的结论。     

一种摆式大量程加速度计的设计

介绍了一种摆式大量程加速度计的工作原理.基于经典控制理论完成了加速度计各环节数学模型的建立,对加速度计悬丝支承、力矩器、位移传感器、伺服电路等部件进行了说明,阐述了该大量程加速度计的技术特点.     

浅谈三种电容式微加速度计的空气阻尼

为明确梳齿电容式与"三明治"电容式微加速度计的噪声极限与相关的三类结构形式对应的微机械加工工艺影响,着重分析了三种工艺实现下的典型参数微加速度计的大气环境下空气阻尼情况,并剖析了不同的结构形式与不同的加工工艺对结构型式的约束和对精度极限的限制.为说明由尺度效应带来的微加速度计受空气阻尼影响而产生的远大于传统加速度计的机...     

硅微谐振式加速度计结构设计与仿真优化

硅微谐振加速度计以高精度的频率信号输出成为硅微传感器的研制热点之 一。在分析硅微谐振式加速度计工作机理的基础上,采用一种新的基于双检测质量块和 谐振音叉低附加质量的硅微谐振式加速度计结构形式。运用ANSYS 对加速度计关键结 构尺寸进行仿真优化,明确了关键结构尺寸的变化对加速度计性能的影响规律。结果表 明：杠杆支撑梁长度、杠杆支撑梁宽度、杠杆支撑梁位置、音叉梁宽度、梳齿宽度和质 量块支撑梁宽度对整体结构性能影响最大。所设计的加速度计谐振基频约为21kHz,标 度因数为92Hz/g,在±30g 加速度输入下非线性达到0.322‰。     

窄频差硅基环形陀螺检测闭环控制系统设计

针对窄频差硅基环形波动陀螺动态性能差的问题，提出了一种基于比例积分微分-惯性环节（proportion integral differential-inertial element，PID-IE）的串联式相位校正检测闭环系统控制器。以硅微机械陀螺仪结构运动方程为基础建立了理想的窄频差U 形弹性梁硅基环形波动陀螺仪的系统模型。通过对环形陀螺开环工作状态下的系统模型及其外围电路的传递函数和波特图分析，设计了一种基于PID-IE的检测闭环系统控制器。通过对其系统模型及外围电路时域仿真，验证了该检测闭环控制系统的可行性，通过仿真发现，加入该控制器后的陀螺输出稳定时间减少了50%，陀螺检测位移输出减小了2个数量级，基本实现了该陀螺的检测位移抑制。在模拟电路中实现了该检测闭环控制系统后，通过实验测试了陀螺检测闭环控制前后的各项性能指标。通过实验测试发现，实现闭环控制后，陀螺输出稳定时间约为0.15 s，陀螺检测位移在闭环工作状态下比开环工作状态减小了97%，陀螺的标度因数比检测开环提高了10倍,零偏及零偏不稳定性与检测开环相比分别提升了3倍和8倍，且闭环控制系统的工作带宽比开环工作带宽提高了30倍。     

微传感器最新发展

近年来，微传感器受到国际传感技术界的广泛关注，本文介绍十多个微传感器，包括三轴加速度计，单，双轴加速度计片，表面微机械陀螺（角速度传感器），微惯性导航系统，微磁通门传感器，磁阻传感器，纳米皮拉尼压力传感器，微科氏质量流量计，毫米波图像传感器，GPS手表（1cm^3)，二氧化碳传感器和微/超微角位移传感器，文事简要介绍它们的基本结构。敏感机理，特点等，从中可以看出微传感器已成为传感技术中有重要应用前景的组成部分。     

PWM静电伺服技术在电容微加速度计中的应用

根据实际条件,选用了PWM脉宽调制技术作为电容式加速度计静电平衡回路的实现方法。该方法与其他方法相比,更易于实现,而且整体组成也较为简单。     

基于模态局部化效应的微机械加速度计研究进展

模态局部化效应是安德森局部化在结构动力学中的一种具体表现形式,其利用振动模态的能量局部集中效应实现了灵敏度的大幅度提高。因此,模态局部化效应近年来逐渐被用于研制高精度的谐振式传感器。介绍了模态局部化效应的基本原理及发展历程,及其在各类谐振式传感器中的应用及研究现状,包括质量传感器、电荷传感器、位移传感器以及刚度传感器。最后,着重介绍了模态局部化效应在惯性敏感器件加速度计中的应用及研究现状。     

基于时滞不确定理论的导弹鲁棒控制系统设计

针对含有参数不确定性、干扰和响应延迟的控制系统鲁棒性设计问题,采用状态反馈控制方法设计控制系统,使得闭环控制系统在保证渐进稳定的同时满足H∞性能指标要求.建立导弹控制系统的线性离散模型,将提出的基于时滞不确定理论的设计方法应用于导弹俯仰-偏航通道的自动驾驶仪设计.通过仿真计算,验证了提出的控制系统设计方法在气动参数摄动...     

基于变频供电系统试验的模拟负载及控制的设计与研究

在民用飞机变频供电系统的设计和适航符合性验证试验中,负载特性的模拟是一项关键技术,为适应变频供电系统负载特性的综合测试和验证对负载模拟的符合性需求,论述了一种适应变频供电环境下的变频模拟负载作为模拟飞机115/200V、(360～800Hz)三相四线制变频供电系统负载的综合电气特性,并为之设计智能控制系统。通过在线优化阻抗参数,提高负载的闭环特性和自适应能力,确保变频供电系统负载电气特性参数测试的准确性。     

Modeling and control of a novel electro-hydrostatic actuator with adaptive pump displacement

The variable pump displacement and variable motor speed electro-hydrostatic actuator (EHA), one of the three types of EHAs, has advantages such as short response time, flexible speed regulation, and high efficiency. However, the nonlinearity of its double-input single-output system poses a great challenge for system control. This study proposes a novel EHA with adaptive pump displacement and variable motor speed (EHA-APVM). A closed-loop position is realized using a servomotor. Moreover, the displacement varies with the system pressure; thus, the EHA-APVM is a single-input and single-output system. Firstly, the working principles of the EHA-APVM and the pump used in the system are introduced. Secondly, a nonlinear mathematical model of the proposed EHA-APVM control system is established, and a feedback back-stepping (FBBS) control algorithm is introduced to transform the complex nonlinear system into a linear system on the basis of the back-stepping control theory. Finally, simulation results prove that the EHA-APVM has a quick response and high robustness to variations of the load and the pump displacement. In this work, the size and weight of the motor are significantly reduced because the maximum power requirement is reduced, which is very beneficial for using the actuator in airborne equipment.     

基于刚度优化的绳牵引并联支撑系统力/位混合控制

针对应用于风洞试验的八绳牵引并联支撑系统高性能运动控制问题,开展绳索张力实时优化与力/位混合控制技术研究。基于动态试验需求和系统刚度矩阵,选择主刚度加权和最大为目标函数,将其转化为线性规划问题,采用二维凸多边形张力可行域顶点法进行实时求解,并根据绳索张力变化约束进一步提出连续可行域,确保解的连续性,实现其优化分布;设计一种基于电机转角和绳索张力反馈的力/位混合控制策略,其中位姿控制环采用计算力矩法,并利用实际绳索张力补偿惯性力和非线性力等,进而开展稳定性分析。以风洞试验中典型的推力模拟、俯仰振荡等线位移和角运动轨迹为例,在原理样机上开展控制验证实验。研究结果表明该控制策略能够实现对末端飞行器模型位姿和绳索张力的有效跟踪,且具有较高的精度和良好的稳定性,可以为绳牵引并联支撑在风洞动态试验中的应用提供技术支持。